RU2781509C1 - СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ AlGaN - ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ДЛЯ СОЛНЕЧНО-СЛЕПЫХ ФОТОКАТОДОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА - Google Patents
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ AlGaN - ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ДЛЯ СОЛНЕЧНО-СЛЕПЫХ ФОТОКАТОДОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781509C1 RU2781509C1 RU2021131201A RU2021131201A RU2781509C1 RU 2781509 C1 RU2781509 C1 RU 2781509C1 RU 2021131201 A RU2021131201 A RU 2021131201A RU 2021131201 A RU2021131201 A RU 2021131201A RU 2781509 C1 RU2781509 C1 RU 2781509C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- algan
- temperature
- layer
- aluminum
- growth
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 21
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 44
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 41
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 claims abstract description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims abstract description 7
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 claims abstract description 5
- 150000002829 nitrogen Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000003595 spectral Effects 0.000 abstract description 28
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract description 16
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 14
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 5
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 26
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 12
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 11
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 10
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 10
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 9
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 4
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 2
- 125000004433 nitrogen atoms Chemical group N* 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N p-acetaminophenol Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N Cesium Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001803 electron scattering Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical group 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atoms Chemical group O* 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002211 ultraviolet spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники. Способ изготовления AlGaN-гетероструктур для солнечно-слепых фотокатодов ультрафиолетового диапазона включает отжиг подложки из сапфира при температуре (800-850)°С, нитридизацию поверхности подложки из сапфира в потоке активированного азота при температуре TS=(780-820)°С, последовательное выращивание методом плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксии зародышевого слоя AIN в режиме эпитаксии с повышенной миграцией атомов при температуре TS=(780-820)°C толщиной (60-130) нм, буферного слоя AIN в режиме металл-модулированной эпитаксии в слабых металл-обогащенных условиях при соотношении потоков алюминия и азота FN FAl/FN=1.05 толщиной 1-2 мкм и активного слоя AlGaN, легированного Mg, в металл-обогащенном режиме с непрерывным изменением содержания алюминия в слое от 80 до 37% толщиной (90-160) нм при температуре (680-700)°С путем уменьшения потока алюминия в процессе роста при неизменном соотношении (FAl + FGa)/FN потоков металлов (FAl, FGa) и азота. Технический результат заключается в разработке способа изготовления AlGaN - гетероструктуры для солнечно-слепых фотокатодов ультрафиолетового спектрального диапазона, который бы обеспечивал высокую чувствительность в спектральном диапазоне длин волн менее 290 нм. 2 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, а более конкретно к технологии изготовления приемников (фотокатодов) излучения ультрафиолетового спектрального диапазона, чувствительных в солнечно-слепой области спектра.
Известен способ изготовления GaN-гетероструктуры для фотокатодов ультрафиолетового спектрального диапазона (см. патент US7455565B2, МПК H01J-009/02, H01J-009/04*, опубл. 25.11.2018), включающий операции выращивания на подложке сапфира буферного слоя AIN и активного слоя InGaN, легированного магнием, а также очистки поверхности полупроводниковой гетерострутуры. В данном патенте детально описаны процедуры осаждения Cs. Однако, в патенте описана технология изготовления фотокатодов только на основе GaN и InGaN. Известный способ не обеспечивает получение приемников излучения ультрафиолетового спектрального диапазона на основе AlGaN, чувствительных в солнечно-слепой области спектра.
Необходимость тщательной очистки поверхности полупроводникового слоя особенно актуальна в случае использования слоев AlGaN с высоким содержанием алюминия, поскольку он является чрезвычайно химически активным материалом. Важность очистки поверхности AlGaN, и влияние этой процедуры на эффективность фотокатодов до сих пор является предметом научных исследований (см. Guanghui Нао, Yijun Zhang, Muchun Jin, Cheng Feng Applied Surface Science 2015 324 590-593).
Известен способ изготовления узла вакуумного фотоэлектронного прибора с фотокатодом на основе GaN (см. патент 168103, МПК H01J 31/50, опубликован 18.01.2017]. Однако в настоящее время интерес наибольший интерес вызывают фотокатоды на основе AlGaN, работающие в более глубоком УФ спектральном диапазоне. Известный способ не обеспечивает получение приемников излучения ультрафиолетового спектрального диапазона на основе AlGaN, чувствительных в солнечно-слепой области спектра.
Известен способ увеличения эффективности фотокатода (см. заявку US5880481A, МПК H01J 1/308, опубликована 09.03.1999) за счет использования дополнительного слоя широкозонного материала (т.е. слоя AlGaN с большим содержанием алюминия) поверх активного слоя. Известный способ никак не позволяет увеличить длину свободного пробега электронов в слое AlGaN и не позволяет создать приемник излучения ультрафиолетового спектрального диапазона, чувствительных в солнечно-слепой области спектра.
Известен способ изготовления закаленных фотокатодов (см. патент US 6303918, МПК H01J 31/507, опубликован 16.10.2001), включающий в себя 4 основных операции. На первом этапе формируется гетероструктура с активным слоем, который на последующих трех этапах подвергается воздействию цезия, кислорода и фтора. Последний приводит к «закаливанию» фотокатода, который становится более стойким к воздействию положительных ионов примесей (ускоряются в сторону, противоположной электронам), которые повреждают поверхность и сам слой Cs. В конечном счете подобная процедура позволяет уменьшить скорость деградации фотокатода и ухудшения его характеристик. Однако данное решение относится скорее к оптимизации конструкции катода с точки зрения эксплуатационных и деградационных характеристик, а не улучшению чувствительности. Известный способ не обеспечивает увеличения чувствительности приемников излучения ультрафиолетового спектрального диапазона.
Известны способы изготовления фотокатодов для применения их в системах электронной литографии. В известном способе (см. патент US6759800, МПК B82Y 10/00, опубликован 06.07.2004), включающем в себя нанесение на прозрачную подложку слоя фотоэмиттера, который служит источником электронов при поглощении падающего излучения от узконаправленного источника, например лазера. В следующем патенте (см. патент US6429443B1, МПК B82Y 10/00, опубликован 06.08.2002) для формирования многолучевого источника электронов используется массив вертикально-излучающих лазеров. Оба известных способа не обеспечивают получение приемников излучения ультрафиолетового спектрального диапазона, чувствительных в солнечно-слепой области спектра.
Важно отметить, что при разработке фотокатода в данном изобретении мы также используем прозрачную подложку - сапфир, поэтому предложенная нами в рамках данного патента оригинальная гетероструктура c-Al2O3/AIN/AlxGa1-xN:Mg с непрерывным изменением состава активной области AlxGa1-xN:Mg может также использоваться при разработке систем электронной литографии.
Известен способ изготовления фотокатода на основе AlGaN (см. патент CN109256305 В, МПК H01J 9/12, опубликован 23.03.2021), в основе которого лежит технология удаления подложки. Эта технология несомненно является перспективной, поскольку позволяет использовать любой материал в качестве подложки (например, кремний, арсенид галлия, карбид кремния и др.). Однако, известный способ не обеспечивает получение приемников излучения ультрафиолетового спектрального диапазона, чувствительных в солнечно-слепой области спектра.
Известен способ изготовления AlGaN:Mg гетероструктуры для УФ фотокатода, который идеологически очень близок к настоящему изобретению (см. патент US6831341B2, МПК H01J 31/507, опубликован 14.12.2004). Данным способом в слоях AlGaN:Mg формировался особый профиль легирования (плавное изменение концентрации магния), который обеспечивал встроенное электрическое поля в активном слое AlGaN. Однако данный способ позволяет уверенно формировать встроенное поле только в слоях с относительно невысоким содержанием алюминия, которые могут быть с легкостью и воспроизводимо легированы в процессе роста. Известный способ не обеспечивает заметного увеличения чувствительности приемников излучения ультрафиолетового спектрального диапазона, чувствительных в солнечно-слепой области спектра. При создании фотокатодов, чувствительных в солнечно-слепом спектральном диапазоне такой способ оказывается неприменим. По мере увеличения содержания алюминия, как уже отмечалось выше, резко возрастает энергия активации примеси, что делает крайне сложной задачу получения слоев AlGaN с р-типом проводимости.
Известен способ изготовления AlGaN:Mg гетероструктуры для УФ фотокатода, заключающийся в том, что активная область фотокатода разбивалась на два слоя AlGaN:Mg, с разным содержанием алюминия (см. патент US7592747B1, МПК H01J4 0/06, опубликован 22.09.2009). При этом в гетероструктуре возникали упругие напряжения (из-за разницы в периоде кристаллической решетки), которые, в свою очередь, создавали пьезоэлектрические поля в активном слое. Однако контроль упругих напряжений является чрезвычайно сложной технологической задачей. Малые рассогласования не приведут к желаемому результату, а большие - могут привести к релаксации напряжений и образованию дислокаций. Кроме того, при переходе к солнечно-слепой области УФ спектра в активной области необходимо использовать слои с высоким содержанием алюминия (до 80%), что делает невозможным введения значительных упругих напряжений (рассогласование с AIN довольно незначительно). Поэтому известный способ не обеспечивает заметного увеличения чувствительности приемников излучения ультрафиолетового спектрального диапазона, чувствительных в солнечно-слепой области спектра.
Известен способ изготовления AlGaN - гетероструктуры для фотокатодов ультрафиолетового спектрального диапазона (см. патент CN103779436 В, МПК H01L-031/0304, H01L-031/18, опубл. 04.01.2017), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает последовательное выращивание с использованием процесса эпитаксиального роста методом молекулярно-лучевой эпитаксии или химическим осаждением из паровой фазы металлоорганических соединений однородно легированного буферного слоя AIN р-типа на поверхности сапфировой подложки с двусторонними полированными поверхностями и гетероструктуры, состоящей из нескольких последовательных слоев p-AlGaN, легированных магнием, с различным содержанием алюминия толщиной (20-150) нм и концентрацией магния NMg1.0×1014cm-3≤NMg≤1.0×1018 см-3.
Известный способ-прототип позволяет создавать гетероструктуры для фотокатода, при этом на каждой гетерогранице слоев AlGaN возникает электрическое поле, которое позволяет улучшить транспорт неравновесных носителей заряда (электронов) к поверхности. Однако электрическое поле в такого рода гетероструктурах, возникает только в очень узкой области непосредственно у гетерограницы между соседними слоями. В конечном счете, это не приводит к заметному росту чувствительности фотокатода. Для улучшения эффективности транспорта носителей необходимо вводить большое количество такого рода гетерограниц. Технологически выполнить такую гетероструктуру можно только лишь вводя остановки роста, необходимые для изменения потоков алюминия (или галлия). Такие прерывания роста приводят к развитию шероховатостей на интерфейсах, встраиванию различных примесей из остаточной атмосферы, что в конечно счете обуславливает появление дополнительных механизмов рассеяния электронов и снижение эффективности фотокатода в целом. Более того, при создании фотокатода, работающего в солнечно слепой области спектра (длина волны меньше 290 нм), возникает необходимость в использовании твердых растворов с большим составом алюминия (вплоть до 80%), что значительно затрудняет или делает невозможным получение р-типа проводимости в слоях AlGaN за счет легирования Mg в процессе роста. Поэтому известный способ не обеспечивает заметного увеличения чувствительности приемников излучения ультрафиолетового спектрального диапазона, чувствительных в солнечно-слепой области спектра.
Задачей настоящего технического решения является разработка способа изготовления AlGaN - гетероструктуры для солнечно-слепых фотокатодов ультрафиолетового спектрального диапазона, который бы обеспечивал высокую чувствительность в спектральном диапазоне длин волн менее 290 нм.
Поставленная задача решается тем, что способ изготовления AlGaN -гетероструктуры для солнечно-слепых фотокатодов ультрафиолетового спектрального диапазона включает отжиг подложки из сапфира при температуре (800-850)°С, нитридизацию поверхности подложки из сапфира в потоке активированного азота при температуре TS=(780-820)°C, последовательное выращивание методом плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксии (ПА-МПЭ) зародышевого слоя AIN в режиме эпитаксии с повышенной миграцией атомов при температуре TS=(780-820)°С толщиной (60-130) нм, буферного слоя AIN в режиме металл-модулированной эпитаксии в слабых металл-обогащенных условиях при соотношении потоков алюминия и азота FN FAl/FN=1.05 толщиной 1-2 мкм и активного слоя AlGaN, легированного Mg, в металл-обогащенном режиме с непрерывным изменением содержания алюминия в слое от 80 до 37% толщиной (90-160) нм при температуре (680-700)°С путем уменьшения потока алюминия в процессе роста при неизменном соотношении (FAl + FGa)/FN потоков металлов (FAl, FGa) и азота FN.
Новым в настоящем способе изготовления AlGaN - гетероструктуры для солнечно-слепых фотокатодов ультрафиолетового спектрального диапазона является изменение технологии изготовления активного слоя AlGaN, легированного магнием, позволяющей непрерывно изменять содержание алюминия в слое от 80 до 37% в процессе роста путем уменьшения потока алюминия в процессе роста при неизменном соотношении (FAl + FGa)/FN потоков металлов (FAl, FGa) и азота Это позволяет сформировать встроенное электрическое поле во всем объеме активного слоя, ускоряющее электроны к поверхности, что в свою очередь приводит к увеличению эффективности фотокатода, работающего в солнечно-слепой области спектра.
Отжиг подложки сапфира при температуре TS менее 800°С требует значительного увеличения времени отжига для удаления всех загрязнений, что экономически нецелесообразно. Отжиг при температуре более 850°С приводит к быстрой деградации нагревательного элемента и в конечном счете - его выходу из строя. Ремонт нагревательного элемента невозможен, предусмотрена только его замена. Замена нагревателя подложки, помимо прямых затрат на непосредственно нагреватель, сопряжена с необходимостью длительного отжига (две недели) установки для достижения условий сверх высокого вакуума.
Нитридизация поверхности подложки сапфира в потоке активированного азота при температуре TS=780-820°С. Температура выше 820°С не приводит к сколько-нибудь заметному улучшению начальных стадий роста, а при температурах менее 780°С реакции замещения кислорода атомами азота на поверхности сапфира протекают менее эффективно и требуют значительного увеличения времени нитридизации.
Выращивание методом ПА-МПЭ зародышевого слоя AIN в режиме эпитаксии с повышенной миграцией атомов при температуре TS=780-820°C. Низкие (менее 780°С) температуры роста AIN приводят к ухудшению морфологии и оптических свойств слоя AIN. Более высокие температуры (выше 820°С) при использовании ПА-МПЭ приводят развитию трехмерного режима роста.
Выращивание методом ПА-МПЭ буферного слоя AIN в режиме металл-модулированной эпитаксии при слабых Al-обогащенных условиях (FAl/FN=1.05) толщиной 1-2 мкм. При выращивании слоя толщиной менее 1 мкм в слое остается достаточно высокая плотность прорастающих дислокаций, которые, проникая в активный слой приводят к рассеиванию носителей и снижают чувствительность фотокатода. Основное снижение плотности дислокаций происходит после выращивания именно 1-2 мкм Большая, чем 2 мкм толщина слоя уже не приводит к заметному снижению плотности дислокаций, при этом требуя значительного времени роста, что делает выращивание слоев AIN толщиной более 2 мкм экономически не целесообразным.
Выращивание методом ПА-МПЭ активного слоя AlGaN, легированного магнием, с непрерывным изменением содержания алюминия (от 80 до 37%) толщиной 90-160 нм в диапазоне температур TS=680-700°С. Начальное (80%) и конечное (37%) содержание алюминия определяют ключевые параметры фотокатода: минимальную длину волны, на которой работает фотокатод, форму спектральной характеристики, а также, величину встроенного электрического поля. Увеличение состава свыше 80% приводит к невозможности легирования твердого раствора, уменьшение - увеличит минимальную длину волны детектируемого излучения. Толщина активного слоя менее 90 нм не обеспечит максимального сбора электронов и приведет к снижению эффективности фотокатода. Увеличение толщины более 160 нм не даст никакого прироста эффективности фотокатода, поскольку длина свободного пробега электронов меньше данного значения.
Настоящий способ изготовления AlGaN - гетероструктуры для фотокатодов ультрафиолетового спектрального диапазона поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 схематически изображена описываемая в настоящем техническом решении гетероструктура для солнечно-слепого фотокатода;
На фиг. 2 приведена спектральная чувствительность фотокатода созданного на основе описываемой в данном техническом решении гетероструктуры, а также спектральная чувствительность фотокатода на основе гетероструктуры с постоянным содержанием алюминия.
Выращиваемая настоящим способом AlGaN - гетероструктура для солнечно-слепых фотокатодов ультрафиолетового спектрального диапазона (см. фиг. 1) включает в себя подложку 1 Al2O3, зародышевый и буферный слои (2 и 3) AIN, а также активный слой 4 AlGaN, легированный магнием.
Настоящий способ изготовления AlGaN - гетероструктуры для фотокатодов ультрафиолетового спектрального диапазона выполняют следующим образом. Подложку 1 сапфира отжигают при температуре (800-850)°С в условиях сверхвысокого вакуума. Это позволяет добиться атомарно чистой поверхности. Затем в потоке активированного азота проводят нитридизацию сапфира при температуре TS=(780-820)°С. На данной стадии происходит замещение атомов кислорода на атомы азота, при этом формируется сверхтонкий (~1 монослой) слой AIN. Далее не меняя температуру подложки 1 выращивается зародышевый слой 2 AIN в режиме эпитаксии с повышенной миграцией атомов. Данный режим включает в себя многократное повторение следующих операций: напыление тонкого слоя Al, одновременное напыление алюминия и азота, напыление азота и кратковременное прерывание роста. Данный режим позволяет наиболее эффективно подавлять появление и распространение прорастающих дислокаций, которые неизбежно возникают из-за большого рассогласования периодов кристаллических решеток AIN и материала подложки 1 Al2O3. Следующий этап -выращивание методом ПА-МПЭ буферного слоя 3 AIN в режиме металл-модулированной эпитаксии при слабых Al-обогащенных условиях (FAl/fN*=1.05) толщиной 1-2 мкм. В этом режиме роста поток азота подается непрерывно, в то время как поток алюминия прерывается на время, которое необходимо для встраивания или десорбции избыточных атомов алюминия осажденных в Al-обогащенных условиях. После выращивания буферного слоя 3 методом ПА-МПЭ выращивается активный слой 4 AlGaN, легированный магнием, с непрерывным изменением содержания алюминия (от 80 до 37%). Для обеспечения изменения состава твердого раствора AlGaN, поток алюминия в процессе роста непрерывным образом снижается, одновременно с этим, поток галлия повышается таким образом, чтобы соотношение потоков металлов и азота оставалось неизменным. Легирование магнием осуществляется непосредственно в процессе роста.
Выращенная таким образом гетероструктура была использована для создания фотокатода, спектральная характеристика которого представлена на кривой 5 фиг. 2. На этом же рисунке, показана спектральная характеристика фотокатода, созданного на основе гетероструктуры с постоянным содержанием алюминия (40%) (кривая 6). Видно, что введение градиентного слоя 4 AlGaN, легированного магнием, позволило не только сдвинуть спектральную характеристику в коротковолновую область спектра, но и увеличить чувствительность фотокатода.
Настоящий способ обеспечивает возможность создания гетероструктуры для солнечно слепых фотокатодов, обладающих чувствительностью в спектральном диапазоне 210-290 нм с ярко выраженным максимумом на длине волны 220 нм. При этом сама величина чувствительности возрастает на 60% с 16 мА/Вт до 27 мА/Вт.
Пример 1. Гетероструктура c-Al2O3/AIN/AlGaN:Mg для фотокатода была выращена на подложке Al2O3, которая во время роста вращалась со скоростью 30 об/мин, методом ПА МПЭ на установке Riber 21 compact с вертикальной геометрией ростовой камеры. После отжига подложки сапфира при температуре TS=820°C в течение 40 минут была проведена процедура нитридизации в потоке атомарного азота, возбужденного с использованием плазменного источника. Время нитридизации поверхности составляло 8 минут. Состояние поверхности при этом контролировалось с помощью системы дифракции отраженных быстрых электронов. Затем был выращен зародышевый слой AIN в режиме эпитаксии с повышенной миграцией атомов при температуре TS=780°С. Особенность этого режима состояла в том, что время роста в металл обогащенном режиме чередовалось с выдержкой поверхности под потоком азота, за время которой избыточный накопленный алюминий встраивается в кристаллическую решетку.
После формирования зародышевого слоя толщиной 60-130 нм, режим роста AIN изменялся. Рост буферного слоя AIN толщиной 1 мкм осуществлялся в режиме металл-модулированной эпитаксии с паузами, необходимыми для встраивания избыточного алюминия в кристаллическую решетку. Использовались слабые Ме-обогащенные условия (FAl/FN*=1.05). Активный слой AlGaN:Mg легировался магнием до концентрации дырок ~1018 cm-3. Поток азота на протяжении роста активного слоя оставался неизменным, варьировались только потоки галлия алюминия. Рост начинался с твердого раствора Al0.8Ga0.2N:Mg, затем поток алюминия плавно уменьшался, чтобы обеспечить плавное изменение состава твердого раствора в соответствии с эмпирической формулой х=FAl/FN и таким образом, чтобы после выращивания слоя, толщиной 110 нм соответствовать содержанию алюминия в твердом растворе 55%. При этом поток галлия также монотонно увеличивался, чтобы компенсировать снижение потока алюминия и поддерживать соотношение потоков на ростовой поверхности (FAl+FGa)/FN=1.05 Помимо увеличения длины свободного пробега электронов в слое с непрерывным изменение алюминия AlGaN:Mg, встроенное поле также обеспечивает эффективное поляризационное легирование, что особенно актуально для слоев с высоким содержанием алюминия.
Пример 2. Гетероструктура c-Al2O3/AIN/AlGaN:Mg для фотокатода была выращена на подложке Al2O3, которая во время роста вращалась со скоростью 30 об/мин, методом ПА МПЭ на установке Riber 21 compact с вертикальной геометрией ростовой камеры. После отжига подложки сапфира при температуре TS=840°С в течение 40 минут была проведена процедура нитридизации в потоке атомарного азота, возбужденного с использованием плазменного источника. Более высокая температура, по сравнению с гетероструткруой, описанной в примере 1, позволила сократить время нитридизации поверхности до 6 минут. Состояние поверхности при этом контролировалось с помощью системы дифракции отраженных быстрых электронов. Затем был выращен зародышевый слой AIN в режиме эпитаксии с повышенной миграцией атомов при температуре TS=800°С. Особенность этого режима состояла в том, что время роста в металл обогащенном режиме чередовалось с выдержкой поверхности под потоком азота, за время которой избыточный накопленный алюминий встраивается в кристаллическую решетку. Более высокая температура роста зародышевого слоя позволила сократить время выдержки поверхности под потоком азота, поскольку при повышенной температуре возрастает десорбция алюминия. После формирования зародышевого слоя толщиной 60-130 нм, режим роста AIN изменялся. Рост буферного слоя AIN толщиной 2 мкм осуществлялся в режиме металл-модулированной эпитаксии с паузами, необходимыми для встраивания избыточного алюминия в кристаллическую решетку. Использовались слабые Ме-обогащенные условия (FAl/FN*=1.05). Активный слой AlGaN:Mg легировался магнием до концентрации дырок ~1018 cm-3. Поток азота на протяжении роста активного слоя оставался неизменным, варьировались только потоки галлия алюминия. Рост начинался с твердого раствора Al0.8Ga0.2N:Mg, затем поток алюминия плавно уменьшался, чтобы обеспечить плавное изменение состава твердого раствора в соответствии с эмпирической формулой х=FAl/FN и таким образом, чтобы после выращивания слоя, толщиной 150 нм соответствовать содержанию алюминия в твердом растворе 55%. Толщина активного слоя в примере 2 была увеличена, поскольку толстый (2 мкм) буферный слой AIN и более высокие температуры роста AIN по сравнению с примером 1 позволяют ожидать формирования гетероструктуры с более низкой плотностью дефектов, что увеличивает и длину свободного пробега и делает возможным эффективный сбор неравновесных носителей с большего объема активной области. При этом поток галлия также монотонно увеличивался, чтобы компенсировать снижение потока алюминия и поддерживать соотношение потоков на ростовой поверхности (FAl + FGa)/FN=1.05. Так же как и в примере 1, помимо увеличения длины свободного пробега электронов в слое с непрерывным изменение алюминия AlGaN:Mg, встроенное поле также обеспечивает эффективное поляризационное легирование, что особенно актуально для слоев с высоким содержанием алюминия.
Claims (1)
- Способ изготовления AlGaN - гетероструктуры для солнечно-слепых фотокатодов ультрафиолетового диапазона, включающий отжиг подложки из сапфира при температуре (800-850)°С, нитридизацию поверхности подложки из сапфира в потоке активированного азота при температуре TS=(780-820)°C, последовательное выращивание методом плазменно-активированной молекулярно-пучковой эпитаксии зародышевого слоя AIN в режиме эпитаксии с повышенной миграцией атомов при температуре TS=(780-820)°C толщиной (60-130) нм, буферного слоя AIN в режиме металл-модулированной эпитаксии в слабых металл-обогащенных условиях при соотношении потоков алюминия FAl и азота FN FAl/FN*=1.05 толщиной 1-2 мкм и активного слоя AlGaN, легированного Mg, в металл-обогащенном режиме с непрерывным изменением содержания алюминия в слое от 80 до 37% толщиной (90-160) нм при температуре (680-700)°С путем уменьшения потока алюминия в процессе роста при неизменном соотношении (FAl + FGa)/FN потоков металлов (FAl, FGa) и азота FN.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2781509C1 true RU2781509C1 (ru) | 2022-10-12 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2800395C1 (ru) * | 2022-12-21 | 2023-07-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Способ изготовления высокоточного транзистора с невплавными омическими контактами |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103346197A (zh) * | 2013-06-24 | 2013-10-09 | 华中科技大学 | 一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器及其制备方法 |
| RU164450U1 (ru) * | 2016-04-22 | 2016-08-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") | Фотодиод для ультрафиолетового сенсора |
| US20190013431A1 (en) * | 2017-03-03 | 2019-01-10 | Bolb Inc. | Photodetector |
| CN109346551A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-02-15 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种AlGaN基紫外探测器极其制作方法 |
| RU2719339C1 (ru) * | 2017-02-15 | 2020-04-17 | Соко Кагаку Ко., Лтд. | Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента и нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103346197A (zh) * | 2013-06-24 | 2013-10-09 | 华中科技大学 | 一种高响应度的AlGaN基量子阱红外探测器及其制备方法 |
| RU164450U1 (ru) * | 2016-04-22 | 2016-08-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") | Фотодиод для ультрафиолетового сенсора |
| RU2719339C1 (ru) * | 2017-02-15 | 2020-04-17 | Соко Кагаку Ко., Лтд. | Способ изготовления нитридного полупроводникового излучающего ультрафиолетовое излучение элемента и нитридный полупроводниковый излучающий ультрафиолетовое излучение элемент |
| US20190013431A1 (en) * | 2017-03-03 | 2019-01-10 | Bolb Inc. | Photodetector |
| CN109346551A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-02-15 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种AlGaN基紫外探测器极其制作方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2800395C1 (ru) * | 2022-12-21 | 2023-07-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Способ изготовления высокоточного транзистора с невплавными омическими контактами |
| RU2810724C1 (ru) * | 2023-03-06 | 2023-12-28 | Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Электрон" | Фотокатод на основе соединения AIIIBV |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5786606A (en) | Semiconductor light-emitting device | |
| US20190006558A1 (en) | Group iii nitride semiconductor light-emitting element and method of manufacturing same | |
| US6773946B2 (en) | Method for fabricating light-emitting diode using nanosize nitride semiconductor multiple quantum wells | |
| KR100988126B1 (ko) | 이온주입을 통한 질화물 반도체 형성 방법 및 이를 이용하여 제조한 발광다이오드 | |
| KR100884883B1 (ko) | 아연산화물 반도체 및 이를 제조하기 위한 방법 | |
| EP3425684B1 (en) | Vertical-type ultraviolet light-emitting diode | |
| JP4719689B2 (ja) | 窒化物半導体層を成長させる方法及びこれを利用する窒化物半導体発光素子 | |
| JP2004111848A (ja) | サファイア基板とそれを用いたエピタキシャル基板およびその製造方法 | |
| JP2020037507A (ja) | 窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板 | |
| RU2781509C1 (ru) | СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ AlGaN - ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ДЛЯ СОЛНЕЧНО-СЛЕПЫХ ФОТОКАТОДОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА | |
| CN110610849B (zh) | 一种InGaN半导体材料及其外延制备方法和应用 | |
| US20150255308A1 (en) | Stress modulation of semiconductor thin film | |
| Romanyuk et al. | Depth profiling of AlN and AlxGa1− xN crystals by XPS using Al Kα and Ag Lα line excitation and Ar ion gas cluster ion source | |
| JP2012256843A (ja) | 窒化物半導体素子、窒化物半導体ウェーハ及び窒化物半導体層の製造方法 | |
| JP4780757B2 (ja) | 亜鉛酸化物結晶の分子線エピタキシ（ｍｂｅ）成長装置及びそれを使用した製造方法 | |
| US9312436B2 (en) | Nitride semiconductor device, nitride semiconductor wafer, and method for manufacturing nitride semiconductor layer | |
| CN117561614A (zh) | 铝氮化物层的制造方法 | |
| Meisch et al. | Doping behavior of GaN grown on patterned sapphire substrates | |
| Aberl et al. | All epitaxial self-assembly of vertically-confined silicon color centers using ultra-low temperature epitaxy | |
| CN109326696A (zh) | 一种发光二极管的外延片的制备方法 | |
| Mintairov et al. | Optical properties of hybrid quantum-well–dots nanostructures grown by MOCVD | |
| JP2013026374A (ja) | 半導体素子及び半導体素子の製造方法 | |
| Dai et al. | The optical properties of 325 nm AlGaN grown by MBE | |
| KR100472260B1 (ko) | 질화갈륨 박막의 품질을 향상시키는 방법 | |
| Deng et al. | The Study on AlxGa1-xN Film Deposition by Radio Frequency Magnetron Sputtering |