RU2065224C1 - Semiconductor heteroepitaxial structure for photodetecting cell - Google Patents

Semiconductor heteroepitaxial structure for photodetecting cell Download PDF

Info

Publication number
RU2065224C1
RU2065224C1 RU93008617A RU93008617A RU2065224C1 RU 2065224 C1 RU2065224 C1 RU 2065224C1 RU 93008617 A RU93008617 A RU 93008617A RU 93008617 A RU93008617 A RU 93008617A RU 2065224 C1 RU2065224 C1 RU 2065224C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
semiconductor
heteroepitaxial
thickness
region
Prior art date
Application number
RU93008617A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93008617A (en
Inventor
Александр Андреевич Величко
Владимир Александрович Илюшин
Original Assignee
Александр Андреевич Величко
Владимир Александрович Илюшин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Андреевич Величко, Владимир Александрович Илюшин filed Critical Александр Андреевич Величко
Priority to RU93008617A priority Critical patent/RU2065224C1/en
Publication of RU93008617A publication Critical patent/RU93008617A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2065224C1 publication Critical patent/RU2065224C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

FIELD: semiconductors, in particular, construction of heteroepitaxial structure. SUBSTANCE: semiconductor heteroepitaxial structure for photodetecting cell uses a monocrystalline substrate with a heteroepitaxial layer of n-type semiconductor located on it, the layer on the boundary of separation being disrupted. This layer has two layers of highly doped n+-type semiconductor, the thickness of the first layer being equal to that of the disrupted layer. The first layer is located on the boundary of separation with the substrate, and the second layer is a tunnel - opaque one for minority carriers and positioned at a distance equal to the doubled length of Debye shielding from the first one. A p+ layer is formed in the gap between the first and second n+ layers. EFFECT: improved structure. 2 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструкции фотоприемной ячейки на основе МДП-структуры. The invention relates to semiconductor devices, in particular to the design of a photodetector cell based on a MIS structure.

Известны полупроводниковые гетероэпитаксиальные структуры для фотоприемных ячеек со слоями InGaAs или InAsSb на широкозонных подложках [1]
Недостатком известных структур является низкая обнаружительная способность, обусловленная высоким темпом генерации носителей заряда на границе раздела с подложкой.
Known semiconductor heteroepitaxial structures for photodetector cells with InGaAs or InAsSb layers on wide-gap substrates [1]
A disadvantage of the known structures is the low detection ability due to the high rate of generation of charge carriers at the interface with the substrate.

Наиболее близкой к предлагаемой является полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура для фотоприемной ячейки, включающая подложку из арсенида галлия n-типа, размещенный на ней слой антимонида индия n-типа [2]
Недостатком известной полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры является интенсивная генерация неосновных носителей в нарушенном слое на границе раздела с подложкой, следствием чего является низкая обнаружительная способность фотоприемной ячейки.
Closest to the proposed one is a semiconductor heteroepitaxial structure for a photodetector cell, including an n-type gallium arsenide substrate, an n-type indium antimonide layer placed on it [2]
A disadvantage of the known semiconductor heteroepitaxial structure is the intensive generation of minority carriers in the disturbed layer at the interface with the substrate, which results in a low detection ability of the photodetector cell.

Технический результат повышение обнаружительной способности - достигается тем, что известная полупроводниковая гетероэпитаксильная структура для фотоприемной ячейки, включающая подложку из арсенида галлия n-типа, размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой InSb n-типа содержит дополнительно легированный слой n+-типа, расположенный на границе раздела с подложкой и имеющий толщину, равную толщине нарушенного слоя, сильно легированный слой p+-типа толщиной, равной удвоенной длине экранирования Дебая, расположенный над первым h+-слоем, второй n+-слой туннельно непрозрачный для неосновных носителей, расположенный над p+-слоем.EFFECT: increased detection ability — is achieved by the fact that the known semiconductor heteroepitaxial structure for a photodetector cell, including an n-type gallium arsenide substrate, an n-type InSb heteroepitaxial layer placed on it, contains an additionally doped n + -type layer located at the interface with substrate and having a thickness equal to the thickness of the broken layer, a heavily doped p + type layer with a thickness equal to twice the length of the Debye screening, located above the first h + layer, W A second n + layer is tunnel opaque to minority carriers located above the p + layer.

В качестве активного слоя могут использоваться гетероэпитаксиальные слои соединений A3B5, A4B6, A2B6, а в качестве подложек полупроводниковые и диэлектрические материалы, гетероэпитаксиальные структуры с буферными диэлектрическими слоями.The heteroepitaxial layers of compounds A 3 B 5 , A 4 B 6 , A 2 B 6 can be used as the active layer, and semiconductor and dielectric materials, heteroepitaxial structures with buffer dielectric layers as substrates.

На фиг. 1 и 2 представлены поперечное сечение гетероэпитаксиальной структуры и ее зонная диаграмма. In FIG. 1 and 2 show the cross section of the heteroepitaxial structure and its band diagram.

На монокристаллической подложке 1 (фиг.1) последовательно расположены h+-слой 2 полупроводника толщиной d1, слой 3 p+-типа толщиной D2, слой 4 h+-типа толщиной D3, активный слой 5 полупроводника. На фиг. 2 изображена зонная диаграмма гетероэпитаксиальной структуры с сильно легированными слоями. Обозначено: Ec, Ev, Ef, Eg дно зоны проводимости, потолок валентной зоны, уровень Ферми и ширина запрещенной зоны соответственно. Ф величина потенциального барьера для дырок.On the monocrystalline substrate 1 (Fig. 1), an h + layer 2 of semiconductor thickness d 1 , a layer 3 of a p + type thickness D 2 , a layer 4 of a h + type thickness D 3 , an active layer 5 of a semiconductor are successively arranged. In FIG. Figure 2 shows the band diagram of a heteroepitaxial structure with heavily doped layers. Designated: E c , E v , E f , E g the bottom of the conduction band, the valence band ceiling, the Fermi level and the band gap, respectively. Ф value of potential barrier for holes.

Гетероэпитаксиальная структура работает следующим образом: при освещении активной области 5 гетероструктуры в ней образуются электронно-дырочные пары. В качестве ячеек ФПУ в активном слое полупроводника обычно используются МДП или диодные структуры, работающие на основе разделения основных и неосновных носителей заряда с накоплением или регистрацией последних. Дырки, возникающие за счет темновой генерации в дефектной области вблизи границы раздела, не смогут попасть в активную область 5 из-за наличия потенциальной ямы, образованной p+-областью, и не будут влиять на работу ячейки ФПУ, сформированной в активном слое.The heteroepitaxial structure works as follows: when illuminating the active region 5 of the heterostructure, electron-hole pairs are formed in it. As cells of the FPU in the active layer of a semiconductor, MIS or diode structures are usually used, operating on the basis of separation of the main and minor charge carriers with the accumulation or registration of the latter. Holes arising due to dark generation in the defective region near the interface will not be able to get into the active region 5 due to the presence of a potential well formed by the p + region and will not affect the operation of the FPU cell formed in the active layer.

Толщина первого n+-слоя полупроводника выбирается равной толщине нарушенного слоя, который определяется областью с высокой плотностью дислокаций Nd. Величина Nd на границе раздела достигает значений Nd

Figure 00000002
1012 см-2 для гетеросистемы InSl/GaSs, быстро уменьшается с ростом толщины до
Figure 00000003
, а затем плавно спадает по гиперболическому закону. При этом время жизни (время генерации) неосновных носителей обратно пропорционально плотности дислокаций τd= Nd-1 [с.]; при достаточном удалении от границы раздела Nd уменьшается настолько, что τd становится равным времени слиточного бездислокационного материала. Это происходит при толщинах d1 3-5 мкм.The thickness of the first n + layer of the semiconductor is chosen equal to the thickness of the broken layer, which is determined by the region with a high dislocation density Nd. The value of Nd at the interface reaches the values of Nd
Figure 00000002
10 12 cm -2 for the InSl / GaSs heterosystem, decreases rapidly with increasing thickness to
Figure 00000003
, and then gradually decreases according to the hyperbolic law. In this case, the lifetime (generation time) of minority carriers is inversely proportional to the dislocation density τ d = Nd -1 [s]; at a sufficient distance from the interface, Nd decreases so much that τ d becomes equal to the time of the ingot dislocation-free material. This occurs at thicknesses d 1 3-5 microns.

Толщина второго n+-слоя выбирается из условия отсутствия туннелирования дырок через эту область. В этой области происходит интенсивная рекомбинация дырок, попавших в n+ p+-переход.The thickness of the second n + layer is selected from the condition that there is no tunneling of holes through this region. In this region, intense recombination of holes trapped in the n + p + junction occurs.

Толщина p+-слоя выбирается равной удвоенной длине дебаевского экранирования. Оптимальные значения d3 и d2 могут быть выбраны одинаковыми и равными d3 d2 0,2 мкм, а толщина первого h+-слоя выбирается такой, чтобы генерация, обусловленная дислокациями при удалении от границы раздела на расстояние d^ соответствовала плотности генерационного тока в слиточном материале.The thickness of the p + layer is chosen equal to twice the length of the Debye screening. The optimal values of d 3 and d 2 can be chosen the same and equal to d 3 d 2 0.2 μm, and the thickness of the first h + layer is chosen such that the generation due to dislocations at a distance d ^ from the interface corresponds to the density of the generation current in a bulk material.

Предлагаемая конструкция обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом. The proposed design has the following advantages compared to the prototype.

1. Наличие первого сильно легированного слоя n+ приводит к снижению генерационного тока в этой области за счет снижения генерационно-рекомбинационного процесса. Кроме того, этот слой n+ толщиной 5 мкм дает возможность избавиться от собственного поглощения света в этой области за счет сдвига Мосс-Бурштейна при засветке активной области через широкозонную подложку и обеспечивает омический контакт на полуизолирующих подложках GaAs или других диэлектрических подложках.1. The presence of the first heavily doped n + layer leads to a decrease in the generation current in this region due to a decrease in the generation-recombination process. In addition, this n + layer with a thickness of 5 μm makes it possible to get rid of intrinsic light absorption in this region due to the Moss-Burstein shift when the active region is illuminated through a wide-gap substrate and provides ohmic contact on semi-insulating GaAs substrates or other dielectric substrates.

2. Наличие p+ области приводит к образованию потенциальной мы для дырок и потенциального барьера, образованного p+-областью и второй n+-областью величиной Φ = E9+ ΔΦ, где Eg ширина запрещенной зоны полупроводника, а ΔΦ величина потенциального барьера, определяемая сдвигом Мосс-Бурштейна. Для большинства полупроводников в разумном диапазоне легирования Dv = 0,1-0,2 эВ. Концентрация дырок в области 5 определяется величиной p+ и величиной потенциального барьера Φ

Figure 00000004
(1)
Проведем численные оценки для узкозонного п/п InSb, для которого при Т 77 К ΔΦ = 0,2 эВ, и собственная концентрация дырок в бездефектном п/п
Figure 00000005
см-3.2. The presence of the p + region leads to the formation of a potential barrier for holes and a potential barrier formed by the p + region and the second n + region of Φ = E 9 + ΔΦ, where E g is the semiconductor band gap, and ΔΦ is the potential barrier, determined by the Moss-Burstein shift. For most semiconductors in a reasonable doping range, Dv = 0.1-0.2 eV. The hole concentration in region 5 is determined by p + and the potential barrier Φ
Figure 00000004
(one)
We carry out numerical estimates for the narrow-gap InSb subband, for which at T 77 K ΔΦ = 0.2 eV, and the intrinsic concentration of holes in a defect-free semiconductor
Figure 00000005
cm -3 .

а) В отсутствии дополнительных сильно легированных слоев концентрация дырок в активном слое может быть оценена по формуле
P5(акт.) Pгр•exp(-d/Lp≈ 1015 см-13, (2)
где Ргр концентрация дырок на границе раздела, равная

Figure 00000006
(3)
τd "дислокационное" время жизни (генерации), τo время жизни бездислокационного материала, Lp диффузионная длина дырок, d - расстояние от границы раздела с подложкой до активного слоя. Видно, что концентрация дырок в активном слое существенно превышает собственную концентрацию Pi при любой температуре.a) In the absence of additional heavily doped layers, the concentration of holes in the active layer can be estimated by the formula
P 5 (act.) P gr • exp (-d / L p ≈ 10 15 cm -13 , (2)
where P gr the concentration of holes at the interface, equal to
Figure 00000006
(3)
τ d is the “dislocation” lifetime (generation), τ o is the lifetime of a dislocation-free material, L p is the diffusion length of holes, d is the distance from the interface with the substrate to the active layer. It can be seen that the hole concentration in the active layer substantially exceeds the intrinsic concentration P i at any temperature.

б) При наличии n+-p+-перехода концентрация дырок в активной области 5 будет равна

Figure 00000007

т. е. дырки из дефектной и p+-областей практически не будут попадать в активный слой 5, где их концентрация может считаться равной собственной, т. е. приблизительно 1010 см-3.b) In the presence of an n + -p + junction, the hole concentration in the active region 5 will be equal to
Figure 00000007

that is, holes from the defective and p + regions will practically not fall into the active layer 5, where their concentration can be considered equal to the intrinsic layer, i.e., approximately 10 10 cm -3 .

Увеличение рабочей температуры с 77 до 200 К приводит к одновременному увеличению как собственной концентрации дырок в области 5, так и к их забросу в активную область из p+-области. Однако, поскольку собственна концентрация pi растет с температурой как

Figure 00000008

а концентрация дырок, заброшенных через n+-p+-барьер величиной Φ, равной F = E9+ ΔΦ как
Figure 00000009

то видно, что собственная концентрация дырок растет быстрее, чем концентрация дырок, попадающих из дефектной области (из p+-области).An increase in the working temperature from 77 to 200 K leads to a simultaneous increase in both the intrinsic concentration of holes in region 5 and their casting into the active region from the p + region. However, since the intrinsic concentration p i increases with temperature as
Figure 00000008

and the concentration of holes abandoned through an n + -p + barrier with a value Φ equal to F = E 9 + ΔΦ as
Figure 00000009

it can be seen that the intrinsic concentration of holes grows faster than the concentration of holes falling from the defective region (from the p + region ).

3. Наличие второй n+-области приводит к дополнительному увеличению рекомбинационного процесса дырок, попадающих из p+-области; наличие резкого n+ p+ n+-перехода в узкозонных полупроводниках с малой эффективной массой приводит к низкоомным омическим характеристикам этого перехода, обусловленным туннельным прохождением тока; приводит к более эффективному сбору дырок в активной области 5 за счет наличия потенциального барьера ΔΦ, препятствующего выходу "световых" дырок из области 5 к подложке.3. The presence of the second n + region leads to an additional increase in the recombination process of holes falling from the p + region ; the presence of a sharp n + p + n + junction in narrow-gap semiconductors with a small effective mass leads to low-ohmic characteristics of this junction due to tunneling current passage; leads to a more efficient collection of holes in the active region 5 due to the presence of a potential barrier ΔΦ preventing the exit of “light” holes from region 5 to the substrate.

Таким образом использование n+ p+ n+-структуры приводит к значительному снижению генерационного тока, обусловленного структурными дефектами, возникающими при гетероэпитаксии, в активную область. Слабая зависимость от температуры позволяет существенно увеличить рабочие температуры ФПУ, так как в данной конструкции собственная концентрация, определяемая фундаментальными параметрами полупроводника растет быстрее, чем заброс дырок через потенциальный барьер.Thus, the use of the n + p + n + structure leads to a significant decrease in the generation current due to structural defects arising from heteroepitaxy to the active region. A weak temperature dependence makes it possible to significantly increase the operating temperatures of the FPU, since in this design the intrinsic concentration determined by the fundamental parameters of the semiconductor grows faster than the hole throwing through the potential barrier.

4. Поскольку уравнения, описывающие генерационные, диффузионные и рекомбинационные процессы, одинаковы для всех типов полупроводников, а дислокации несоответствия возникают во всех без исключения гетеросистемах, то указанная конструкция будет работать во всех полупроводниковых слоях на любых подложках. 4. Since the equations describing the generation, diffusion, and recombination processes are the same for all types of semiconductors, and misfit dislocations occur in all heterosystems without exception, this design will work in all semiconductor layers on any substrates.

В качестве материала для активного слоя может быть использован не только InSb или InAs, но и любой другой фоточувствительный полупроводниковый материал, например, InGaAs, InGaSb, InAsSb, соединения A2B4, A4B6 и другие, которые могут быть получены методом гетероэпитаксиального наращивания на монокристаллических подложках. В качестве подложек могут выступать диэлектрические и полупроводниковые материалы, на которых возможен гетероэпитаксиальный рост: например GaAs, Si, Ge и др.As the material for the active layer, not only InSb or InAs, but also any other photosensitive semiconductor material can be used, for example, InGaAs, InGaSb, InAsSb, compounds A 2 B 4 , A 4 B 6 and others that can be obtained by heteroepitaxial single crystal substrates. The substrates can be dielectric and semiconductor materials on which heteroepitaxial growth is possible: for example, GaAs, Si, Ge, etc.

Наиболее перспективным является использование подложек кремния с выращенными на них буферными слоями фторидов бария, стронция или кальция. Во всех случаях плотность дислокаций несоответствия на границе пленка-подложка определяется величиной рассогласования постоянных решеток пленка-подложка. Соответственно толщина дефектного слоя будет изменяться в различных гетеросистемах. Однако, выбирая толщину первого сильно легированного n+-слоя равной толщине этого дефектного (дислокационного) слоя для конкретной гетеросистемы и оставляя неизменными другие критерии p+ и второго n+ слоя, достигается тот же положительный результат.The most promising is the use of silicon substrates with buffer layers of barium, strontium or calcium fluorides grown on them. In all cases, the density of misfit dislocations at the film – substrate interface is determined by the mismatch of the constant film – substrate lattices. Accordingly, the thickness of the defective layer will vary in various heterosystems. However, choosing the thickness of the first heavily doped n + layer equal to the thickness of this defective (dislocation) layer for a particular heterosystem and leaving the other criteria of the p + and second n + layer unchanged, the same positive result is achieved.

Таким образом, при увеличении времени жизни (снижении генерационного тока) в активной области возрастает обнаружительная способность фотоприемной ячейки. Thus, with an increase in the lifetime (decrease in the generation current) in the active region, the detecting ability of the photodetector cell increases.

Claims (1)

Полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура для фотоприемной ячейки, включающая монокристаллическую подложку, размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой фоточувствительного полупроводника n-типа с нарушенным слоем на границе раздела, отличающаяся тем, что гетероэпитаксиальный слой дополнительно содержит два сильнолегированных n+-слоя, первый толщиной, равной толщине нарушенного слоя, расположен на границе раздела с подложкой, второй выполнен туннельно непрозрачным для неосновных носителей дырок и размещен на расстоянии, большем удвоенной длины экранирования Дебая от первого, а в промежутке между первым и вторым n+-слоями расположен р+-слой.A semiconductor heteroepitaxial structure for a photodetector cell, comprising a single crystal substrate, an heteroepitaxial layer of an n-type photosensitive semiconductor with a broken layer at the interface, characterized in that the heteroepitaxial layer additionally contains two heavily doped n + layers, the first thickness equal to the thickness of the broken layer , is located at the interface with the substrate, the second is made tunnel-opaque for minority hole carriers and placed at a distance of lshem double Debye screening length of the first and between the first and second n +-shells is p + -layer.
RU93008617A 1993-02-15 1993-02-15 Semiconductor heteroepitaxial structure for photodetecting cell RU2065224C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93008617A RU2065224C1 (en) 1993-02-15 1993-02-15 Semiconductor heteroepitaxial structure for photodetecting cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93008617A RU2065224C1 (en) 1993-02-15 1993-02-15 Semiconductor heteroepitaxial structure for photodetecting cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93008617A RU93008617A (en) 1995-02-27
RU2065224C1 true RU2065224C1 (en) 1996-08-10

Family

ID=20137288

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93008617A RU2065224C1 (en) 1993-02-15 1993-02-15 Semiconductor heteroepitaxial structure for photodetecting cell

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2065224C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU213816U1 (en) * 2021-12-30 2022-09-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" HETEROEPITAXIAL FILM SAMPLE OF LaCoO3 FOR RESEARCH IN SPINTRONICS AND NANOELECTRONICS

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Фотоприемники и фотопреобразователи. Сб.статей под ред. Ж.И.Алферова, Ю.В.Шмарцева.- Л.: Наука, 1986, с.7. 2. Yano M. et all. Moleculur beam epitaxial grows of InAs. Jap Journal of applied of Phys.- V.16, N 12, р.2131 - 2137, 1977. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU213816U1 (en) * 2021-12-30 2022-09-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" HETEROEPITAXIAL FILM SAMPLE OF LaCoO3 FOR RESEARCH IN SPINTRONICS AND NANOELECTRONICS

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5391882A (en) Semiconductor gamma ray detector including compositionally graded, leakage current blocking potential barrier layers and method of fabricating the detector
US4684969A (en) Heterojunction avalanche photodiode
US4396931A (en) Tunnel emitter upper valley transistor
Sarusi et al. Application of CdTe epitaxial layers for passivation of p‐type Hg0. 77Cd0. 23Te
JPS613464A (en) Semiconductor device
Cohen-Solal et al. Transport of photocarriers in CdxHg1− xTe graded-gap structures
KR920005395A (en) Photoelectric
Ryan et al. Hole diffusion length in high purity n-GaAs
US4532533A (en) Ballistic conduction semiconductor device
EP0113074B1 (en) Method of logically combining optical signals
KR870010640A (en) Avalanche Photodiode
RU2065224C1 (en) Semiconductor heteroepitaxial structure for photodetecting cell
GB2253943A (en) Diamond heterojunction diode
US5466953A (en) Denuded zone field effect photoconductive detector
Shin et al. PIN CdTe gamma ray detectors by liquid phase epitaxy (LPE)
RU2034369C1 (en) Heteroepitaxial semiconductor structure for photodetector cell
Breitenstein et al. Non-ideal IV-characteristics of block-cast silicon solar cells
US4729004A (en) Semiconductor photo device
Mataré Enhanced carrier collection at grain-boundary barriers in solar cells made from large grain polycrystalline material
Kosyachenko et al. Electrical performance of HgInTe surface-barrier photodiodes
RU2045106C1 (en) Semiconductor heteroepitaxial structure with high life time
EP0571142A1 (en) Platinum doped silicon avalanche photodiode
Reidel et al. High performance photovoltaic infrared devices in Hg1− x Cd x Te on sapphire
Becla et al. Electrical properties of infrared photovoltaic CdxHg1− xTe detectors
JP2848345B2 (en) Infrared detector