Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн
SEMICONDUCTOR STRUCTURE FOR PHOTO-CONDUCTING ANTENNAS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
3
5
Изобретение относится к полупроводниковым структурам на основе соединений группы АВ со свойствами 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 5 ТГц).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В качестве структуры для фотопроводящих антенн могут быть использованы следующие разновидности структур:
1. Полуизолирующие (ПИ) подложки GaAs (100), подвергнутые имплантации ионов мышьяка (As) или галлия (Ga), кислорода (О), кремния (Si), углерода (С) на установках ионной имплантации [Hark Ное Tan, Chennupati Jagadish, Krzyszton Priotr Korona, Jacek Jasinski, Maria Kaminska, Rimas Viselga, Saulius Marcinkevicius, Arunas Krotkus. Ion-implanted GaAs for subpikosecond optoelectronic applications // IEEE Journal of selected Topics in Quantum Electronics. - 1996. - V. 2. - N. 3. - P. 636-642] [Tze-An Liu, Masahico Tani, Ci-Ling Pan. THz radiation emission properties of multienergy arsenic-ion-implanted GaAs based photoconductive antennas // J. Appl. Phys. - 2003. - V. 93. - N. 5. - P. 2996-3001] [Arunas Krotkus. Semiconductors for terahertz photonics applications. J. Appl. Phys. D: Appl. Phys. - 2010. - V. 43. - P. 273001] [Prathmesh Deshmukh, M. Mendez-Aller, Abhishek Singh, Sanjoy Pal, S.S. Prabhu, Vandana Nanal, R.G. Pillay, G.H. Dohler, S. Preu. Continuous Wave terahertz radiation from antennas fabricated on C12-irradiated semi-insulating GaAs // Optics Letters. - 2015. - V. 40. - N. 19. - P. 4540-4543]. Недостатками указанной структуры является то, что при ионной имплантации образуется большое количество дефектов, уменьшающих темновое удельное сопротивление структуры и подвижность носителей заряда.
2. Еще одной разновидностью материалов, показывающих субпикосекундное время захвата носителей заряда, является структура, содержащая самоорганизующиеся островки ErAs в матрице GaAs. При легировании GaAs атомами эрбия с концентрацией выше, чем предел их растворимости в GaAs, избыточный Er образует наноразмерные преципитаты ErAs (наподобие широко известных квантовых точек InAs в матрице GaAs). В работах [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] [Christoph Kadow, Andrew W. Jackson, Arthur C. Gossard, John E. Bowers, Shuji Matsuura, Geoffrey A. Blake. Self-assembled ErAs islands in GaAs for THz applications // Physica E. - 2001. - V. 7. - P. 97-100] представлена технология создания структуры, по существу представляющей из себя сверхрешетку GaAs/ErAs: то есть в матрице GaAs созданы островки ErAs толщиной от 0.6 до 1.2 ML (монослоев), разделенные слоями GaAs толщиной 20, 40 или 60 нм. Периоды таких сверхрешеток также составляли 20, 40 и 60 нм. Исследованы структуры-сверхрешетки со следующими параметрами и периодами таких сверхрешеток: 20×(1.2 ML ErAs / 60 нм GaAs), 40×(1.2 ML ErAs / 40 нм GaAs), 60×(1.2 ML ErAs / 20 нм GaAs).
Недостатком таких структур является необходимость наличия в установке молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) молекулярного источника Еr, который по ряду причин не нашел широкого применения в технологии МЛЭ. Кроме этого возникают проблемы качества структур в случае толщины островков ErAs порядка или более 3 ML [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]. В этом случае структурное качество структуры ухудшается с каждым вышележащим слоем GaAs, выращиваемым над островками ErAs.
3. Наиболее распространенной структурой является пленка GaAs, эпитаксиально выращенная при пониженной температуре 150-350°C (low-temperature GaAs, LT-GaAs), в то время как стандартная температура эпитаксиального роста GaAs составляет 450-600°C. Для выращивания таких структур 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].
Главной особенностью структур на основе LT-GaAs и структур на основе ионно-имплантированных мышьяком (As) подложек GaAs является наличие в кристаллической структуре избыточных атомов мышьяка, которые могут достигать до 2 атомных %.
Ga
i
Ga
Ga
Ga
Ga
Ga
+
++
Известно, что избыток атомов мышьяка (As) в кристаллической структуре LT-GaAs и ионно-имплантированных ионами As подложек GaAs приводит к образованию следующих собственных дефектов в структурах на основе GaAs: атом мышьяка в узле атома галлия (As), межузельный атом мышьяка (As); вакансия атома галлия (V). Но основным дефектом, ответственным за захват фотовозбужденных электронов и уменьшение их времени жизни является дефект As [A. Krotkus, K. Bertulis, L. Dapkus, U. Olin, S. Marcinkevicius. 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 должен находиться в заряженном состоянии As или As.
Ga
Ga
Ga
Ga
+
++
Для того чтобы увеличить концентрацию заряженных дефектов, структуру на основе LT-GaAs легируют бериллием. Атомы бериллия в 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, из-за чего дефекты As переходят в заряженное состояние As или As [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]. [C.H. Goo, W.S. Lau, T.C. Chong, L.S. Tan. Trap signatures of As precipitates and As-antisite-relates defects in GaAs epilayers grown by molecular beam epitaxy at low temperatures. Appl. Phys. Lett. - 1996. - V. 69. - N. 17. - P. 2543-2545] [P. Specht, S. Jeong, H. Sohn, M. Luysberg, A. Prasad, J. Gebauer, R. Krause-Rehberg, E.R. Weber. Defect control in As-rich GaAs // Material Science Forum. - 1997. - V. 258-263. - P. 951-956] [J.-L. Coutaz, J.F. Roux, A. Gaarder, S. Marcinkevicius, J. Jasinski, K. Korona, M. Kaminska, K. Bertulis, A. Krotkus. Be-doped low-temperature grown GaAs for ultrafast optoelectronic devices and applications. XI International Semiconducting and Insulating Materials Conference 3-7 July 2000. The Australian National University, Canberra, Australia. P. 89-96].
3
5
Однако бериллий, используемый в соединениях АВ как легирующая примесь акцепторного типа, 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]. Поэтому использование бериллия в установках молекулярно-лучевой эпитаксии требует соблюдения дополнительных мер безопасности. Кроме этого, наличие источника бериллия в установке молекулярно-лучевой эпитаксии приводит к повышению фоновой примеси p-типа во всех структурах, в дальнейшем выращиваемых в такой установке. Это обстоятельство вызывает в дальнейшем затруднения при выращивании структур с крайне низким содержанием ненамеренных примесей. Особенно это касается случаев, когда на структурах требуется высокое пробивное напряжение.
Аs
Ga
As
Ga
Ga
Самой близкой по технической сущности и также принятой за прототип является структура, описанная в [Патент на изобретение №2624612. Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн / Галиев Галиб Бариевич, Климов Евгений Александрович, Мальцев Петр Павлович, Пушкарев Сергей Сергеевич. - приоритет изобретения 07.10.2016; дата государственной регистрации в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 04.07.2017]. Структура представляет собой полупроводниковую эпитаксиальную многослойную структуру, выращенную на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (N11)А, где N=1, 2, 3…, состоящую из чередующихся матричных слоев нелегированного GaAs, выращенных в низкотемпературном режиме, и функциональных слоев GaAs, выращенных в стандартном высокотемпературном режиме и легированных атомами Si. Изначально соотношение потоков мышьяка (As) и галлия (Ga) γ (γ=P/P, где P и P - парциональное давление молекулярных потоков мышьяка и галлия соответственно) выбирается таким, чтобы в высокотемпературном режиме эпитаксиального роста слои GaAs проявляли p-тип проводимости. Концентрация носителей заряда (в нашем случае - дырок) регулируется изменением толщины легированных кремнием слоев GaAs, выращенных в стандартном высокотемпературном режиме, а также изменением периода повторения этих слоев. Недостатком этой структуры является невозможность управления концентрацией избыточного мышьяка, а значит, и концентрацией антиструктурных дефектов As в LT-GaAs, являющихся важнейшим параметром структур на основе LT-GaAs, по существу, определяющим характеристики фотопроводящих материалов на основе GaAs. Поскольку структура в данном случае выращивается при фиксированном значении γ, которая ограничена сверху получением p-типа проводимости в высокотемпературных слоях.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей предлагаемого изобретения является получение структуры для фотопроводящих антенн, которая могла бы существенно расширить возможности структуры, выращенной на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А, состоящей 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 в данном случае выбрано таким, чтобы в высокотемпературном режиме эпитаксиального роста слои GaAs проявляли p-тип проводимости. То есть структура по существу является сверхрешеткой {LT-GaAs/GaAs:Si}. Важным моментом в такой структуре является то, что она выращивается при фиксированном значении соотношения потоков мышьяка и галлия, то есть при постоянном значении γ.
Ga
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. Для этого предлагаемая структура должна обладать временем жизни фотовозбужденных носителей заряда и удельным темновым сопротивлением, сравнимым с аналогичными параметрами структуры на основе сверхрешетки {LT-GaAs/GaAs:Si}. Техническим результатом является технологическая возможность управления концентрацией точечных дефектов As.
1
LT-GaAs
GaAs:Si
Ga
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 изначальное соотношение потоков мышьяка и галлия (γ) при эпитаксиальном росте выбирается таким, чтобы в высокотемпературном режиме эпитаксиального роста легированные кремнием слои GaAs:Si проявляли p-тип проводимости в случае роста на кристаллографической поверхности (111)А. Рост других периодов сверхрешетки, а именно, низкотемпературных слоев LT-GaAs проводится при повышенном давлении мышьяка (то есть при γ>γ). Это приведет к тому, что количеством избыточного мышьяка, а в конечном счете, и концентрацией точечных дефектов As в слоях LT-GaAs можно технологически управлять путем изменения (повышения) давления мышьяка во время роста данных слоев структуры.
Ga
Ga
+
++
Концентрацией акцепторной примеси в предлагаемой нами структуре можно управлять следующими способами: 1) регулированием толщин высокотемпературных легированных кремнием слоев структуры GaAs:Si или периода сверхрешетки {LT-GaAs/GaAs:Si}; 2) путем повышения или понижения температуры источника Si в установке МЛЭ; 3) путем повышения или понижения температуры роста функциональных слоев. Указанные способы регулирования концентрации дырок в предлагаемой структуре приведут к возможности регулирования концентрации ионизированных дефектов As и As, и тем самым к возможности регулирования времени жизни фотовозбужденных носителей заряда.
As
Ga
Ga
Ga
Ga
+
++
Регулирование времени жизни фотовозбужденных носителей заряда в предлагаемой структуре возможно и путем изменения соотношения потоков мышьяка и галлия γ. При повышении давления мышьяка P (а значит, увеличении γ) во время роста слоев LT-GaAs возрастает количество избыточного мышьяка в них, а следовательно, и концентрация дефектов As, а значит и концентрация заряженных дефектов As или As. Таким образом, предложенная структура позволяет вырастить структуру с технологически управляемой концентрацией заряженных дефектов As.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
На фиг. 1 представлена схема поперечного сечения полупроводниковой структуры выбранной за прототип: указаны подложка GaAs 1 с кристаллографической ориентацией поверхности (111)А, матричные слои LT-GaAs 2 и функциональные слои p-GaAs:Si 3.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
As
G
a
1
1
2
2
Изобретение заключается в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией поверхности (111)А выращивается структура (фиг. 1) суммарной толщиной от 1 до 3 мкм, состоящая из матричных слоев LT-GaAs толщиной от 165 до 280 нм, выращенных при температуре от 140 до 300°C при соотношении потоков мышьяка и галлия P/ P =γ (γ>30), между которыми расположены эквидистантные функциональные слои GaAs:Si толщиной от 50 до 100 нм, выращенные при температуре от 450 до 520°C и однородно легированные атомами Si. При выращивании слоев GaAs:Si выбирается такое соотношение потоков мышьяка и галлия γ (10<γ<25), при котором функциональные высокотемпературные слои GaAs:Si имеют дырочный тип проводимости.
1
2
2
В качестве конкретной реализации изобретения методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А была выращена структура с суммарной толщиной 1 мкм, состоящая из матричных слоев LT-GaAs толщиной 230 нм, выращенных при температуре 200°C и соотношением потоков мышьяка и галлия γ от 20 до 60. Между матричными слоями расположены эквидистантные функциональные слои GaAs толщиной 20 нм, выращенные при температуре 480°C и однороднолегированные атомами Si. Перед эпитаксиальным выращиванием каждого следующего слоя структуры происходила остановка роста, изменение температуры роста (то есть температуры до которой нагрета структура), изменение соотношения потоков мышьяка и галлия соответствующие слоям LT-GaAs (γ) или GaAs:Si (γ). Выбрано γ=10, при котором функциональные высокотемпературные слои GaAs, однороднолегированные атомами кремния, имеют дырочный (p-) тип проводимости.
p
p
Ga
Ga
16
-3
2
Измерения электрофизических параметров показали, что выращенная структура имеет дырочный (p-) тип проводимости с концентрацией дырок N=1,16⋅10 см и подвижностью дырок μ=80 см/(В⋅c). Таким образом, благодаря введению функциональных слоев, изменению технологических условий роста (температуры роста и соотношения потоков мышьяка и галлия) слоев LT-GaAs и GaAs:Si и использованию подложек GaAs с ориентацией (111)А создаются благоприятные условия для ионизации точечных дефектов As, образующихся в матричных слоях, а следовательно, для активного захвата фотовозбужденных электронов ионизированными точечными дефектами. Кроме этого, и это самое главное, в предложенной структуре реализуется возможность технологического управления концентрацией точечных дефектов As за счет выращивания матричных слоев LT-GaAs при повышенном давлении мышьяка.