RU2671286C1 - Semiconductor structure for photo-conducting antennas - Google Patents
Semiconductor structure for photo-conducting antennas Download PDFInfo
- Publication number
- RU2671286C1 RU2671286C1 RU2017133046A RU2017133046A RU2671286C1 RU 2671286 C1 RU2671286 C1 RU 2671286C1 RU 2017133046 A RU2017133046 A RU 2017133046A RU 2017133046 A RU2017133046 A RU 2017133046A RU 2671286 C1 RU2671286 C1 RU 2671286C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gaas
- layers
- grown
- temperature
- arsenic
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 93
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 3
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 67
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 21
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 13
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 229910017214 AsGa Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 32
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 8
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 5
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 5
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 arsenic ions Chemical class 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical group [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical class [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/0248—Semiconductor 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
- H01L31/0256—Semiconductor 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
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/0248—Semiconductor 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
- H01L31/036—Semiconductor 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 their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
- H01L31/0392—Semiconductor 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 their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к полупроводниковым структурам на основе соединений группы А3В5 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).The invention relates to semiconductor structures based on compounds of group A 3 B 5 with photoconductivity properties and with an extremely short lifetime of photoexcited charge carriers (less than 0.5 ps). Such semiconductor structures can be used in the manufacture of transmitting and receiving antennas for the terahertz frequency range (from 300 GHz to 5 THz).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
В качестве структуры для фотопроводящих антенн могут быть использованы следующие разновидности структур:The following types of structures can be used as structures for photoconductive antennas:
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.1. Semi-insulating (PI) GaAs (100) substrates subjected to implantation of arsenic ions (As) or gallium (Ga), oxygen (O), silicon (Si), carbon (C) at ion implantation installations [Hark No 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]. The disadvantages of this structure is that ion implantation produces a large number of defects that reduce the dark resistivity of the structure and the mobility of charge carriers.
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).2. Another type of material showing subpicosecond carrier capture time is a structure containing self-organizing ErAs islands in a GaAs matrix. When GaAs are doped with erbium atoms with a concentration higher than their solubility limit in GaAs, excess Er forms nanosized ErAs precipitates (like the well-known InAs quantum dots in a GaAs matrix). In the works of [S. 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] presents the technology for creating a structure that is essentially a GaAs / ErAs superlattice: that is, in a GaAs matrix ErAs islands from 0.6 to 1.2 ML thick (monolayers) are created, separated by GaAs layers 20, 40, or 60 nm thick. The periods of such superlattices were also 20, 40, and 60 nm. We studied superlattice structures with the following parameters and periods of such superlattices: 20 × (1.2 ML ErAs / 40 nm GaAs), 40 × (1.2 ML ErAs / 40 nm GaAs), 60 × (1.2 ML ErAs / 20 nm 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.The disadvantage of such structures is the need for the molecular beam epitaxy (MBE) installation to have a molecular source Er, which for a number of reasons has not been widely used in MBE technology. In addition, structural quality problems arise in the case of ErAs island thicknesses of the order of or more than 3 ML [C. 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]. In this case, the structural quality of the structure deteriorates with each overlying GaAs layer grown over ErAs islands.
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].3. The most common structure is a GaAs film epitaxially grown at a low temperature of 150-350 ° C (low-temperature GaAs, LT-GaAs), while the standard temperature of epitaxial growth of GaAs is 450-600 ° C. To grow such structures, GaAs or Si substrates with a crystallographic orientation of (100) are used [Patent US 7364993 B2. Method of enhancing the photoconductive properties of a semiconductor / Michael J. Evans, William R. Tribe; TeraVieW Limited, Cambridge. - Appl. No. 10/527313; filling date 09/11/2003; publication date 04/29/2008].
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 %.The main feature of structures based on LT-GaAs and structures based on ion-implanted arsenic (As) GaAs substrates is the presence in the crystal structure of excess arsenic atoms, which can reach up to 2 atomic%.
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 (AsGa), межузельный атом мышьяка (Asi); вакансия атома галлия (VGa). Но основным дефектом, ответственным за захват фотовозбужденных электронов и уменьшение их времени жизни является дефект AsGa [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 AsGa должен находиться в заряженном состоянии AsGa + или AsGa ++.It is known that an excess of arsenic atoms (As) in the crystalline structure of LT-GaAs and GaAs substrates ion-implanted with As ions leads to the formation of the following intrinsic defects in GaAs-based structures: an arsenic atom at the site of a gallium atom (As Ga ), an interstitial atom of arsenic ( As i ); gallium atom vacancy (V Ga ). But the main defect responsible for the capture of photoexcited electrons and a decrease in their lifetime is the As Ga defect [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]. But in order to capture an electron, an As Ga defect must be in a charged state of As Ga + or As 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 AsGa, из-за чего дефекты AsGa переходят в заряженное состояние AsGa + или AsGa ++ [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].In order to increase the concentration of charged defects, an LT-GaAs-based structure is doped with beryllium. Beryllium atoms in GaAs are acceptors. This means that they form unfilled energy levels in the band gap near the ceiling of the valence band, to which electrons from As Ga defects pass, due to which As Ga defects pass into the charged state As Ga + or As Ga ++ [Patent US 8835853. Photoconductive element / Toshihiko Ouchi, Kousuke Kajiki; Canon Kabushiki Kaisha, Tokyo. - Appl. No. 13/416447; filling date 03/09/2012; publication date 09.16.2014]. [CH Goo, WS Lau, TC Chong, LS Tan. Trap signatures of As precipitates and As-antisite-related 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, ER Weber. Defect control in As-rich GaAs // Material Science Forum. - 1997. - V. 258-263. - P. 951-956] [J.-L. Coutaz, JF 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].
Однако бериллий, используемый в соединениях А3В5 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.However, beryllium, used in compounds A 3 B 5 as an acceptor type dopant, is a
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=PАs/PGa, где PAs и PGa - 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 AsGa 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.The closest in technical essence and also adopted for the prototype is the structure described in [Patent for the invention No. 2624612. Semiconductor structure for photoconductive antennas / Galiev Galib Barievich, Klimov Evgeny Aleksandrovich, Maltsev Petr Pavlovich, Pushkarev Sergey Sergeevich. - priority of the invention 07.10.2016; date of state registration in the State Register of Inventions of the Russian Federation 07/04/2017]. The structure is a semiconductor epitaxial multilayer structure grown on a GaAs substrate with a crystallographic orientation of (N11) A, where N = 1, 2, 3 ..., consisting of alternating matrix layers of undoped GaAs grown in a low temperature mode and functional GaAs layers grown in standard high temperature and doped with Si atoms. Initially, the ratio of arsenic (As) and gallium (Ga) fluxes γ (γ = P As / P Ga , where P As and P Ga are the partial pressure of the molecular flows of arsenic and gallium, respectively) is chosen so that GaAs layers exhibit high-temperature epitaxial growth p-type conductivity. The concentration of charge carriers (in our case, holes) is controlled by a change in the thickness of silicon-doped GaAs layers grown in the standard high-temperature regime, as well as by a change in the repetition period of these layers. The disadvantage of this structure is the inability to control the concentration of excess arsenic, and hence the concentration of As Ga anti-structural defects in LT-GaAs, which are the most important parameter of LT-GaAs-based structures, which essentially determines the characteristics of GaAs-based photoconductive materials. Since the structure in this case is grown at a fixed value of γ, which is limited from above by obtaining p-type conductivity in high-temperature layers.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
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.The objective of the invention is to obtain a structure for photoconductive antennas, which could significantly expand the capabilities of the structure grown on a GaAs substrate with a crystallographic orientation of (111) A, consisting of alternating matrix layers of undoped GaAs grown in low temperature mode and functional GaAs layers grown in standard high temperature and doped with Si atoms. The ratio of arsenic and gallium fluxes during epitaxial growth in this case is chosen so that in the high-temperature regime of epitaxial growth, GaAs layers exhibit p-type conductivity. That is, the structure is essentially a {LT-GaAs / GaAs: Si} superlattice. An important point in such a structure is that it is grown at a fixed ratio of arsenic and gallium fluxes, that is, at a constant value of γ.
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 AsGa.The concentration of charge carriers (in this case, holes) is controlled by a change in the thickness of silicon-doped GaAs layers grown in the standard high-temperature regime, as well as by a change in the repetition period of these layers. For this, the proposed structure must have a lifetime of photoexcited charge carriers and a specific dark resistance comparable with similar parameters of the structure based on the {LT-GaAs / GaAs: Si} superlattice. The technical result is the technological ability to control the concentration of point defects As 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 (γ1) 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 γLT-GaAs>γGaAs:Si). Это приведет к тому, что количеством избыточного мышьяка, а в конечном счете, и концентрацией точечных дефектов AsGa в слоях LT-GaAs можно технологически управлять путем изменения (повышения) давления мышьяка во время роста данных слоев структуры.The technical result is achieved due to the fact that periodically arranged GaAs functional layers epitaxially grown in the high temperature mode and doped with Si atoms are embedded in an LT-GaAs film epitaxially grown in a low-temperature mode on a GaAs substrate with a (111) A crystallographic orientation. In this case, the initial ratio of arsenic and gallium fluxes (γ 1 ) during epitaxial growth is chosen such that, in the high-temperature epitaxial growth mode, silicon-doped GaAs: Si layers exhibit p-type conductivity in the case of growth on a (111) A crystallographic surface. The growth of other periods of the superlattice, namely, the low-temperature layers of LT-GaAs, is carried out at elevated arsenic pressure (i.e., when γ LT-GaAs > γ GaAs: Si ). This will lead to the fact that the amount of excess arsenic, and ultimately, the concentration of As Ga point defects in LT-GaAs layers can be technologically controlled by changing (increasing) the arsenic pressure during the growth of these structure layers.
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 AsGa + и AsGa ++, и тем самым к возможности регулирования времени жизни фотовозбужденных носителей заряда.The concentration of acceptor impurities in our structure can be controlled in the following ways: 1) by controlling the thicknesses of high-temperature silicon-doped layers of the GaAs structure: Si or the superlattice period {LT-GaAs / GaAs: Si}; 2) by raising or lowering the temperature of the Si source in the MBE installation; 3) by increasing or decreasing the growth temperature of the functional layers. The indicated methods for controlling the concentration of holes in the proposed structure will lead to the possibility of controlling the concentration of ionized defects As Ga + and As Ga ++ , and thereby to the possibility of controlling the lifetime of photoexcited charge carriers.
Регулирование времени жизни фотовозбужденных носителей заряда в предлагаемой структуре возможно и путем изменения соотношения потоков мышьяка и галлия γ. При повышении давления мышьяка PAs (а значит, увеличении γ) во время роста слоев LT-GaAs возрастает количество избыточного мышьяка в них, а следовательно, и концентрация дефектов AsGa, а значит и концентрация заряженных дефектов AsGa + или AsGa ++. Таким образом, предложенная структура позволяет вырастить структуру с технологически управляемой концентрацией заряженных дефектов AsGa.The regulation of the lifetime of photoexcited charge carriers in the proposed structure is also possible by changing the ratio of arsenic and gallium fluxes γ. With increasing arsenic pressure P As (and, therefore, increasing γ) during the growth of LT-GaAs layers, the amount of excess arsenic in them increases, and consequently, the concentration of As Ga defects, and hence the concentration of charged defects As Ga + or As Ga ++ . Thus, the proposed structure allows one to grow a structure with a technologically controlled concentration of charged As Ga defects.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖАBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING
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.In FIG. 1 is a cross-sectional diagram of a semiconductor structure selected for the prototype: a
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
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 PAs/ PG a =γ1 (γ1>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 γ2 (10<γ2<25), при котором функциональные высокотемпературные слои GaAs:Si имеют дырочный тип проводимости.The invention consists in the fact that by the method of molecular beam epitaxy on a GaAs substrate with a crystallographic orientation of the surface (111) A, a structure (Fig. 1) is grown with a total thickness of 1 to 3 μm, consisting of LT-GaAs matrix layers with a thickness of 165 to 280 nm grown at temperatures from 140 to 300 ° C with a ratio of arsenic and gallium fluxes P As / P G a = γ 1 (γ 1 > 30), between which are located equidistant functional GaAs: Si layers from 50 to 100 nm thick, grown at temperature from 450 to 520 ° C and uniformly doped with Si atoms. When growing GaAs: Si layers, the ratio of arsenic and gallium fluxes γ 2 (10 <γ 2 <25) is chosen such that the functional high-temperature GaAs: Si layers have a hole type of conductivity.
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 (γ1) или GaAs:Si (γ2). Выбрано γ2=10, при котором функциональные высокотемпературные слои GaAs, однороднолегированные атомами кремния, имеют дырочный (p-) тип проводимости.As a specific implementation of the invention, a structure with a total thickness of 1 μm consisting of 230 nm thick LT-GaAs matrix layers grown at a temperature of 200 ° C and arsenic flux ratio was grown on a GaAs substrate with a crystallographic orientation of (111) A by molecular beam epitaxy on a GaAs substrate and gallium γ from 20 to 60. Between the matrix layers are equidistant GaAs functional layers with a thickness of 20 nm, grown at a temperature of 480 ° C and uniformly doped with Si atoms. Before epitaxial growth of each subsequent layer of the structure, growth was stopped, the growth temperature changed (that is, the temperature to which the structure was heated), the ratio of arsenic and gallium fluxes corresponded to the LT-GaAs (γ 1 ) or GaAs: Si (γ 2 ) layers. Γ 2 = 10 was chosen in which the functional high-temperature GaAs layers uniformly doped with silicon atoms have hole (p-) type of conductivity.
Измерения электрофизических параметров показали, что выращенная структура имеет дырочный (p-) тип проводимости с концентрацией дырок Np=1,16⋅1016 см-3 и подвижностью дырок μp=80 см2/(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 AsGa, 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 AsGa за счет выращивания матричных слоев LT-GaAs при повышенном давлении мышьяка.Measurements of electrophysical parameters showed that the grown structure has a hole (p-) type of conductivity with a hole concentration of N p = 1.16⋅10 16 cm -3 and hole mobility μ p = 80 cm 2 / (V⋅c). Thus, due to the introduction of functional layers, a change in the technological growth conditions (growth temperature, and the ratio of arsenic and gallium fluxes) of LT-GaAs and GaAs: Si layers and the use of GaAs substrates with (111) A orientation, favorable conditions are created for the ionization of point defects As Ga , formed in the matrix layers, and therefore, for the active capture of photoexcited electrons by ionized point defects. In addition, and this is the most important thing, the proposed structure implements the possibility of technological control of the concentration of As Ga point defects by growing LT-GaAs matrix layers under increased arsenic pressure.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017133046A RU2671286C1 (en) | 2017-09-22 | 2017-09-22 | Semiconductor structure for photo-conducting antennas |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017133046A RU2671286C1 (en) | 2017-09-22 | 2017-09-22 | Semiconductor structure for photo-conducting antennas |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2671286C1 true RU2671286C1 (en) | 2018-10-30 |
Family
ID=64103255
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017133046A RU2671286C1 (en) | 2017-09-22 | 2017-09-22 | Semiconductor structure for photo-conducting antennas |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2671286C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2723910C1 (en) * | 2019-08-06 | 2020-06-18 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Photodetector with controlled redeployment of charge carrier density maxima |
CN112002999A (en) * | 2020-08-03 | 2020-11-27 | 首都师范大学 | Simple manufacturing method of THz antenna |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8835853B2 (en) * | 2011-03-18 | 2014-09-16 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoconductive element |
RU2610222C1 (en) * | 2015-12-02 | 2017-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Material for photoconductive antennas |
RU2624612C1 (en) * | 2016-10-07 | 2017-07-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Semiconductor structure for photo-conducting antennas |
-
2017
- 2017-09-22 RU RU2017133046A patent/RU2671286C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8835853B2 (en) * | 2011-03-18 | 2014-09-16 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoconductive element |
RU2610222C1 (en) * | 2015-12-02 | 2017-02-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Material for photoconductive antennas |
RU2624612C1 (en) * | 2016-10-07 | 2017-07-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Semiconductor structure for photo-conducting antennas |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Пушкарев С.С. и др, структурные и фотолюминесцентные исследования низкотемпературного GaAs (100) и (111А), МИФИ, Мокеровские чткния, М., 10-12 мая 2015. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2723910C1 (en) * | 2019-08-06 | 2020-06-18 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) | Photodetector with controlled redeployment of charge carrier density maxima |
CN112002999A (en) * | 2020-08-03 | 2020-11-27 | 首都师范大学 | Simple manufacturing method of THz antenna |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Margetis et al. | Growth and characterization of epitaxial Ge1-XSnx alloys and heterostructures using a commercial CVD system | |
Oikawa et al. | Formation of definite GaN p–n junction by Mg-ion implantation to n−-GaN epitaxial layers grown on a high-quality free-standing GaN substrate | |
US6896731B1 (en) | P-type single crystal zinc-oxide having low resistivity and method for preparation thereof | |
Alivov et al. | Fabrication of ZnO-based metal–insulator–semiconductor diodes by ion implantation | |
WO2011016309A1 (en) | Semiconductor element and method for manufacturing same | |
JP2009021540A (en) | Zno-based thin film and zno-based semiconductor element | |
JP2009266938A (en) | Semiconductor element | |
Jiang et al. | AlGaN and InAlGaN alloys-epitaxial growth, optical and electrical properties, and applications | |
RU2671286C1 (en) | Semiconductor structure for photo-conducting antennas | |
Fudetani et al. | Wide range doping controllability of p-type GaN films prepared via pulsed sputtering | |
US5767533A (en) | High-conductivity semiconductor material having a dopant comprising coulombic pairs of elements | |
DE112015003542B4 (en) | N-type aluminum nitride single crystal substrate and its use for vertical nitride semiconductor devices | |
Chen et al. | Optical investigations of Be doped ZnO films grown by molecular beam epitaxy | |
Brault et al. | UVA and UVB light emitting diodes with AlyGa1− yN quantum dot active regions covering the 305–335 nm range | |
US20220108887A1 (en) | Dislocation free semiconductor nanostructures grown by pulse laser deposition with no seeding or catalyst | |
RU2610222C1 (en) | Material for photoconductive antennas | |
Bose et al. | Photoconductivity, low-temperature conductivity, and magnetoresistance studies on the layered semiconductor GaTe | |
RU2624612C1 (en) | Semiconductor structure for photo-conducting antennas | |
WO2020009020A1 (en) | Tunnel field-effect transistor | |
Fauzi et al. | Neutron radiation effects on the electrical characteristics of InAs/GaAs quantum dot-in-a-well structures | |
Thiru et al. | Photoluminescence study of Si doped and undoped Chalcopyrite CuGaSe 2 thin films | |
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 | |
Saidov et al. | Liquid-phase epitaxy of the (Si 2) 1− x− y (Ge 2) x (GaAs) y substitutional solid solution (0≤ x≤ 0.91, 0≤ y≤ 0.94) and their electrophysical properties | |
RU2650575C2 (en) | Material for efficient generating terahertz radiation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200923 |