ГЕТЕРОСТРУКТУРА НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА - АНТИМОНИДА - ВИСМУТИДА ИНДИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01L21/208 

Изобретение относится к технологии полупроводниковых материалов и может быть использовано для получения методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) двухслойных гетероструктур: арсенид-антимонид-висмутид индия/антимонид индия (InAs_1-x-ySb_xBi_y/InAs_1-x-ySb_xBi_y/InSb) для фотоприемных устройств ИК-диапазона, соответствующего ширине запрещенной зоны (Е_g) эпитаксиального слоя (ЭС) менее 0,165 эВ при 77К (или положению края собственного оптического поглощения λ_с>7,5 мкм при 77К).

Известны двухслойные гетероструктуры InAs_1-xSb_x/InAs_1-xSb_x/InSb [1] полученные методом ЖФЭ из индиевых растворов-расплавов. Использован известный прием выращивания буферного слоя для уменьшения рассогласования периодов кристаллической решетки элементов гетероструктуры. Достигнуты значения Е_g 0,17 эВ при 77К (что соответствует λ_c< 7,3 мкм при 77К).

Наиболее близким к изобретению техническим решением являются гетероструктуры InAs_1-x-ySb_xBi_y/InSb (x ≥ 0,88), полученные методом ЖФЭ из растворов-расплавов, содержащих в качестве растворителя висмут [2] Введение висмута в состав ЭС позволило добиться заметного уменьшения ширины запрещенной зоны ЭС.

Процесс ЖФЭ включает гомогенизацию раствора-расплава, приготовленного ранее путем сплавления навесок арсенида индия, антимонида индия и висмута при температуре синтеза 650^о С, охлаждение системы с постоянной скоростью, приведение раствора-расплава в контакт с подложкой при температуре ниже температуры насыщения на 5-20^о С, удаление раствора-расплава с поверхности ЭС после завершения наращивания ЭС заданной толщины.

Недостатком данных гетероструктур и способа их получения является трудность получения гетероструктур с х > 0,88, что ограничивает значения Е_g величиной ≃ 0,17 эВ при 77К. Для дальнейшего уменьшения Е_gнеобходимо повышение содержания мышьяка в ЭС и, следовательно, увеличение концентрации мышьяка в растворе-расплаве. Это приводит к увеличению степени термодинамической неравновесности между подложкой антимонида индия и четырехкомпонентным раствором-расплавом и необходимости использования большего исходного переохлаждения раствора-расплава (ΔТ_о) для подавления подрастворения подложки.

Использование изобретения приведет к уменьшению ширины запрещенной зоны материала ЭС, так как гетероструктура содержит два последовательно наращиваемые ЭС следующего состава, ат. первый слой индий 50, сурьма 44-46, висмут 0,3-0,5 и мышьяк остальное; второй слой индий 50, сурьма 41-43, висмут 0,3-0,5 и мышьяк остальное. При этом выращивание второго ЭС проводят при температуре 400-445^о С.

Наличие буферного (первого) слоя уменьшает термодинамическую неравновесность между подложкой и раствором-расплавом, что позволяет уменьшить величину исходного переохлаждения, необходимого для предотвращения подрастворения подложки. При повышении температуры контакта (Т_k) раствора-расплава с подложкой снижается скорость роста ЭС, что приводит к увеличению эффективного коэффициента распределения мышьяка и соответственно к увеличению его концентрации в ЭС. Таким образом, уменьшение Е_g достигается за счет возможности выращивания ЭС с большим содержанием мышьяка.

П р и м е р 1. Для приготовления раствора-расплава с температурой ликвидуса Т_л⁽¹⁾ 462^о С, равной температуре насыщения, брали навески InSb, InAs и Bi в суммарном количестве 10 г, исходя из состава жидкой фазы (в ат.): In 30,17. Sb 30, As 0,17, Bi 39,66. Для приготовления раствора-расплава с температурой ликвидуса Т_л⁽²⁾ 455^о С, равной температуре насыщения, брали навески InSb, InAS и Bi в суммарном количестве 10 г, исходя из состава жидкой фазы (в ат.): In 27,17, Sb 27, As 0,17, Bi 45,66. Компоненты шихты сплавляли в графитовом контейнере при Т 650^о С в течение 1 ч. Шихту и подложку InSb(III)В загружали в графитовый контейнер пенального типа и нагревали до температуры 480^о С. После выдержки в течение 1 ч при этой температуре, необходимой для гомогенизации раствора-расплава, производили охлаждение со скоростью V_охл 1^оС/мин до температуры контакта Т_к⁽¹⁾ 442^о С (при этом величина переохлаждения первого раствора-расплава ΔТ Т_л⁽¹⁾ Т_к⁽¹⁾ составила 20^о С). При Т_к⁽¹⁾ первый раствор-расплав приводили в контакт с подложкой на время t 60 с. После завершения наращивания ЭС раствор-расплав удаляли с поверхности ЭС, после чего продолжали охлаждение системы с заданной скоростью до Т_к⁽²⁾ 437^о С (при этом величина переохлаждения второго раствора-расплава ΔТ Т_л⁽²⁾ Т_к⁽²⁾составила 18^о С). При Т_к⁽²⁾ составила 18^о С). Пpи Т_к⁽²⁾ второй раствор-расплав приводили в контакт с подложкой на время t 300 с. После завершения наращивания ЭС раствор-расплав удаляли с поверхности ЭС, после чего печь выключали.

Толщину ЭС определяли с помощью оптического микроскопа на сколе гетероструктуры после предварительного выявления гетерограницы путем селективного химического травления. Концентрацию мышьяка в ЭС измеряли методом локального рентгеноспектрального анализа. Ширину запрещенной зоны определяли по положению края собственного оптического поглощения λ_c
В приведенном примере толщина первого ЭС h₁ 8 мкм, толщина второго ЭС h₂₌ 6 мкм, х₁ 0,88, х₂ 0,83, λ_c 8,1 мкм, Е_g= 0,153 эВ при 77К.

Другие примеры реализации предлагаемого технического решения приведены в табл.1.

Для сравнения в табл.2 приведены результаты, полученные по способу-прототипу.

Как видно из примеров, приведенных в табл.1 и 2, ЭС InAs_1-x-ySb_xBi_y, полученные предлагаемым способом, характеризуются значительно меньшей шириной запрещенной зоны в сравнении с ЭС, полученными по способу-прототипу.

Попытки выращивать ЭС указанного состава непосредственно на подложках InSb не приводят к цели, так как для подавления подрастворения подложки требуется переохлаждение раствора-расплава на величину 25-35^оС, по достижении которой начинается гомогенная кристаллизация в жидкой фазе и происходит неконтролируемое изменение состава и толщины ЭС.

Примеры недостижения цели при выходе за указанные ограничительные параметры процесса приведены в табл.3.

Как видно из табл.3, ЖФЭ из растворов-расплавов, успешно использованных при росте ЭС по предлагаемому способу, не приводит к достижению цели при росте непосредственно на подложках InSb (примеры 1-3). Выход за пределы указанных величин переохлаждения раствора-расплава (примеры 4,5) также не приводит к положительным результатам по значениям Е_g.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом добиться заметного уменьшения ширины запрещенной зоны ЭС. Достижение этого технического результата расширяет возможности использования гетероструктур на основе узкозонных полупроводниковых материалов типа A^IIIB^V в приборах инфракрасной техники (фотоприемниках, оптических фильтрах и др.). Технология получения предлагаемых гетероструктур существенно не меняется по сравнению с технологией получения известных гетероструктур и не требует создания специального оборудования.

Использование: в технологии полупроводниковых материалов. Сущность изобретения: гетероструктура на основе арсенида-антимонида-висмутида индия включает эпитаксильный слой, содержащий индий, мышьяк, сурьму и висмут при следующем соотношении компонентов, ат.%: индий 50, сурьма 44 - 46, висмут 0,3 - 0,5 и мышьяк - остальное, и подложку антимонида индия. Новым является наличие второго эпитаксиального слоя, содержащего те же компоненты при следующем их соотношении, ат.%: индий 50, сурьма 41 - 43, висмут 0,3 - 0,5 и мышьяк - остальное. Способ осуществляют путем растворения навесок арсенида и антимонида индия в металле-растворителе - висмуте при температуре насыщения. Затем проводят гомогенизацию раствора-расплава при температуре 480°С, охлаждение системы с постоянной скоростью. Приводят раствор-расплав в контакт с подложкой при температуре ниже температуры насыщения на 12 - 20°С и удаляют раствор-расплав с поверхности эпитаксиального слоя после завершения наращивания слоя заданной толщины. Далее в едином технологическом цикле с той же последовательностью операций наращивают второй эпитаксиальный слой, при этом контакт раствора-расплава с поверхностью первого эпитаксиального слоя проводят при температуре ниже температуры насыщения на 7 - 18°С. 2 с.п. ф-лы, 3 табл.

1. Гетероструктура на основе арсенида антимонида висмутида индия, содержащая подложку из антимонида индия и эпитаксиальный слой из индия, мышьяка, сурьмы и висмута при следующем соотношении компонентов, ат.

Индий 50
Сурьма 44 46
Висмут 0,3 0,5
Мышьяк Остальное
отличающаяся тем, что на первом эпитаксиальном слое расположен второй эпитаксиальный слой при следующем соотношении компонентов, ат.

Индий 50
Сурьма 41 43
Висмут 0,3 0,5
Мышьяк Остальное
2. Способ получения гетероструктуры на основе арсенида антимонида - висмутида индия методом жидкофазной эпитаксии, включающий приготовление раствора-расплава путем растворения навесок арсенида и антимонида индия в металле-растворителе висмуте при температуре насыщения 415 465^oС, гомогенизацию раствора-расплава при 450 480^oС, охлаждение системы с постоянной скоростью, приведение раствора-расплава в контакт с подложкой при температуре ниже температуры насыщения на 12 20^oС, удаление раствора-расплава с поверхности эпитаксиального слоя после завершения наращивания слоя заданной толщины, отличающийся тем, что после удаления раствора-расплава дополнительно проводят наращивание второго эпитаксиального слоя на поверхности первого эпитаксиального слоя в едином технологическом цикле с той же последовательностью операций, при этом температуру насыщения выбирают в том же температурном интервале, а контакт раствора-расплава с поверхностью первого эпитаксиального слоя проводят при температуре ниже температуры насыщения на 7 18^oС.