СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ДЛЯ ПОЛУПРОЗРАЧНОГО ФОТОКАТОДА Российский патент 2015 года по МПК H01L31/18 

Область техники

Изобретение относится к области технологии изготовления полупроводниковых материалов и приборов методом газофазной эпитаксии с использованием металлорганических соединений, в частности к изготовлению фоточувствительного элемента оптоэлектронных устройств, а именно к технологии выращивания гетероструктуры для полупроводникового полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия, фоточувствительного в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.

Предшествующий уровень техники

Известен способ изготовления гетероструктуры полупроводникового полупрозрачного фотокатода из арсенида галлия методом жидкофазной эпитаксии [И.В. Пинчук, Разработка полупроводниковых материалов для приборов ночного наблюдения и промышленной технологии их производства, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2001 г.]. Недостатком этого способа является малая производительность и высокая плотность кристаллических дефектов гетероструктуры.

Известен способ изготовления гетероструктуры полупроводникового полупрозрачного фотокатода из арсенида галлия методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Недостатком этого способа является малая производительность [И. Сахно, А.В. Долгих, В.Г. Чубарев, И.И. Мараховка, Ю.Г. Галицын, В.Г. Мансуров, А.С. Суранов, Письма в ЖТФ, 1996, том 22, выпуск 23].

Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности существующих признаков является способ изготовления гетероструктуры полупроводникового полупрозрачного фотокатода из арсенида галлия методом МОС-гидридной эпитаксии [патент US 6597112 B1, 22.07.2003, H01J 40/06]. Недостатком этого способа является то, что активный слой фотокатодной гетероструктуры, представляющий собой легированный цинком арсенид галлия с концентрацией атомов акцепторной примеси не менее 5·10¹⁸ см^-3, выращивается при температурах более 650°C. Для таких температур характерна сильная десорбция атомов цинка с поверхности растущего эпитаксиального слоя, что вызывает ухудшение кристаллического совершенства материала активного слоя с сопутствующим ухудшением диффузионной длины и скорости рекомбинации неосновных носителей заряда. Это приводит к ухудшению квантовой эффективности и интегральной чувствительности фотокатода, изготавливаемого из гетероструктуры, полученной таким способом.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является повышение интегральной чувствительности и квантовой эффективности полупроводникового полупрозрачного фотокатода, работающего в режиме «на просвет», на основе гетероструктуры с активным слоем из арсенида галлия, полученной предлагаемым способом, за счет уменьшения вероятности образования дислокаций несоответствия в переходном и буферном слоях гетероструктуры, устранения потенциального барьера для неосновных носителей заряда на границе активного и переходного слоев и, следовательно, снижения скорости рекомбинации неосновных носителей заряда на границе между активным и буферным слоями.

В соответствии с изобретением технический результат достигается тем, что предложен способ получения гетероструктуры для полупрозрачного фотокатода методом МОС-гидридной эпитаксии, включающий выбор подложки арсенида галлия, ее нагрев в потоке водорода от комнатной температуры до температуры 600°C-640°C, выращивание при той же температуре подложки стопорного слоя p-Al_xGa_1-xAs с концентрацией примеси цинка и на нем выращивание активного слоя p-GaAs с концентрацией Р₂ примеси цинка. Далее при повышении температуры подложки от 600°C-640°C до 700°C-760°C выращивают на активном слое переходной слой переменного состава от p-GaAs до p-Al_yGa_1-yAs. Во время выращивания переходного слоя, начиная от поверхности, граничащей с активным слоем, постепенно увеличивают поток подачи металлорганического соединения алюминия, обеспечивающего возрастание содержания алюминия в переходном слое до величины «y» на его следующей поверхности. Также, начиная от поверхности, граничащей с активным слоем, постепенного уменьшают поток подачи металлорганического соединения цинка во время выращивания переходного слоя для обеспечения в нем уменьшения концентрации примеси цинка от величины Р₂ на поверхности, граничащей с активным слоем, до величины Р₃ на его следующей поверхности. На ней далее при температуре подложки 700°C-760°C выращивают буферный слой p-Al_yGa_1-yAs с концентрацией Р₃ примеси цинка. Все слои гетероструктуры выращивают со скоростью роста от 0,1 до 3,0 мкм/час.

Предложена новая и неочевидная совокупность признаков способа получения гетероструктуры с активным слоем из арсенида галлия, позволившая значительно повысить интегральную чувствительность и квантовую эффективность полупроводникового полупрозрачного фотокатода, работающего в режиме «на просвет», изготовленного из гетероструктуры, полученной предложенным способом. При этом выращивают стопорный слой p-Al_xGa_1-xAs из соединений, содержащих мышьяк, и металлорганических соединений галлия, алюминия и цинка с потоками, обеспечивающими содержание алюминия «x» и концентрацию P₁ примеси цинка в стопорном слое, активный слой p-GaAs из соединений, содержащих мышьяк, и металлорганических соединений галлия и цинка с потоком, обеспечивающим концентрацию Р₂ примеси цинка в активном слое, переходной слой из соединений, содержащих мышьяк, и металлорганических соединений галлия, алюминия и цинка, а также буферный слой p-Al_yGa_y-1As из соединений, содержащих мышьяк, и металлорганических соединений галлия, алюминия и цинка с потоками, обеспечивающими содержание алюминия «y» и концентрацию Р₃ примеси цинка в буферном слое.

Понижение температуры подложки при выращивании активного слоя ниже 600°C приводит к тому, что атомы элементов, попадающие из газовой фазы на поверхность растущего эпитаксиального слоя, не успевают встраиваться в энергетически выгодные положения, соответствующие узлам кристаллической решетки. Это ухудшает кристаллическое совершенство материала активного слоя и вызывает уменьшение диффузионной длины, увеличение скорости рекомбинации неосновных носителей заряда и ухудшение характеристик фотокатода. Усиление десорбции атомов цинка с поверхности растущего эпитаксиального слоя при температурах подложки выше 640°C также вызывает ухудшение кристаллического совершенства материала активного слоя с аналогичными последствиями. Необходимость роста буферного слоя при температуре подложки 700-760°C объясняется значительным содержанием в нем алюминия. Высокое сродство атомов алюминия к кислороду приводит к образованию комплексов, которые образуют глубокие уровни и выступают в качестве центров рассеяния, снижая диффузионную длину и повышая скорость рекомбинации неосновных носителей заряда, генерируемых в буферном слое при облучении светом, и, таким образом, уменьшая вероятность диффузии этих носителей к эмитирующей поверхности фотокатода. Повышение температуры выращивания слоя с высоким содержанием алюминия подавляет внедрение атомов кислорода и снижает концентрацию упомянутых комплексов, что приводит в соответствии с вышеописанным механизмом к увеличению квантового выхода и интегральной чувствительности фотокатода. Стопорный слой, несмотря на еще более высокое содержание алюминия, выращивается при температуре подложки 600-640°C, поскольку в дальнейшем он удаляется и не оказывает влияния на работу фотокатода.

Технический результат достигается также тем, что при выращивании переходного слоя обеспечивают в нем монотонно возрастающее и непрерывное содержание «y» алюминия и монотонно убывающее и непрерывное содержание цинка, что приводит к дальнейшему уменьшению вероятности образования дислокаций несоответствия в переходном и буферном слоях, устранению потенциального барьера для неосновных носителей заряда на границе активного и переходного слоев, снижению скорости рекомбинации неосновных носителей заряда на границе между активным и переходного слоями и, следовательно, улучшению характеристик фотокатодов.

Технический результат достигается тем, что между подложкой и стопорным слоем выращивают промежуточный слой GaAs толщиной от 0,05 мкм до 0,2 мкм при температуре подложки 600-640°C, что приводит к уменьшению вероятности образования дислокаций несоответствия в стопорном и активном слоях во время их роста и возрастанию чувствительности и квантовой эффективности фотокатода.

Кроме того, технический результат достигается тем, что:

- подложку выбирают n-типа проводимости;

- подложку выбирают p-типа проводимости;

- подложку выбирают i-типа проводимости;

- в буферном слое p-Al_yGa_1-yAs содержание «y» алюминия выбирают от 0,4 до 0,7;

- переходной слой выбирают толщиной от 0,10 мкм до 1,0 мкм;

- концентрацию Р₂ примеси цинка в активном слое выбирают от 5·10¹⁸ см^-3 до 1,5·10¹⁹ см^-3;

- концентрацию Р₃ примеси цинка в буферном слое выбирают от 1·10¹⁸ см^-3 до 3·10¹⁸ см^-3.

Нами не найдена предложенная совокупность признаков изобретения, что подтверждает наличие его новизны. Кроме того, предложенный способ получения гетероструктуры полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия содержит неочевидную совокупность последовательности слоев, температур их выращивания, состава подаваемых реагентов, что позволяет сделать вывод соответствия предложения критерию «изобретательский уровень».

Технологическая реализация предложенной в настоящем изобретении гетероструктуры полупрозрачного фотокатода основана на известных базовых методах изготовления полупроводниковых фотокатодов, в том числе полупрозрачных, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «промышленная применимость».

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется чертежом на Фиг. 1, на котором схематично изображена конструкция гетероструктуры для полупроводникового полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия.

Варианты осуществления изобретения

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами осуществления предложенного способа получения гетероструктуры для полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия (далее «Гетероструктура»). Нами далее приводится часть вариантов способа получения Гетероструктуры из совокупности возможных.

Пример 1. Заявляемый способ изготовления Гетероструктуры, схематично изображенной на Фиг. 1, осуществляют методом МОС-гидридной эпитаксии в несколько стадий. Подложку 1 GaAs выбирают толщиной 500 мкм n-типа проводимости, нагревают ее в протоке высокочистого водорода при температуре 620°C, затем на нее последовательно осаждают слои гетероструктуры с помощью подачи в проток водорода паров триметилалюминия и триметилгаллия в качестве источников алюминия, галлия, гидрида мышьяка в качестве источника мышьяка, паров диэтилцинка в качестве источника акцепторной примеси. Все слои гетероструктуры выращивают со скоростью роста, равной 1,55 мкм/час.

На подложке 1 при ее температуре 620°C выращивают:

- стопорный слой 2 p-Al_xGa_1-xAs, где значение «x» равно 0,7 с концентрацией Р₁ акцепторной примеси, равной 2·10¹⁸ см^-3, и толщиной, равной 0,9 мкм;

- активный слой 3 p-GaAs с концентрацией Р₂ акцепторной примеси, равной 1·10¹⁹ см^-3, и толщиной, равной 2,0 мкм.

Затем производят постепенный подъем температуры подложки 1 до 730°C с одновременным осаждением переходного слоя 4, толщиной, равной 0,55 мкм. Переходной слой 4 выращивают переменного состава от p-GaAs (вблизи границы с активным слоем 3) до p-Al_yGa_1-yAs, где значение «у» равно 0,55 (вблизи границы со следующим за ним, буферным слоем 5) с линейным изменением величины алюминия по толщине слоя, постепенно увеличивая во время его роста поток подачи металлорганического соединения алюминия. Кроме того, переходной слой 4 выращивают при постепенном уменьшении потока подачи металлорганического соединения цинка во время его роста для обеспечения линейного уменьшения концентрации цинка от Р₂, равной 1·10¹⁹ см^-3 на границе с активным слоем 3, до Р₃, равной 2·10¹⁸ см^-3 на границе с буферным слоем 5.

Далее при той же температуре 730°C выращивают буферный слой 5 p-Al_yGa_1-yAs при «y», равном 0,55, с концентрацией Р₃ акцепторной примеси, равной 2·10¹⁸ см^-3, и толщиной, равной 0,55 мкм.

Технологические закономерности роста переходного слоя зависят от вида металлорганических соединений алюминия, галлия и цинка, устройства роста и т.д., и известным путем рассчитываются режимы, обеспечивающие в переходном слое 4 линейное возрастание содержания алюминия от чистого арсенида галлия (у границы с активным слоем 3) до значения «y» (у границы с буферным слоем 5) и линейное уменьшение концентрации цинка от Р₂ на границе с активным слоем 3 до Р₃ на границе с буферным слоем 5. Для расчета расходов металлорганических соединений, необходимых для получения слоев требуемого состава и легирования, используются известные таблицы соответствия концентраций потоков и параметров гетероструктур.

После завершения роста Гетероструктуры выращенные пластины передавали на последующий технологический цикл создания элемента фотокатода и его сборку. На изготовленных полупрозрачных фотокатодах были получены следующие выходные параметры:

- интегральная чувствительность, равная 3190 мкА/Лм и

- квантовая эффективность на длине волны 700 нм, равная 53%, что превышает известные значения в 1,2 раза.

Пример 2. В этом случае способ изготовления Гетероструктуры отличался от примера 1 следующим (см. Фиг.1). Выбирают подложку 1 GaAs толщиной 300 мкм n-типа проводимости, нагревают ее в протоке высокочистого водорода при температуре 600°C, затем при этой же температуре на ней выращивают стопорный слой 2 р-Al_xGa_1-xAs, где значение «x» равно 0,5 с концентрацией акцепторной примеси, равной 1·10¹⁸ см^-3, и толщиной, равной 0,1 мкм, и активный слой 3 p-GaAs с концентрацией Р₂ акцепторной примеси, равной 5·10¹⁸ см^-3, и толщиной, равной 1,0 мкм.

Постепенный подъем температуры подложки 1 до 700°C производят одновременно с осаждением переходного слоя 4 p-типа переменного состава от p-GaAs (вблизи границы с активным слоем 3) до p-Al_yGa_1-yAs, где значение «y» равно 0,4 (вблизи границы со следующим буферным слоем 5), а также с линейным уменьшением концентрации цинка от Р₂, равной 5·10¹⁸ см^-3 на границе с активным слоем 3, до Р₃, равной 1·10¹⁸ см^-3 на границе с буферным слоем 5. Толщина слоя равна 0,1 мкм.

На переходном слое 4 далее при той же температуре 700°C выращивают буферный слой 5 p-Al_yGa_1-yAs, при значении «y», равном 0,4, с концентрацией Р₃ акцепторной примеси, равной 1·10¹⁸ см^-3, и толщиной, равной 0,1 мкм. Все слои гетероструктуры выращивают со скоростью роста, равной 0,1 мкм/час.

После завершения роста Гетероструктуры выращенные пластины передавали на последующий технологический цикл создания элемента фотокатода и его сборку. На изготовленных полупрозрачных фотокатодах были получены следующие выходные параметры:

- интегральная чувствительность, равная 2860 мкА/Лм, и

- квантовая эффективность на длине волны 700 нм, равная 47%.

Пример 3. В этом случае способ изготовления Гетероструктуры отличался от примера 1 следующим (см. Фиг. 1). Выбирают подложку 1 GaAs толщиной 700 мкм n-типа проводимости, нагревают ее в протоке высокочистого водорода при температуре 640°C, затем при этой же температуре на ней выращивают стопорный слой 2 p-Al_xGa_1-xAs, где значение «x» равно 0,9 с концентрацией Р₁ акцепторной примеси, равной 3·10¹⁸ см^-3 и толщиной, равной 1,5 мкм; и активный слой 3 p-GaAs с концентрацией Р₂ акцепторной примеси, равной 1,5·10¹⁹ см^-3, и толщиной, равной 3,0 мкм.

Постепенный подъем температуры подложки 1 до 760°C производят одновременно с осаждением переходного слоя 4 p-типа переменного состава от р-GaAs (вблизи границы с активным слоем 3) до p-Al_yGa_1-yAs, где значение «y» равно 0,7 (вблизи границы со следующим буферным слоем 5), а также с линейным уменьшением концентрации цинка от Р2, равной 1,5·10¹⁹ см^-3 на границе с активным слоем 3, до Р₃, равной 3·10¹⁸ см^-3 на границе с буферным слоем 5. Толщина слоя равна 1,0 мкм.

На переходном слое 4 далее при той же температуре 760°C выращивают буферный слой 5 p-Al_yGa_1-yAs, при значении «у», равном 0,7, с концентрацией Р₃ акцепторной примеси, равной 3·10¹⁸ см^-3, и толщиной, равной 1,0 мкм. Все слои гетероструктуры выращивают со скоростью роста, равной 3,0 мкм/час.

После завершения роста Гетероструктуры выращенные пластины передавали на последующий технологический цикл создания элемента фотокатода и его сборку. На изготовленных полупрозрачных фотокатодах были получены следующие выходные параметры:

- интегральная чувствительность, равная 3100 мкА/Лм, и

- квантовая эффективность на длине волны 700 нм, равная 51%.

Следующий вариант предложенного способа отличается от первого тем, что использована подложка арсенида галлия i-типа проводимости.

Следующий вариант предложенного способа отличается от первого тем, что использована подложка арсенида галлия p-типа проводимости.

Следующий вариант предложенного способа отличается от первого варианта тем, что перед осаждением стопорного слоя на подложку арсенида галлия после ее нагрева до температуры 620°C предварительно осаждают слой нелегированного арсенида галлия, названный промежуточным слоем, толщиной 0,125±0,025 мкм, с помощью подачи в проток водорода паров триметилгаллия в качестве источника галлия, гидрида мышьяка в качестве источника мышьяка.

Для рассмотренных трех последних вариантов способа изготовления гетероструктуры для полупрозрачного фотокатода изменения в выходных параметрах отмечены на уровне погрешности измерений.

С использованием предложенного способа изготовления фотоэмиссионной структуры для полупроводникового полупрозрачного фотокатода из арсенида галлия получены фотокатоды с повышенной минимум на 10% квантовой эффективностью. Полученные значения интегральной чувствительности превышают 2500 мкА/Лм, повышена интегральная чувствительность выше 2500 мкА/Лм

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано при изготовлении фоточувствительного элемента оптоэлектронных устройств: электронно-оптических преобразователей и фотоумножителей, используемых в детекторах излучений.

Изобретение относится к области технологии изготовления полупроводниковых приборов методом газофазной эпитаксии с использованием металлорганических соединений, в частности к технологии выращивания гетероструктуры для полупроводникового полупрозрачного фотокатода с активным слоем из арсенида галлия, фоточувствительного в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. В способе изготовления гетероструктуры для полупроводникового полупрозрачного фотокатода из арсенида галлия методом МОС-гидридной эпитаксии, при котором стопорный слой и активная область выращиваются при температурах 600-640°C, в структуру введен переходной слой переменного состава от p-GaAs до p-Al_yGa_1-yAs. При его выращивании повышают температуру до 700-760°С. На нем выращивают буферный слой при температурах 700-760°C. Скорость выращивания слоев выбрана в диапазоне от 0,1 до 3 мкм/час. Поток металлорганического соединения цинка выбирают так, чтобы обеспечить требуемую концентрацию акцепторной примеси в выращиваемых слоях. С использованием данного способа получены фотокатоды с повышенной минимум на 10% квантовой эффективностью. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления гетероструктуры для полупрозрачного фотокатода методом МОС-гидридной эпитаксии, включающий выбор подложки арсенида галлия, ее нагрев в потоке водорода от комнатной температуры до температуры 600°C-640°C, выращивание при той же температуре подложки стопорного слоя p-Al_xGa_1-xAs с концентрацией P₁ примеси цинка, на нем выращивание активного слоя p-GaAs с концентрацией Р₂ примеси цинка, далее при повышении температуры подложки от 600°C-640°C до 700°C-760°C выращивание на активном слое переходного слоя, переменного состава от p-GaAs до p-Al_yGa_1-yAs, начиная от поверхности, граничащей с активным слоем, путем постепенного увеличения потока подачи металлорганического соединения алюминия во время выращивания переходного слоя, обеспечивающего возрастание содержания алюминия в переходном слое до величины «y» на его следующей поверхности, и постепенного уменьшения потока подачи металлорганического соединения цинка во время выращивания переходного слоя для обеспечения в нем уменьшения концентрации примеси цинка от величины Р₂ на поверхности, граничащей с активным слоем до величины Р₃ на его следующей поверхности, на которой далее при температуре подложки 700°C-760°C выращивают буферный слой p-Al_yGa_1-yAs с концентрацией Р₃ примеси цинка, причем все слои выращивают со скоростью роста от 0,1 до 3,0 мкм/час.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при выращивании переходного слоя обеспечивают в нем монотонно возрастающее и непрерывное содержание алюминия и монотонно убывающее и непрерывное содержание цинка.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что между подложкой и стопорным слоем выращивают промежуточный слой GaAs толщиной от 0,05 мкм до 0,2 мкм при температуре подложки 600-640°C.