СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРИЕМНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР GA AS/AL GA AS Российский патент 1996 года по МПК H01L31/18 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при изготовлении одиночных и многоэлементных фотоприемных устройство на основе многослойных квантоворазмерных гетероструктур GaAs/AlGaAs.

Известен способ изготовления приборов на основе многослойной гетероструктуры GaAs/Al_xGa_1-xAs, таких как селективно-легированный гетероструктурный транзистор, транзистор с высокой подвижностью электронов, в которых для контролируемого удаления эпитаксиальных слоев субмикронной толщины используется высокоселективное ионно-реактивное травление (Mimura T. Hiyamizi S. Joshin K. Hikosaka K. Enhancement Mode High Electron Mobility Transistors for Logic Application. Jap. J. Appl. Phys. v.20, L.317, 1981).

При ионно-реактивном травлении гетероструктуры при использывании ССl₂F₂ скорость травления GaAs в десятки раз выше, чем Al_xGa_1-x>As. Фактор селективности (отношение скоростей травления GaAs и Al_xGa_1-xAs) достигает 300, что позволяет контролируемо удалить слой GaAs и остановить процесс травления на верхней границе Al_xGa_1-xAs (G. M. Knoedler, T,F.Kuech. Celective GaAs/Al_xGa_1-xAs reactive ion etching using CCl₂F₂, J. Vac. Sci. Techn. B. 4(5), 1233-1236, 1986).

При травлении гетероструктуры GaAs/Al_xGa_1-xAs ( x > 0,4) в растворах фтористоводородной кислоты селективность для Al_xGa_1-xAs составляет ≈100, что также позволяет контролируемо остановить процесс травления на границе GaAs (X. S. Wu, L.A.Coldren, J.L.Ners. Selective ething characteristics of HF for Al_xGa_1-xAs/GaAs. Electronics Letters. 21, N 13, 558-569, 1985).

Указанный способ имеет следующие недостатки. Из-за высокой селективности он неприменим для структур из чередующихся слоев GaAs и Al_xGa_1-xAs. На изготовление мезаструктуры в этом случае требуется большое время, так как скорость травления одного из слоев в структуре очень мала. При ионно-реактивном травлении особенно при больших временах под воздействием плазмы в слоях GaAs возникают дефекты, влияющие на электрофизические характеристики слоев.

Известны фотоприемные устройства на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs, в которых фотоприемный элемент состоит из проводящего легированного слоя GaAs толщиной 0,5-1 мкм, выращенного на подложке полуизолирующего GaAs, многослойной периодической гетероструктуры GaAs/AlGaAs, состоящей из 50-100 слоев Al_xGa_1-xAs, 30-50 нм (х 0,2-0,5) и 50-100 слоев n⁺GaAs толщиной 4-5 нм, и второго проводящего слоя n⁺ толщиной 0,5-1 мкм (B.F.Levine, G.Hasnain, C.G. Bethea, N.Chang Broabdand 8-12 μm high-sensitivity GaAs quantum well infrared photodetector. Appl. Phys.Lett. 54(26) 2704-2706, 1989).

Обязательным этапом изготовления фотоприемных элементов является изготовление жидкостным травлением мезаструктуры. Для этого используют травители на основе перекиси водорода и серной кислоты. (D.W.Shaw. Localized GaAs etchind with acidic hydroden peroxide solution. J.Electrochem. Soc. 128, 784-880, 1981).

Так как суммарная глубина травления составляет 1,5-5 мкм, требуются травители с малой скоростью травления. Для этого применяют травители с большим содержанием воды. В растворах H₂SO₄-H₂O₂-H₂O с объемным соотношением 1: 8: (80-169) скорость травления меняется от 0,26 до 0,54 мкм/мин. Также применяют и перекисно-аммиачные травители, содержащие большое количество воды, например NH₄OH: H₂O₂:H₂O 3:1:150. Эти травители травят практически с одинаковой скоростью GaAs и Al_xGa_1-xAs ( х 0,2-0,5) (Fricke K. Hartnagel H.L. Lee W-Y. Wurf J. AlGaAs/GaAs HBT for high-temperature applications. IEEE Trans. Electron Devices, 39, N 9, 1977-1981, 1992).

Однако известные способы изготовления таких фотоприемных элементов обладают следующими недостатками. Так как при изготовлении элемента процесс травления следует остановить при достижении нижнего n⁺GaAs слоя толщиной 0,5-1 мкм, который является общим электродом, то требуется непрерывный контроль глубины протравленной области, который затруднен из-за наличия толстой защитной маски на нетравленных участках. Требуется применение травителей со скоростью травления, заданной не хуже, чем 5-10% Точное задание скорости травления требует дополнительных усилий по поддержанию температуры в процессе травления, состава травителя и не всегда возможно вследствие неконтролируемых вариаций структурного совершенства образцов, состава твердого раствора AlGaAs.

Недостатком фотоприемного элемента является то, что при его изготовлении из-за сложности контроля процесса травления возможно как недотравливание, так и перетравливание, что приводит к разбросу величин фоточувствительности, а это уменьшает выход годных элементов.

Целью изобретения является увеличение точности и прецизионности травления при изготовлении фотоприемных элементов, увеличение выхода годных изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления фотоприемных элементов на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs, заключающемся в нанесении на подложку из полуизолирующего арсенида галлия последовательности слоев проводящего n⁺GaAs слоя, многослойной периодической структуры GaAs/AlGaAs и второго проводящего n⁺GaAs слоя с последующим травлением верхнего проводящего n⁺GaAs слоя и многослойной гетероструктуры в водном растворе перекиси водорода, между ближайшим к подложке проводящим n⁺GaAs слоем и многослойной периодической структурой наносят туннельно-тонкий стоп-слой AlAs толщиной 2-5 нм, а травление ведут при температуре 20-22^oС в растворе, дополнительно содержащем органическую кислоту.

Травление структуры ведут в растворе травителя, содержащем в качестве органической кислоты винную кислоту при следующих соотношениях компонентов (вес.):
Винная кислота 35-45
Перекись водорода 5-10
Вода Остальное
Травление структуры ведут в растворе травителя, содержащем в качестве органической кислоты молочную кислоту при следующих соотношениях компонентов (вес.):
Молочная кислота 25-35
Перекись водорода 5-10
Вода Остальное
На фиг. 1 представлен фотоприемный элемент на основе гетероструктуры GaAs/Al_xGa_1-xAs, где 1 подложка GaAs (полуизолирующий), 2 слой n⁺GaAs, 3 слой AlAs, 4 электрод GeAu, 5 периодическая структура GaAs/Al_xGa_1-xAs.

На фиг.2 представлена зависимость глубины травления структуры от времени, где а пример 1, б пример 2, х травитель с винной кислотой, Δ - травитель с молочной кислотой.

Сущность изобретения заключается в том, что в многослойной структуре, являющейся основой фотоприемного элемента, формируется еще один слой, состоящий из AlAs, толщиной 2-5 нм. Этот слой не влияет на электрофизические характеристики всей структуры в целом, так как толщина AlAs выбрана такой, чтобы сопротивление фоточувствительного слоя было в 10⁴ раз и более выше, чем сопротивление слоя AlAs.

Для создания мезаструктуры выбраны травители на основе перекиси водорода и органических кислот винной или молочной в таких соотношениях, при которых GaAs и AlGaAs травятся со скоростью меньше 1 мкм/мин, а AlAs практически не травится, так что процесс травления останавливается при достижении AlAs, являющегося стоп-слоем.

Выбор параметров обусловлен следующим.

При толщине < 2 нм слой может быть неоднородным и дефектным, что приводит к подтравливанию лежащего под ним n⁺GaAs слоя, и тогда AlAs перестает работать как стоп-слой в процессе травления.

При толщине слоя > 5 нм AlAs хорошо выдерживает процесс травления, но изменяются фотоэлектрические характеристики всей структуры в целом.

Выбор состава травителя обусловлен следующим.

При содержании винной кислоты более 45 вес. или молочной кислоты более 35 вес. и перекиси водорода менее 5 вес. скорость растворения гетероструктуры становится очень маленькой и требуется большое время травления для изготовления мезаструктуры.

При содержании винной кислоты менее 35 вес. или молочной кислоты менее 25 вес. и перекиси водорода более 10 вес. скорость травления возрастает, процесс становится слабо контролируемым, так как время травления при толщине структуры 2-5 мкм становится малым. К тому же при малом содержании органической кислоты возможно образование пленок на поверхности структуры из-за плохой растворимости продуктов травления. Органические кислоты образуют комплексные соединения с продуктами реакции, которые хорошо растворимы в водных растворах.

Примеры конкретного выполнения способа.

На фиг.1 представлен фотоприемный элемент на основе гетероструктуры GaAs/Al_xGa_1-xAs со слоем AlAs, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии, где 1 подложка GaAs (полуизолирующий), 2 - n⁺GaAS, 3 AlAs, 4 электрод GeAu, 5 периодическая структура GaAs и Al_xGa_1-xAs.

Методом фотолитографии создавался топологический рисунок фотоприемников. Раствор для травления готовили из 30 вес. перекиси водорода и винной или молочной кислоты при различных соотношениях компонентов. Травление проводили в кварцевом стакане без перемешивания при 20-22^oС. После травления образец промывали деионизованной водой ≈18 Мом. Глубину травления измеряли с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4.

Пример 1. На подложке из полуизолирующего GaAs выращивали слои: n⁺GaAs-Si (2•10¹⁸ см^-3) 0,5 мкм, AlAs 2 нм, периодическую структуру 50 слоев GaAs по 4,8 нм и 50 слоев Al_0,22Ga_0,78As по 50 нм и слой n⁺GaAs-Si (1-5•10¹⁸ см ^-3) 1,5 мкм. Структуру травили в травителе состава (вес.): винная кислота 35, перекись водорода 10, вода 55. Время травления 12 мин, скорость травления 0,7 мкм/мин.

Пример 1а. Эту же структуру травили в травителе состава (вес.): молочная кислота 25, перекись водорода 10, вода 65. Время травления 12 мин, скорость травления 0,7-0,75 мкм/мин.

Пример 2. На подложке из полуизолирующего GaAs выращивали слои: n⁺GaAs-Si (2•10¹⁸ см^-3) толщиной 0,5 мкм, AlAs 4 нм, n⁺GaAs-Si (2•10¹⁸ см^-3) 0,1 мкм, периодическую структуру 20 слоев GaAs по 5,3 нм и 20 слоев Al_0,29Ga_0,71As по 40 нм и n⁺GaAs-Si (1-5•10¹⁸ см^-3) 0,3 мкм. Структуру травили в травителе состава (вес.): винная кислота 37,5; перекись водорода 7,5; вода 55. Время травления 8 мин, скорость травления 0,6 мкм/мин.

Пример 2а. Эту же структуру травили в травителе состава (вес.): молочная кислота 30; перекись водорода 7,5; вода 62,5. Время травления 8 мин, скорость травления 0,6-0,65 мкм/мин.

Пример 3. На подложке из полуизолирующего GaAs выращивали слои: n⁺GaAs-Si (2•10¹⁸ см^-3) толщиной 0,8 мкм, AlAs 5 нм, периодическую структуру 50 слоев GaAs по 5,1 нм, 50 слоев Al_0,3Ga_0,7As по 50 нм и n⁺GaAs-Si (1•¹⁸ см^-3)
0,5 мкм. Структуру травили в травителе состава (вес.): винная кислота 45, перекись водорода 5, вода 50. Время травления 16 мин, скорость травления 0,4 мкм/мин.

Пример 3а. Эту же структуру травили в травителе состава (вес.): молочная кислота 35, перекись водорода 5, вода 60. Время травления 16 мин, скорость травления 0,4 мкм/мин.

На фиг. 2 приведена зависимость глубины травления структуры от времени, где а пример 1, б пример 2, х травитель с винной кислотой, D - травитель с молочной кислотой.

Вначале глубина травления изменяется линейно со временем, а затем остается постоянной. Эта величина соответствует глубине залегания стоп-слоя, то есть слой AlAs действительно останавливает процесс травления, причем во всех приводимых примерах время травления в 2-4 раза превышало время травления структуры до стоп-слоя.

Фотоприемное устройство работает следующим образом.

Инфракрасное излучение с поляризацией, перпендикулярной слоям гетероструктуры, вызывает переходы электронов с основного заполненного уровня в квантовых ямах в первое возбужденное состояние вблизи края зоны проводимости твердого раствора Al_xGa_1-xAs. В возбужденном состоянии электроны слабо связаны потенциалом квантовой ямы GaAs и поэтому переносятся во внешнем электрическом поле в направлении слоя n⁺GaAs с положительной полярностью. Достаточно толстые барьеры из Al_xGa_1-xAs (толщина > 400 ) препятствуют поперечному движению невозбужденных электронов на основном уровне в направлении внешнего поля. При этом толщина тонкого стоп-слоя AlAs (2-5 нм) выбирается такой, чтобы туннельная проводимость его была в 10²-10³ раз больше, чем проводимость фоточувствительной части структуры, чтобы не изменять спектральную и амплитудную характеристики фототока.

Предлагаемый способ изготовления фотоприемных элементов по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: увеличивается выход годных структур, так как при наличии стоп-слоя исключается возможность перетравливания структуры, достигается более равномерное травление по всей площади структуры, что устраняет вариации фоточувствительности, появляется возможность уменьшения толщины нижнего проводящего n⁺GaAs слоя, что уменьшает расход основных компонентов, удешевляет процесс и соответственно стоимость фотоприемного элемента.

Использование: в полупроводниковой технике и при изготовлении одиночных и многоэлементных фотоприемных устройств. Сущность изобретения: способ заключается в нанесении на подложку из полуизолирующего арсенида галлия последовательности слоев. Между ближайшим к подложке проводящим n⁺GaAs слоем и многослойной периодической структурой наносят туннельно-тонкий стоп-слой AlAs толщиной 2-5 нм. Травление ведут при температуре 20-22 град.С в растворе, дополнительно содержащем органическую кислоту. В качестве органической кислоты используют винную кислоту при следующих соотношениях компонентов (вес. проц. ): винная кислота 35-45, перекись водорода 5-10, вода остальное, или молочную кислоту при следующих соотношениях компонентов (вес.проц.): молочная кислота 25-35, перекись водорода 5-10, вода остальное. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления фотоприемных элементов на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs, заключающийся в нанесении на подложку из полуизолирующего GaAs последовательности слоев: проводящего n⁺-GaAs-слоя, многослойной периодической структуры GaAs/AlGaAS и второго проводящего n⁺-GaAs-слоя, с последующим травлением верхнего проводящего n⁺-GaAs-слоя и многослойной гетероструктуры в водном растворе перекиси водорода, отличающийся тем, что между ближайшим к подложке проводящим n⁺-GaAs-слоем и многослойной периодической структурой наносят тонкий стоп-слой из AlAs толщиной 2 5 нм, а травление ведут при 20 22°С в растворе, дополнительно содержащем органическую кислоту. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что раствор травителя в качестве органической кислоты содержит винную кислоту при следующих соотношениях компонентов мас.

Винная кислота 35 45
Перекись водорода 5 10
Вода Остальное
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что раствор травителя в качестве органической кислоты содержит молочную кислоту при следующих соотношениях компонентов, мас.

Молочная кислота 25 35
Перекись водорода 5 10
Вода Остальное