Полупроводниковая гетероструктура для фотопреобразователей

Полезная модель относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, а именно к полупроводниковым эпитаксиальным гетероструктурам на основе твердых растворов фосфидов индия, галлия, мышьяка (InGaAsP), и может найти применение в различных фотопреобразующих системах и устройствах с длиной волны, лежащей в инфракрасной (ИК) области спектра.
x
1-x
у
1-у
Твердые растворы InGaAsP, являются весьма привлекательными для использования в различных системах и приборах оптоэлектроники, поскольку за счет изменения количественного соотношения компонентов в составе указанного твердого раствора имеется возможность обеспечить у данного полупроводникового материала требуемую для эффективной работы той или иной приборной структуры ширину запрещенной зоны при достаточно хорошем согласовании параметров кристаллических решеток контактирующих материалов, входящих в состав структуры.
x
1-x
1-у
Известен ряд фоточувствительных полупроводниковых гетероструктур на основе твердых растворов InGaAsуP, входящих в состав различных фотопреобразующих устройств [см., например, CN 103646997; US 4982255, ж. Appl. Phys. Lett. 55(17), 1989, рр. 1713-1714].
x
1-x
у
1-у
Указанные гетероструктуры содержат светочувствительные слои из твердых растворов InGaAsP, состав которых определяет требуемую для работы каждого прибора ширину запрещенной зоны.
В качестве ближайшего аналога заявляемой полезной модели выбрана полупроводниковая гетероструктура, входящая в состав лазерного фотоприемника [WO 2014027092].
x
1-x
у
1-у
Данная гетероструктура содержит подложку из материала InP, буферный слой из материала InP, активную область, изготовленную из материала на основе твердого раствора InGaAsP, и верхний слой из материала InP, при этом подложка и буферный слой имеют одинаковый тип проводимости, а верхний слой имеет противоположный указанным двум слоям тип проводимости. Светопоглощающие слои активной области изготовлены из материала на основе твердого раствора InGaAsP, где содержание In (х) принимает значения от 0,544 до 0,557, а содержание As(у) принимает значения от 0,948 до 0,976.
Активная область данной гетероструктуры ориентирована на преобразование электромагнитного излучения с длиной волны 1,55 мкм и имеет соответствующее указанному значению длины волны ширину запрещенной зоны (Eg порядка 0,8 эВ), что обеспечивается вышеуказанным количественным соотношением компонентов твердого раствора.
x
1-x
у
1-у
Материал твердого раствора InGaAsP с содержанием х в диапазоне от 0,544 до 0,557 и у от 0,948 до 0,976 является согласованным по постоянной кристаллической решетки с подложкой InP и при температуре роста порядка Т=600°C не лежит в области спинодального распада (в области не смешиваемости), так что его возможно выращивать требуемой для эффективного поглощения излучения толщины.
Однако указанный материал не может обеспечить эффективное преобразование электромагнитного излучения с длиной волны порядка 1,06 мкм.
Между тем, в настоящее время существует потребность в создании фотопреобразователей электромагнитного излучения ИК спектрального диапазона с длиной волны порядка 1,06 мкм, в частности, для преобразователей лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм.
у
x
1-x
у
1-у
Исследования показывают, что для обеспечения ширины запрещенной зоны материала на основе твердого раствора InGaAsP, при которой происходит эффективное поглощение излучения вышеуказанной длины волны, твердый раствор должен иметь состав InGaAsP, где 0.59<х<0.8, 0.55<у<0.92.
Однако твердый раствор указанного состава попадает в область спинодального распада. Распад обуславливается возникающими в структуре внутренними напряжениями и зависит от толщины материала. Получение устойчивых структур на основе вышеуказанных твердых растворов возможно только при малой толщине материала (менее 100 нм), так как при этом условии внутреннее напряжение компенсируется пластической деформацией. При больших толщинах материала, в том числе при толщине порядка 1 мкм, требуемой для эффективного поглощения излучения с длиной волны около 1,06 мкм, материал оказывается не стабильным и распадается на составляющие его элементы.
x
1-x
у
1-у
Проблемой, которую решает заявляемая полезная модель, является создание полупроводниковой гетероструктуры на основе стабильных твердых растворов InGaAsP, способной эффективно поглощать электромагнитное излучение с длиной волны порядка 1,06 мкм.
x
1-x
у
1-у
Сущность полезной модели заключается в том, в полупроводниковой гетероструктуре для фотопреобразователей, содержащей подложку из материала InP, буферный слой из материала InP, активную область, изготовленную из материала на основе твердого раствора InGaAsP, и верхний слой из материала InP, при этом подложка и буферный слой имеют одинаковый тип проводимости, а верхний слой имеет противоположный указанным двум слоям тип проводимости, согласно полезной модели активная область гетероструктуры состоит из чередующихся светопоглощающих и барьерных слоев, материалом светопоглощающего слоя является твердый раствор состава InGaAsP, где 0.59<х<0.8, 0.55<у<0.92, а материалом барьерного слоя является InP, каждый светопоглощающий слой имеет толщину не более 100 нм, каждый барьерный слой имеет толщину не более 20 нм, при этом суммарная толщина светопоглощающих слоев составляет величину не менее 1 мкм.
x
1-x
у
1-у
Принципиально важным в заявляемой полезной модели является то, что активная область полупроводниковой гетероструктуры образована светопоглощающими слоями полупроводникового материала, представляющего собой твердый раствор InGaAsP, состав которого обеспечивает у материала светопоглощающих слоев значение ширины запрещенной зоны порядка 1,17 эВ (Eg~1.1-1.17 эВ), что позволяет достичь эффективного поглощения электромагнитного излучения с длиной волны порядка 1,06 мкм и преобразования его в электрическую энергию.
Поскольку при выбранном составе используемый для слоев активной области твердый раствор попадает в область спинодального распада, для предотвращения разрушения светопоглощающих слоев толщина каждого из них выбрана не более 100 нм.
При этом суммарная толщина светопоглощающих слоев активной области заявляемой гетероструктуры выбрана сопоставимой с длиной волны преобразуемого излучения и составляет величину не менее 1 мкм, что способствует максимально полному поглощению излучения активной областью.
Наличие в активной области заявляемой гетероструктуры барьерных слоев из материала InP способствует тому, что удается избежать спинодального распада материала расположенных между ними светопоглощающих слоев.
При этом присутствие указанных барьерных слоев не мешает сбору генерированных носителей тока, поскольку для обеспечения туннельной связи между слоями активной области гетероструктуры толщина каждого барьерного слоя выбрана не более 20 нм.
Как показали экспериментальные исследования, заявляемая полупроводниковая гетероструктура обеспечивает эффективное поглощение и преобразование электромагнитного излучения с длиной волны порядка 1,06 мкм и при этом обладает высокой устойчивостью, невзирая на то, что материал светоизлучающих слоев имеет состав, лежащий в области спинодального распада.
x
1-x
у
1-у
Таким образом, техническим результатом заявляемой полезной модели является получение стабильной полупроводниковой гетероструктуры на основе твердых растворов InGaAsP(Eg~1.1-1.17 эВ), способной эффективно поглощать электромагнитное излучение с длиной волны порядка 1,06 мкм.
На Фиг. 1 представлен общий вид заявляемой полупроводниковой гетероструктуры; на Фиг. 2 представлен общий вид активной области заявляемой полупроводниковой структуры.
17
19
-3
18
-3
18
-3
x
1-x
у
1-у
Полупроводниковая гетероструктура содержит подложку 1 из материала InP, в частности, n типа проводимости с концентрацией носителей 10-10 см, буферный слой 2 толщиной более 100 нм из материала InP, в частности, n типа проводимости с концентрацией носителей (1-5)⋅10 см, расположенную на буферном слое 2 преднамеренно не легированную активную область 3, содержащую последовательность чередующихся барьерных слоев 4 и светопоглощающих слоев 5. Материалом барьерного слоя 4 является InP, при этом толщина барьерного слоя 4 составляет величину не более 20 нм. Материалом светопоглощающего слоя 5 является твердый раствор состава InGaASP, где 0.59<х<0.8, 0.55<у<0.92, при этом толщина слоя 5 составляет величину не более 100 нм. Суммарная толщина светопоглощающих слоев 5 составляет величину не менее 1 мкм. Гетероструктура содержит также верхний слой 6 из материала InP, в частности, р типа проводимости с концентрацией носителей (1-5)⋅10 см, расположенный поверх активной области 3.
Рост структуры осуществлялся методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОСГФЭ).
Функционирование заявляемой полупроводниковой гетероструктуры показано на примере ее использования в составе фотоприемника.
На поверхность полупроводниковой гетероструктуры структуры падает световое излучение с длиной волны около 1,06 мкм. Энергия фотонов поглощается светопоглащающими слоями 5, имеющими ширину запрещенной зоны Eg порядка 1,17 еВ. Поглощение энергии излучения вызывает генерацию электронно - дырочных пар в слоях активной области 3, при этом барьерные слои 4 за счет их небольшой толщины обеспечивают туннельную связь между слоями 5 активной области 3. Между верхним слоем 6 и подложкой 1 возникает разность потенциалов. При замыкании расположенных на поверхности слоя 6 и на поверхности подложки 1 металлических контактов (на четртежах не показаны) в гетереструктуре протекает электрический ток.
Проведенные исследования показывают отсутствие признаков спинодального распада в выращенной гетероструктуре.