Материал на основе InGaAs на подложках InP для фотопроводящих антенн
INGAAS-BASED MATERIAL ON INP SUBSTRATES FOR PHOTO-CONDUCTING ANTENNAS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
3
5
Изобретение относится к полупроводниковым материалам группы АВ со свойством фотопроводимости и со сверхмалым временем жизни фотовозбужденных носителей заряда (порядка 1 пс), полученным методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Такие материалы могут быть использованы при изготовлении передающих и приемных фотопроводящих антенн для терагерцевого диапазона частот (от 300 ГГц до 4 ТГц).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
2
5
7
3
5
Принцип действия фотопроводящих антенн для генерации сверхкоротких, субпикосекундных импульсов электромагнитного излучения терагерцевого диапазона частот состоит в следующем. Под действием фемтосекундного оптического лазерного возбуждения в материале фотопроводящей антенны рождаются неравновесные носители заряда (электроны и дырки). В области между двумя электродами антенны, к которым приложено напряжение, неравновесные носители заряда создают электрический ток, быстро затухающий во времени из-за рекомбинации электронов и дырок и, вследствие этого, возбуждающий электромагнитные волны терагерцевой частоты. Требования к материалам фотопроводящих антенн следующие: 1) фотовозбужденные носители должны обладать сверхмалым временем жизни (менее 1 пс) для быстрого затухания тока; 2) подвижность носителей заряд должна быть высокой (свыше 1000 см/(В⋅с)) для обеспечения большой амплитуды тока; 3) в темноте материал должен обладать высоким удельным сопротивлением (от 10 до 10 Ом⋅см) для достижения большого напряжения пробоя и для уменьшения темновых токов и шумов; 4) материал должен обладать хорошим структурным и оптическим совершенством для снижения эффекта рассеяния света при создании интегрированных оптических устройств. Наиболее перспективными материалами для этих приложений являются прямозонные полупроводники группы АВ, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) при пониженных температурах роста для придания им полуизолирующих свойств, снижения времени жизни неравновесных носителей заряда при сохранении высокого кристаллического совершенства материала [A. Krotkus // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2010. - V. 43. - P. 273001].
Одним из широко используемых и разработанных материалов для фотопроводящих антенн ТГц диапазона частот являются эпитаксиальные пленки LT-GaAs (low temperature GaAs), выращенные в низкотемпературном режиме при температуре 200-300°C. LT-GaAs обладает ультракоротким временем жизни фотовозбужденных носителей заряда, большим темновым удельным сопротивлением и относительно высокой подвижностью электронов [Е.А.Р. Prieto, S.A.B. Vizcara, A.S. Somintac et al. // Journal of the Optical Society of America B. - 2014. - V. 31. - Is. 2. - P. 291]. Это обеспечивается формированием в LT-GaAs точечных дефектов типа Asoa (атомы мышьяка в узлах Ga кристаллической решетки GaAs) и Vca (вакансии Ga) [A. Krotkus, К. Bertulis, L. Dapkus et al. // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V. 75 (21). - P. 3336-3338]. Как правило, пленки LT-GaAs в устройствах легируют акцепторными атомами Be, которые компенсируют донорные состояния дефектов в LT-GaAs, одновременно увеличивая сопротивление пленок и снижая время релаксации носителей заряда. Из-за высокой токсичности Be использование его при МЛЭ требует дополнительных мер безопасности. Кроме того, наличие в установке МЛЭ источника Be приводит к повышению фоновой примеси p-типа, что отрицательно сказывается на качестве других гетероструктур, выращиваемых в используемой установке эпитаксии.
Одним из основных недостатков фотопроводящих антенн на основе LT-GaAs является большая ширина запрещенной зоны (1.4 эВ). Это обстоятельство ограничивает выбор фемтосекундных лазерных источников, способных работать с такой антенной, в основном до Ti : сапфирового лазера (~800 нм). Поэтому в последнее время стала актуальной задача разработки таких фотопроводящих материалов, которые способны работать с более удобными и недорогими лазерами, используемых в линиях волоконной связи (1.3 и 1.55 мкм) и которые в то же время обладают всеми достоинствами LT-GaAs, указанными выше.
17
-2
К таким материалам можно отнести LT-InGaAs, ширина запрещенной зоны которого может быть уменьшена до необходимой величины (0.7 эВ) путем увеличения содержания индия до ~50%. Из-за малой ширины запрещенной зоны нелегированные низкотемпературные пленки LT-InGaAs обладают большой собственной концентрацией электронов (~10 см) и, следовательно, низким темновым сопротивлением, что усложняет их использование для фотопроводящих терагерцевых антенн. Поэтому одной из проблем в этой области является разработка технологических условий получения пленок LT-InGaAs, обеспечивающих высокое удельное сопротивление и быструю динамику фотовозбужденных носителей заряда.
Анализ современного состояния этой проблемы показывает, что разработки LT-InGaAs сосредоточены в следующих направлениях:
+
12
-2
1) Облучение пленок InGaAs тяжелыми ионами, например, Br [J. Mangeney, N. Chimot, L. Meignien, N. Zerounian, P. Crozat, K. Blary et al. // Optic Express. 2007. V. 15. N. 14. P. 8943; J. Mangeney, F. Meng, D. Gacemi, E. Peytavit, J.F. Lampin, T. Akalin // Appl. Phys. Lett. - 2010. - V. 97. - P. 161109] или Fe [M. Suzuki, M. Tonouchi // Appl. Phys. Lett. - 2005 - V. 86. - P. 051104]. За счет использования ионов Br с энергией до 10 МэВ при дозе легирования до 10 см в пленках InGaAs создают высокую плотность точечных дефектов, которые, вместе с имплантированными примесями, придают пленкам InGaAs полуизолирующие свойства. К недостаткам этого метода относится чрезмерное повреждение кристаллической структуры InGaAs бомбардирующими атомами, а также необходимость дополнительных операций ионной имплантации и послеимплантационного высокотемпературного отжига для получения пленок с желаемыми свойствами.
2) Легирование пленок LT-InGaAs в процессе МЛЭ акцепторными атомами Fe [C.D. Wood, О. Hatem, J.E. Cunningham, E.H. Linfield et al. // Appl. Phys. Lett. - 2010. - V. 96. - P. 194104] или Be [N. Kim, S.P. Han et al. // Optic Express. -2011. - V. 19. - P. 15397]. Внедрение Fe или Be в InGaAs приводит к увеличению удельного сопротивления из-за создания центров рассеяния и компенсации собственных носителей, а также значительному уменьшению времени жизни носителей заряда за счет внесения глубоких акцепторных состояний в запрещенной зоне материала. Однако использование в установке МЛЭ 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 МЛЭ приводит к повышению фоновой примеси p-типа во всех гетероструктурах, в дальнейшем выращиваемых в такой установке.
3) Внедрение в процессе МЛЭ в эпитаксиальные пленки LT-InGaAs периодически расположенных наноразмерных островков ErAs толщиной 0,2-2 монослоя (структуры ErAs : InGaAs). Островки ErAs, расположенные периодически в слоях LT-InGaAs, выступают в роли ловушек электронов, приводя к повышению темнового сопротивления материала и снижению времени жизни фотовозбужденных носителей [D.C. Driscoll, М. Hanson, С. Kadow, А.С. Gossard // Appl. Phys. Lett. - 2001. - V. 78. N. 12. - P. 1703; A. Schawagmann, Z.Y. Shao et al. // Appl. Phys. Lett. - 2010. - V. 96. - P. 141108; F. Ospald, D. Maryenko, K. von Klitzing et al. // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. P. 131117]. К недостаткам данного метода относится требование наличия в установке МЛЭ довольно редкого молекулярного источника Er.
17
-3
Общими чертами перечисленных материалов являются: 1) высокая плотность точечных дефектов, обеспечиваемая низкотемпературным ростом или ионной имплантацией, и 2) наличие акцепторных примесей Be, Fe, Br, обеспечивающих компенсацию электрически активных точечных дефектов. Глубокие уровни в запрещенной зоне InGaAs обеспечивают сверхмалое время жизни (менее 1 пс) фотовозбужденных электронов в InGaAs за счет быстрого захвата фотовозбужденных электронов и дырок. Но для осуществления захвата электрона эти уровни должны быть незаполненными, что обеспечивается за счет введения в InGaAs акцепторных атомов. Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является материал, описанный в [A. Takazato, М. Kamakura, Т. Matsui et al. // Appl. Phys. Lett. - 2007. - V. 90. - P. 101119]. В этой работе описываются пленки LT-InGaAs толщиной от 1 до 2 мкм, выращенные методом МЛЭ при температурах от 180 до 280°C на подложке InP с кристаллографической ориентацией (100), используемые для получения фотопроводящих антенн. Пленка LT-InGaAs была легирована атомами бериллия с концентрацией 7⋅10 см и более. Недостатком этого материала является необходимость использования молекулярного источника бериллия в установке МЛЭ.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
III
V
III
V
Основная особенность предлагаемого в настоящем изобретении материала заключается в следующем. При использовании для легирования A-B полупроводников примесей, обладающих амфотерными свойствами, то есть способных проявлять либо донорные, либо акцепторные свойства в зависимости от занимаемого узла кристаллической решетки, возможно получение пленок как с n-, так и с p-типом проводимости при МЛЭ росте на подложках с полярной ориентацией (n11)A, где n - натуральное число, как это экспериментально подтверждено для случая роста GaAs на подложках GaAs с ориентацией (111) A [G.B. Galiev, V. Kaminskii, D. Milovzorov, L. Velihovskii, V.G. Mokerov // Semicond. Sci. Technol. - 2002. - V. 17. N. 2. - P. 120-123; L. Pavesi, F. Pizza, M. Henini, I. Harrison // Semicond. Sci. Technol. - 1993. - V. 8. - P. 167]. Для полупроводников A-B такой примесью является кремний Si. Тип проводимости эпитаксиальной пленки будет зависеть от того, какие узлы кристаллической решетки - узлы элементов III (Ga, In) или V (As) группы занимают атомы Si. Управление осаждением атомов легирующей примеси на те или иные узлы кристаллической решетки производится с помощью изменения соотношения потоков молекул мышьяка и элементов III группы (Ga+In), а также концентрации легирующей примеси. Таким образом, эпитаксиальный рост на подложках с ориентацией (n11)A позволяет контролируемо получать пленки с n- и p-типом проводимости, а также компенсированные слои.
Задачей предлагаемого изобретения является получение материала для фотопроводящих антенн, который мог бы заменить пленки LT-InGaAs: 1) имплантированные ионами Br или Fe, 2) легированные Fe или Be во время эпитаксиального роста, 3) с периодическими слоями ErAs внутри InGaAs. Предлагаемый материал обладает сравнимыми значениями времени жизни фотовозбужденных носителей заряда и удельного темнового сопротивления. Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение технологического процесса эпитаксиального выращивания LT-InGaAs для фотопроводящих антенн, а также обеспечение возможности технологического управления диапазоном генерации и приема ТГц электромагнитного излучения. Упрощение технологии МЛЭ заключается в отсутствии необходимости использования: 1) источника токсичного бериллия в установке МЛЭ, 2) дополнительного молекулярного источника Er, 3) дополнительных операций ионного легирования и последующего отжига.
3
5
Технический результат достигается за счет того, что для эпитаксиальной пленки LT-InGaAs, выращиваемой на подложке InP с кристаллографической ориентацией (n11)A, где n=1, 2, 3… существует возможность, подобрав соотношение потоков мышьяка (As) и элементов III группы (Ga и In), добиться того, чтобы большая часть фоновых (ненамеренных) или легирующих примесей (например, атомов кремния) управляемо являлась акцепторами. Такое поведение атомов примесей, осаждаемых на поверхность InGaAs на подложках InP с ориентацией (n11)А, связано с сильным проявлением свойства амфотерности атомов кремния на подложках соединений АВ с ориентацией (111)А: они могут занимать как узлы элементов III группы (In, Ga), так и узлы элементов V группы (As) в кристаллической решетке InGaAs. Доля примесных атомов, занимающих узлы мышьяка, определяется соотношением потоков мышьяка и элементов III группы (Ga, In) в процессе эпитаксиального роста и влияет на проводимость эпитаксиальной пленки InGaAs. В результате акцепторные уровни атомов кремния компенсируют состояния точечных дефектов низкотемпературного InGaAs, которые будут функционировать как эффективные ловушки фотовозбужденных электронов. Это приводит к тому, что время жизни фотовозбужденных носителей заряда и темновое удельное сопротивление пленки LT-InGaAs окажутся сравнимыми с аналогичными параметрами пленки LT-InGaAs, эпитаксиально выращенной на подложке InP (100) и легированной атомами бериллия. Таким образом, внедрение в пленку LT-InGaAs вышеуказанных акцепторных примесей заменяется легированием амфотерной примесью (например, кремнием) при использовании подложек InP с кристаллографической ориентацией (n11)A и при выборе оптимального соотношения потоков мышьяка и галлия.
Путем изменения концентрации атомов кремния и потока мыщьяка можно регулировать концентрацию ионизированных дефектов в LT-InGaAs и тем самым регулировать время жизни фотовозбужденных носителей заряда.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлены результаты измерения зависимости напряженности Е электромагнитного поля, генерируемого слоями LT-InGaAs, выращенными на подложках InP с ориентацией (100), от времени после возбуждения LT-InGaAs импульсом накачки эрбиевого лазера. Измерения выполнены методом терагерцевой спектроскопии временного разрешения.
На фиг. 2 представлены результаты измерения зависимости напряженности Е электромагнитного поля, генерируемого слоями LT-InGaAs, выращенными на подложках InP с ориентацией (411)А, от времени после возбуждения LT-InGaAs импульсом накачки эрбиевого лазера.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение заключается в том, что методами эпитаксии выращивается пленка LT-InGaAs толщиной от 0,1 до 5 мкм при температуре роста от 200 до 350°C. При этом:
1) пленка LT-InGaAs выращивается на подложке InP с кристаллографической ориентацией (n11)A, где n - натуральное число;
17
-3
2) пленка LT-InGaAs легируется атомами кремния с концентрацией от 10 см и выше;
3) выбирается соотношение потоков мышьяка и галлия такое, чтобы выращенная пленка LT-InGaAs имела дырочный тип проводимости или была непроводящей (компенсированный тип проводимости).
Пленка LT-InGaAs может быть выращена методами МЛЭ или газовой эпитаксии из металлоорганических соединений.
4
Для подтверждения возможности получения заявленного технического результата были получены пленки LT-InGaAs методом МЛЭ. Для сравнения эпитаксиальный рост проводился одновременно на двух подложках InP: (100) и (411)А. Соотношение потоков элементов V и III групп составляло 29, температура роста LT-InGaAs слоев составляла 200°C. После роста образцы подвергались отжигу в камере роста установки МЛЭ в потоке молекул As при температуре 500°C в течение 1 часа. Толщины выращенных пленок составили 1 мкм.
Измерения генерации терагерцевого электромагнитного излучения в слоях LT-InGaAs после возбуждения фемтосекундным лазерным импульсом проводились методом терагерцовой спектроскопии с временным разрешением при накачке эрбиевым лазером. После межзонного поглощения излучения накачки фотовозбужденные электроны и дырки под действием встроенных в структуру электрических полей формируют переменный электрический ток. Характерный масштаб скорости изменения этого тока - время жизни неравновесных носителей в LT-InGaAs. Переменный ток приводил к генерации электромагнитного излучения. На фиг. 1 и 2 приведено сравнение измеренных временных зависимостей напряженности генерируемого LT-InGaAs электромагнитного поля для структур на различных подложках. ТГц сигналы излучения состоят из двух полос приблизительно одинаковой формы и амплитуды, отстоящих друг от друга по времени. Вторая полоса, наблюдаемая через ~10 пс после первой, связана с отражением лазерной накачки от задней стороны подложки InP толщиной 400 мкм и с последующей генерацией ТГц излучения в геометрии вперед. Из фиг. 2 видно, что образец, выращенный на подложке InP ориентации (411)А, генерирует ТГц излучение с амплитудой примерно в 2 раза больше, чем образец на подложке InP (100). По интенсивности излучения генерация на подложках InP (411)А примерно в 4 раза эффективнее, чем на подложках InP (100).