RU2624612C1 - Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн - Google Patents

Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн Download PDF

Info

Publication number
RU2624612C1
RU2624612C1 RU2016139390A RU2016139390A RU2624612C1 RU 2624612 C1 RU2624612 C1 RU 2624612C1 RU 2016139390 A RU2016139390 A RU 2016139390A RU 2016139390 A RU2016139390 A RU 2016139390A RU 2624612 C1 RU2624612 C1 RU 2624612C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gaas
layers
grown
temperature regime
epitaxial growth
Prior art date
Application number
RU2016139390A
Other languages
English (en)
Inventor
Галиб Галиевич Галиев
Евгений Александрович Климов
Петр Павлович Мальцев
Сергей Сергеевич Пушкарев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН)
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН)
Priority to RU2016139390A priority Critical patent/RU2624612C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2624612C1 publication Critical patent/RU2624612C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264Inorganic materials
    • H01L31/0304Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03042Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds characterised by the doping material

Landscapes

  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

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.

Description

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 (AsGa), межузельный атом мышьяка (Asi), вакансия атома галлия (VGa), причем концентрация AsGa гораздо больше (примерно в 1000 раз), чем концентрация VGa. Именно дефект AsGa главным образом ответственен за захват фотовозбужденных электронов и уменьшение их времени жизни [A. Krotkus, K. Bertulis, L. Dapkus, U. Olin, S.
Figure 00000001
. 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 AsGa должен находиться в заряженном состоянии AsGa +, 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 AsGa +, 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 AsGa, из-за чего дефекты AsGa переходят в заряженное состояние AsGa + [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 AsGa перейдут на акцепторные уровни атомов Si, точечные дефекты AsGa окажутся ионизированными (AsGa +) 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 AsGa + 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 AsGa, образующихся в матричных слоях, а следовательно, для активного захвата фотовозбужденных электронов ионизированными точечными дефектами AsGa +.

Claims (1)

  1. 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.
RU2016139390A 2016-10-07 2016-10-07 Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн RU2624612C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016139390A RU2624612C1 (ru) 2016-10-07 2016-10-07 Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016139390A RU2624612C1 (ru) 2016-10-07 2016-10-07 Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624612C1 true RU2624612C1 (ru) 2017-07-04

Family

ID=59312898

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016139390A RU2624612C1 (ru) 2016-10-07 2016-10-07 Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624612C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2671286C1 (ru) * 2017-09-22 2018-10-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн
RU217206U1 (ru) * 2022-11-03 2023-03-22 Даниил Александрович Кобцев Фотопроводящая дипольная антенна терагерцового диапазона

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009238911A (ja) * 2008-03-26 2009-10-15 Osaka Univ テラヘルツ光伝導基板、並びに、それを用いたテラヘルツ光検出装置、テラヘルツ光発生装置、およびテラヘルツ光測定装置
WO2013175528A1 (ja) * 2012-05-23 2013-11-28 パイオニア株式会社 光伝導基板および光伝導素子
US8835853B2 (en) * 2011-03-18 2014-09-16 Canon Kabushiki Kaisha Photoconductive element
JP2014197669A (ja) * 2013-03-08 2014-10-16 キヤノン株式会社 光伝導素子、光伝導素子の製造方法、及び、テラヘルツ時間領域分光装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009238911A (ja) * 2008-03-26 2009-10-15 Osaka Univ テラヘルツ光伝導基板、並びに、それを用いたテラヘルツ光検出装置、テラヘルツ光発生装置、およびテラヘルツ光測定装置
US8835853B2 (en) * 2011-03-18 2014-09-16 Canon Kabushiki Kaisha Photoconductive element
WO2013175528A1 (ja) * 2012-05-23 2013-11-28 パイオニア株式会社 光伝導基板および光伝導素子
JP2014197669A (ja) * 2013-03-08 2014-10-16 キヤノン株式会社 光伝導素子、光伝導素子の製造方法、及び、テラヘルツ時間領域分光装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Пушкарев С.С. и др. Структурные и фотолюминесцентные исследования низкотемпературного GaAs(100) и (111)A, МИФИ, Мокеровские чтения, М., 20-21 мая 2015. *
С. Kadow et al. Palmstrom. Self-assembled ErAs islands in GaAs: growth and subpicosecond carrier dynamics // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V. 75. - N. 22. - P. 3548-3550. *
С. Kadow et al. Palmstrom. Self-assembled ErAs islands in GaAs: growth and subpicosecond carrier dynamics // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V. 75. - N. 22. - P. 3548-3550. Пушкарев С.С. и др. Структурные и фотолюминесцентные исследования низкотемпературного GaAs(100) и (111)A, МИФИ, Мокеровские чтения, М., 20-21 мая 2015. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2671286C1 (ru) * 2017-09-22 2018-10-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн
RU217206U1 (ru) * 2022-11-03 2023-03-22 Даниил Александрович Кобцев Фотопроводящая дипольная антенна терагерцового диапазона

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5270585B2 (ja) 高速光導電体
DE60037526T2 (de) P-typ zinkoxid-einkristall mit niedrigem widerstand und herstellungsverfahren dafür
Ploog Delta-(-) doping in MBE-grown GaAs: concept and device application
DE112007001605B4 (de) Zinkoxiddünnfilm vom p-Typ und Verfahren zur Ausbildung desselben und lichtemittierendes Element
Ashraf et al. Photoconductivity of TlGaSe2 layered single crystals
Li et al. Radiation effects on GaAs/AlGaAs core/shell ensemble nanowires and nanowire infrared photodetectors
Prucnal et al. Ex situ n+ doping of GeSn alloys via non-equilibrium processing
Zakria et al. Highly luminescent MgZnO/ZnO multiple quantum wells for photonics devices
RU2624612C1 (ru) Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн
RU2671286C1 (ru) Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн
RU2610222C1 (ru) Материал для фотопроводящих антенн
Yurasov et al. Influence of thermal annealing on the electrical and luminescent properties of heavily Sb-doped Ge/Si (001) layers
Izhnin et al. Photoluminescence of HgCdTe nanostructures grown by molecular beam epitaxy on GaAs
Rajamani et al. Enhanced solar-blind photodetection performance of encapsulated Ga 2 O 3 nanocrystals in Al 2 O 3 matrix
Spindlberger et al. Thermal Stability of Defect‐Enhanced Ge on Si Quantum Dot Luminescence upon Millisecond Flash Lamp Annealing
Tan et al. Ion-implanted GaAs for subpicosecond optoelectronic applications
US20130137214A1 (en) METHOD FOR REMOVING RESIDUAL EXTRINSIC IMPURITIES IN AN N TYPE ZnO OR ZnMgO SUBSTRATE, FOR P-TYPE DOPING OF THIS SUBSTRATE
Walukiewicz et al. Dopants and defects in InN and InGaN alloys
Upadhyay et al. Effects of high-energy proton implantation on the luminescence properties of InAs submonolayer quantum dots
RU2657306C2 (ru) Материал на основе InGaAs на подложках InP для фотопроводящих антенн
Golovynskyi et al. Kinetics peculiarities of photovoltage in vertical metamorphic InAs/InGaAs quantum dot structures
Madatov et al. Features of the electrical conductivity of TlInSe 2 under photoexcitation and X-ray excitation
Sarwar et al. Effect of quantum well shape and width on deep ultraviolet emission in AlGaN nanowire LEDs
Kozubal et al. Electrical isolation of GaAs and AlGaAs/GaAs Quantum Cascade Lasers by deep hydrogen implantation
Prior et al. Growth of MBE ZnSxSe1− x using a novel electrochemical sulphur source

Legal Events

Date Code Title Description
TC4A Change in inventorship

Effective date: 20171019

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191008