Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн Российский патент 2017 года по МПК H01L31/304 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

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

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Фотопроводящие антенны - генераторы электромагнитного излучения терагерцевого диапазона - функционируют следующим образом: под действием приложенного электрического поля короткоживущие носители заряда, возбуждаемые фемтосекундными оптическими лазерными импульсами и быстро захватывающиеся ловушками, создают импульсы тока, генерирующие электромагнитные колебания терагерцевой частоты. Фотопроводящие антенны - детекторы электромагнитного излучения терагерцевого диапазона - функционируют похожим образом: короткоживущие носители заряда, возбуждаемые фемтосекундными оптическими лазерными импульсами и быстро захватывающиеся ловушками, под действием электрического поля детектируемого терагерцевого излучения создают импульсы тока, которые затем регистрируются.

Структуры для фотопроводящих антенн могут быть следующими.

1. Эпитаксиальная пленка GaAs, подвергнутая 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]. Недостатками указанной структуры является то, что при ионной имплантации образуется большое количество дефектов, уменьшающих темновое удельное сопротивление структуры и подвижность носителей заряда.

2. Наиболее распространенной структурой является пленка GaAs, эпитаксиально выращенная при пониженной температуре 180-300°С (low-temperature GaAs, LT-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) [US 7364993 В2; H01L 21/265].

Главной особенностью перечисленных структур является наличие в кристаллической структуре избыточных атомов мышьяка, которые могут достигать до 2 атомных %. 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 LT-GaAs следующая. Избыток атомов мышьяка As в кристаллической структуре 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, K. 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. Недостатком здесь является то, что не всегда обеспечивается сверхмалое время жизни фотовозбужденных носителей заряда.

Для того чтобы увеличить концентрацию заряженных дефектов As_Ga⁺, структуру на основе LT-GaAs легируют бериллием. Атомы бериллия в 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⁺ [US 8835853 В2; G01N 21/35, H01L 31/09, G01J 3/42].

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 близкой по технической сущности и принятой за прототип является структура, описанная в [С. Kadow, S.B. Fleischer, J.P. Ibbetson, J.E. Bowers, A.C. Gossard, J.W. Dong, C.J. Palmstrom. Self-assembled ErAs islands in GaAs: growth and subpicosecond carrier dynamics // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V. 75. - N. 22. - P. 3548-3550], [C. Kadow, A.W. Jackson, A.C. Gossard, S. Matsuura, G.A. Blake. Self-assembled ErAs islands in GaAs for optical-heterodyne THz generation // Appl. Phys. Lett. - 2000. - V. 76. - N. 24. - P. 3510-3512] и представляющая собой пленку GaAs толщиной 1,2 мкм, выращенную методом молекулярно-лучевой эпитаксии на полуизолирующей подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (100). Пленка GaAs содержит 60 эквидистантных функциональных слоев, каждый из которых представляет собой слой островков ErAs толщиной 1,2 монослоя. В сущности, описанная структура представляет собой сверхрешетку {GaAs/ErAs}, где GaAs - матричные слои, ErAs - функциональные слои. Данная структура является альтернативной к LT-GaAs структурам, обеспечивая сравнимые характеристики фотопроводящего материала: субпикосекундное время жизни фотовозбужденных носителей заряда, их высокую подвижность, большое электрическое поле пробоя. Недостатком этой структуры является необходимость наличия в установке МЛЭ молекулярного источника Er, который по ряду причин не нашел широкого применения в технологии МЛЭ.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей предлагаемого изобретения является получение структуры для фотопроводящих антенн, которая могла бы заменить структуру, состоящую из пленки GaAs с внедренными внутрь периодическими плоскостями островков ErAs. Для этого предлагаемая структура должна обладать временем жизни фотовозбужденных носителей заряда и удельным темновым сопротивлением, сравнимыми с аналогичными параметрами пленок GaAs с внутренними островками ErAs. Техническим результатом является упрощение технологического процесса эпитаксиального выращивания структур для фотопроводящих антенн. Упрощение заключается в отсутствии необходимости использования редко применяемого источника эрбия в установке молекулярно-лучевой эпитаксии.

Технический результат достигается за счет того, что в пленку LT-GaAs, эпитаксиально выращенную в низкотемпературном режиме на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А, внедряются периодически расположенные функциональные слои GaAs, эпитаксиально выращенные в высокотемпературном режиме и легированные атомами Si. При этом соотношение потоков мышьяка и галлия при эпитаксиальном росте выбирается таким, чтобы в высокотемпературном режиме эпитаксиального роста слои GaAs проявляли p-тип проводимости вследствие роста на кристаллографической поверхности (111)А. Такое поведение атомов Si, осаждаемых на поверхность GaAs с ориентацией (111)А, связано с сильным проявлением свойства амфотерности атомов Si: они могут занимать как узлы галлия, так и узлы мышьяка в кристаллической решетке GaAs. Степень занятия атомами Si одних и других узлов кристаллической решетки GaAs определяется соотношением потоков мышьяка и галлия в процессе эпитаксиального роста. В сущности, описанная структура представляет собой сверхрешетку {LT-GaAs/p-GaAs:Si}, где LT-GaAs - матричные слои, р-GaAs:Si - функциональные слои. В результате свободные электроны с точечных дефектов As_Ga перейдут на акцепторные уровни атомов Si, 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 предлагаемой структуры окажутся сравнимыми с аналогичными параметрами структур: а) пленки LT-GaAs, эпитаксиально выращенной на подложке GaAs (100) и легированной атомами Be; б) структуры GaAs, содержащей периодически расположенные слои островков ErAs (то есть сверхрешетки {GaAs/ErAs}).

Концентрацией акцепторной примеси в предлагаемой структуре можно управлять следующими способами: а) путем изменения толщины функциональных слоев p-GaAs:Si или периода сверхрешетки {LT-GaAs/p-GaAs:Si}; б) путем изменения концентрации атомов Si путем повышения температуры источника Si в установке МЛЭ; в) путем изменения температуры роста функциональных слоев p-GaAs:Si; г) путем понижения температуры роста матричных слоев LT-GaAs. Указанные способы регулирования концентрации дырок в предлагаемой структуре приведут к возможности регулирования концентрации ионизированных дефектов As_Ga⁺ и тем самым - к возможности регулирования времени жизни фотовозбужденных носителей заряда.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 представлена схема поперечного сечения полупроводниковой структуры, выбранной за прототип; указаны подложка GaAs 1 с кристаллографической ориентацией (100), пленка GaAs 2 и островки ErAs 3.

На фиг. 2 представлена схема поперечного сечения предлагаемой полупроводниковой структуры; указаны подложка GaAs 4 с кристаллографической ориентацией (111)А, матричные слои LT-GaAs 5 и функциональные слои p-GaAs:Si 6.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение заключается в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А выращивается структура (фиг.2) суммарной толщиной от 1 до 2 мкм, состоящая из матричных слоев LT-GaAs толщиной 165 нм, выращенных при температуре от 180 до 300°С, между которыми расположены эквидистантные функциональные слои GaAs толщиной от 50 до 100 нм, выращенные при температуре от 450 до 500°С и однородно легированные атомами Si. Выбирается такое соотношение потоков мышьяка и галлия, при котором функциональные высокотемпературные слои GaAs, однородно легированные атомами Si, имеют дырочный тип проводимости.

В качестве конкретной реализации изобретения методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А была выращена структура суммарной толщиной 1 мкм, состоящая из матричных слоев LT-GaAs толщиной 165 нм, выращенных при температуре 280°С. Между матричными слоями расположены эквидистантные функциональные слои GaAs толщиной 85 нм, выращенные при температуре 470°С и однородно легированные атомами Si. Перед эпитаксиальным выращиванием каждого следующего слоя структуры происходила остановка роста и изменение температуры роста (то есть температуры, до которой нагрета структура). Выбрано соотношение потоков мышьяка и галлия 28, при котором функциональные высокотемпературные слои GaAs, однородно легированные атомами Si, имеют дырочный тип проводимости.

Измерения электрофизических параметров показали, что выращенная структура имеет дырочный тип проводимости с концентрацией дырок 2,5⋅10¹⁶ см^-3, подвижностью дырок 120 см²/(В⋅с) и удельным сопротивлением 2,08 Ом⋅см. Таким образом, благодаря введению функциональных слоев создаются благоприятные условия для ионизации точечных дефектов As_Ga, образующихся в матричных слоях, а следовательно, для активного захвата фотовозбужденных электронов ионизированными точечными дефектами As_Ga⁺.

Изобретение может быть использовано в приемных антеннах для терагерцевого диапазона частот (от 300 ГГц до 4 ТГц). Cтруктура представляет собой полупроводниковую эпитаксиальную многослойную структуру, выращенную на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А, состоящую из чередующихся матричных слоев нелегированного GaAs, выращенных в низкотемпературном режиме, и функциональных слоев GaAs, выращенных в стандартном высокотемпературном режиме и легированных атомами Si. Соотношение потоков мышьяка и галлия при эпитаксиальном росте выбрано таким, чтобы в высокотемпературном режиме эпитаксиального роста слои GaAs проявляли p-тип проводимости. Концентрация носителей заряда (в данном случае дырок) регулируется изменением толщины легированных кремнием слоев GaAs, выращенных в стандартном высокотемпературном режиме, а также изменением периода повторения этих слоев. Техническим результатом изобретения является упрощение технологического процесса эпитаксиального выращивания структур для фотопроводящих антенн, за счет исключения необходимости использования источника эрбия в установке молекулярно-лучевой эпитаксии. 2 ил.

Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн, эпитаксиально выращенная на подложке GaAs и состоящая из чередующихся матричных слоев и функциональных слоев другого состава, отличающаяся тем, что используется подложка GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А; матричные слои LT-GaAs выращены в низкокотемпературном режиме; функциональные слои являются слоями GaAs, выращенными в высокотемпературном режиме и легированными атомами Si; выбирается соотношение потоков мышьяка и галлия такое, чтобы функциональные слои имели дырочный тип проводимости.