МАТЕРИАЛ ДЛЯ ФОТОПРОВОДЯЩИХ АНТЕНН Российский патент 2017 года по МПК H01L31/304 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к полупроводниковым материалам группы А³В⁵ со свойством фотопроводимости и со сверхмалым временем жизни фотовозбужденных носителей заряда (менее 0,5 пс). Такие материалы могут быть использованы при изготовлении передающих и приемных антенн для терагерцевого диапазона частот (от 300 ГГц до 4 ТГц).

Уровень техники

Фотопроводящие антенны - генераторы и детекторы электромагнитного излучения терагерцевого диапазона - функционируют следующим образом. В них под действием приложенного электрического поля носители заряда, возбужденные фемтосекундным оптическим лазерным импульсом, создают ток, быстро затухающий и вследствие этого возбуждающий электромагнитные колебания терагерцевой частоты. Для создания фотопроводящих антенн требуются материалы, обладающие следующими свойствами: 1) сверхмалым временем жизни фотовозбужденных носителей заряда (менее 0,5 пс) для быстрого изменения тока; 2) достаточно высокой подвижностью носителей заряда (от 500 до 2000 см²/(В⋅с)) для обеспечения большой амплитуды тока; 3) большим темновым удельным сопротивлением (от 10⁵ до 10⁷ Ом⋅см) для достижения большого напряжения пробоя и для уменьшения темновых токов и шумов; 4) хорошим структурным и оптическим совершенством, чтобы избегать эффекта рассеяния света при создании интегрированных оптических устройств.

Одним из таких материалов является GaAs, подвергнутый имплантации ионов мышьяка [Hark Ное Tan, Chennupati Jagadish, Krzysztof Piotr Korona, Jacek Jasinski, Maria Kaminska, Rimas Viselga, Saulius Marcinkevicius, Arunas Krotkus. Ion-implanted GaAs for subpicosecond optoelectronic applications // Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 1996. - V. 2. - No. 3. - P. 636-642]. Его недостаток заключается в том, что при ионной имплантации образуется большое количество дефектов, уменьшающих темновое удельное сопротивление материала и подвижность носителей заряда.

Другим подходящим материалом является пленка GaAs, эпитаксиально выращенная при пониженной температуре 200-300°С (low-temperature GaAs, LT-GaAs) на подложке GaAs, в то время как стандартная температура эпитаксиального роста GaAs составляет 500-600°С. Для выращивания используются подложки GaAs либо Si с кристаллографической ориентацией (100) [Patent US 7364993 В2. Method of enhancing the photoconductive properties of a semiconductor / Michael J. Evans, William R. Tribe; TeraVieW Limited, Cambridge. - Appl. No. 10/527313; filling date 11.09.2003; publication date 29.04.2008]. Его недостаток заключается в том, что не обеспечивается сверхмалое время жизни фотовозбужденных носителей заряда.

Главной особенностью перечисленных материалов является наличие избыточных атомов мышьяка в кристаллической структуре, которые могут достигать до 2 ат. %. В случае ионной имплантации избыточные атомы мышьяка внедряются при бомбардировке GaAs ионами мышьяка, а в случае эпитаксиального роста в низкотемпературном режиме избыточные атомы мышьяка захватываются растущим эпитаксиальным слоем GaAs вследствие низкой температуры роста. Для последующих практических применений такие материалы подвергаются послеростовой термообработке (отжигу). В результате отжига улучшается их кристаллическое совершенство, а часть избыточных атомов мышьяка образует преципитаты мышьяка размером от единиц до десятков нанометров.

Причина сверхмалого времени жизни (менее 0,5 пс) фотовозбужденных электронов в пленке LT-GaAs следующая. Избыток атомов мышьяка As в кристаллической структуре пленки LT-GaAs приводит к образованию следующих собственных дефектов: атом мышьяка в узле атома галлия (As_Ga), межузельный атом мышьяка (As_i), вакансия атома галлия (V_Ga), причем концентрация As_Ga гораздо больше (примерно в 1000 раз), чем концентрация V_Ga. Именно дефект As_Ga главным образом ответственен за захват фотовозбужденных электронов и уменьшение их времени жизни [A. Krotkus, К. Bertulis, L. Dapkus, U. Olin, S. Ultrafast carrier trapping in Be-doped low-temperature-grown GaAs // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V. 75. - P. 3336-3338]. Но для осуществления захвата электрона дефект As_Ga должен находиться в заряженном состоянии As_Ga⁺, то есть атом мышьяка должен отдать пятый внешний электрон.

Для того чтобы увеличить концентрацию заряженных дефектов As_Ga⁺, пленку LT-GaAs легируют бериллием. Атомы бериллия в пленке LT-GaAs являются акцепторами. Это значит, что они образуют незаполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны, на которые переходят электроны с дефектов As_Ga, из-за чего дефекты As_Ga, переходят в заряженное состояние As_Ga⁺ [Patent US 8835853. Photoconductive element / Toshihiko Ouchi, Kousuke Kajiki; Canon Kabushiki Kaisha, Tokyo. - Appl. No. 13/416447; filling date 09.03.2012; publication date 16.09.2014].

Однако использование в установке молекулярно-лучевой эпитаксии молекулярного источника бериллия требует соблюдения дополнительных мер безопасности, так как бериллий является веществом 1 класса опасности [Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны: гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03: утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 27.04.2003: введ. в действие 30.04.2003. - М., 2003]. Кроме того, наличие источника бериллия в установке молекулярно-лучевой эпитаксии приводит к повышению фоновой примеси p-типа во всех гетероструктурах, в дальнейшем выращиваемых в такой установке. Это обстоятельство вызывает затруднения при последующем выращивании гетероструктур с крайне низким содержанием ненамеренных примесей.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является материал, описанный в [A. Krotkus, К. Bertulis, L. Dapkus, U. Olin, . Ultrafast carrier trapping in Be-doped low-temperature-grown GaAs // Applied Physics Letters. - 1999. - V. 75. - P. 3336-3338]. В этой работе описывается пленка LT-GaAs толщиной от 1 до 2 мкм, выращенная методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре Τ=280°C и соотношении потоков мышьяка и галлия γ=10 на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (100). Пленка LT-GaAs была легирована атомами бериллия с концентрацией 3⋅10¹⁹ см^-3 и более. Время жизни фотовозбужденных носителей заряда составило около 0,07 пс. Недостатком этого материала является необходимость использования молекулярного источника бериллия в установке молекулярно-лучевой эпитаксии.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является получение материала для фотопроводящих антенн, который мог бы заменить материал с пленкой LT-GaAs, легированной атомами бериллия. Для этого предлагаемый материал должен обладать временем жизни фотовозбужденных носителей заряда и удельным темновым сопротивлением, сравнимыми с аналогичными параметрами материала с пленкой LT-GaAs, легированной атомами бериллия. Техническим результатом является упрощение технологического процесса эпитаксиального выращивания материала для фотопроводящих антенн. Упрощение заключается в отсутствии необходимости использования источника токсичного бериллия в установке молекулярно-лучевой эпитаксии.

Технический результат достигается за счет того, что для пленки LT-GaAs, эпитаксиально выращенной на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А и легированной атомами кремния, существует возможность, подобрав соотношение потоков мышьяка и галлия, добиться того, чтобы большая часть атомов кремния являлась акцепторами, а меньшая часть - донорами. Такое поведение атомов кремния, осаждаемых на поверхность GaAs с ориентацией (111)А, связано с сильным проявлением свойства амфотерности атомов кремния: они могут занимать как узлы галлия, так и узлы мышьяка в кристаллической решетке GaAs. Степень занятия атомами кремния одних и других узлов кристаллической решетки GaAs определяется соотношением потоков мышьяка и галлия в процессе эпитаксиального роста. В результате свободные электроны с точечных дефектов As_Ga перейдут на акцепторные уровни атомов кремния, точечные дефекты As_Ga окажутся ионизированными (As_Ga⁺) и будут функционировать как ловушки фотовозбужденных электронов. Это приведет к тому, что время жизни фотовозбужденных носителей заряда и темновое удельное сопротивление пленки LT-GaAs окажутся сравнимыми с аналогичными параметрами пленки LT-GaAs, эпитаксиально выращенной на подложке GaAs (100) и легированной атомами бериллия. Таким образом, легирование пленки LT-GaAs бериллием заменяется легированием кремнием при использовании подложек GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А и при выборе оптимального соотношения потоков мышьяка и галлия.

Путем изменения концентрации атомов кремния можно регулировать концентрацию ионизированных дефектов As_Ga⁺ и тем самым регулировать время жизни фотовозбужденных носителей заряда.

Осуществление изобретения

Изобретение заключается в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии выращивается пленка LT-GaAs толщиной от 1 до 2 мкм при температуре роста от 200 до 300°C. При этом:

1) пленка LT-GaAs выращивается на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А;

2) пленка LT-GaAs легируется атомами кремния с концентрацией от 10¹⁷ см^-3;

3) выбирается соотношение потоков мышьяка и галлия такое, чтобы выращенная пленка LT-GaAs имела дырочный тип проводимости.

Пленка LT-GaAs может быть выращена методами молекулярно-лучевой эпитаксии либо газовой эпитаксии из металлоорганических соединений.

Изобретение может быть использовано для создания активного слоя в фотопроводящих антеннах-детекторах и генераторах электромагнитного излучения терагерцевого диапазона. Материал для фотопроводящих антенн согласно изобретению представляет собой пленку GaAs, эпитаксиально выращенную на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А при пониженной температуре роста, легированную атомами кремния, причем соотношение потоков мышьяка и галлия при эпитаксиальном росте выбрано таким, чтобы большая часть атомов кремния являлась акцепторной примесью. Изобретение обеспечивает предложенный полупроводниковый фотопроводящий материал, имеющий сверхмалое время жизни фотовозбужденных носителей заряда, может быть получен упрощенным технологическим способом эпитаксиального выращивания.

Материал для фотопроводящих антенн, содержащий пленку LT-GaAs со сверхмалым временем жизни фотовозбужденных носителей заряда (менее 0,5 пс), эпитаксиально выращенную при пониженной температуре на подложке GaAs, отличающийся тем, что используется подложка GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А; пленка LT-GaAs легируется кремнием; выбирается соотношение потоков мышьяка и галлия такое, чтобы выращенная пленка LT-GaAs имела дырочный тип проводимости.