RU2791961C1 - Method for manufacturing laser photoelectric converter - Google Patents

Method for manufacturing laser photoelectric converter Download PDF

Info

Publication number
RU2791961C1
RU2791961C1 RU2022115160A RU2022115160A RU2791961C1 RU 2791961 C1 RU2791961 C1 RU 2791961C1 RU 2022115160 A RU2022115160 A RU 2022115160A RU 2022115160 A RU2022115160 A RU 2022115160A RU 2791961 C1 RU2791961 C1 RU 2791961C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
inp
layer
ingaasp
substrate
temperature
Prior art date
Application number
RU2022115160A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Наталия Станиславовна Потапович
Владимир Петрович Хвостиков
Александра Вячеславовна Малевская
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2791961C1 publication Critical patent/RU2791961C1/en

Links

Abstract

FIELD: photoelectric laser radiation converters.
SUBSTANCE: method for manufacturing a photoelectric laser radiation converter includes growing an n-InGaAsP base layer, a p+-InGaAsP layer by liquid-phase epitaxy in a stream of purified hydrogen on an n-InP substrate, forming a diffusion p-n junction, thinning the InP substrate, forming front and rear ohmic contacts, etching of the separating mesa. In this case, undoped semiconductor materials InP, InAs, and GaAs are used as sources of components for the melt.
EFFECT: method makes it possible to obtain a gradient p-n junction with a controlled depth and doping profile in a single technological process with the growth of epitaxial layers of the heterostructure, which ensure the photosensitivity of the photoconverter in the wavelength range of 1.06-1.55 μm.
2 cl

Description

Изобретение относится к системам беспроводной передачи энергии, в частности, к способу изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования лазерного излучения в электрическую энергию.The invention relates to wireless power transmission systems, in particular, to a method for manufacturing photoelectric converters (PVC), and can be used in the electronics industry for converting laser radiation into electrical energy.

Системы передачи энергии по лазерному лучу на основе ФЭП монохроматического излучения с длиной волны λ=1.06-1.55 мкм являются весьма перспективными, за счет высокой эффективности. Перспективным материалом для создания ФЭП, работающих в указанном диапазоне длин волн, является гетероструктура InGaAs(P)/InP.Systems for energy transmission along a laser beam based on a solar cell of monochromatic radiation with a wavelength of λ=1.06-1.55 μm are very promising due to their high efficiency. A promising material for creating solar cells operating in the indicated wavelength range is the InGaAs(P)/InP heterostructure.

Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения (см. RU2318272, МПК H01L 31/18, опубликован 27.02.2008), заключающийся в том, что эпитаксиальную пластину n-InP/n-InGaAs/n+-InP покрывают пленкой нитрида кремния с фронтальной и тыльной стороны. Вскрывают окна под диффузию со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/n-InGaAs и формируют метки для дальнейшего совмещения рисунков фотошаблонов со стороны подложки n+-InP. В эпитаксиальных слоях n-InP/n-InGaAs формируют локальный p-n-переход диффузией кадмия. Пластину n-InP/InGaAs/n+-InP покрывают вторым слоем пленки нитрида кремния со стороны эпитаксиальных слоев n-InP/n-InGaAs, вскрывают контактные окна во втором слое пленки нитрида кремния и создают омические контакты золота с подслоем титана к р+-областям. В пленке нитрида кремния со стороны подложки n+-InP вскрывают окна под контакт к области n+-InP, при этом над областью р-n переходов остается пленка нитрида кремния, которая служит просветляющим покрытием. Напыляют золото с подслоем титана, так что образуется металлизация для контакта к подложке n+-InP, в пленке золота с подслоем титана вытравливают рисунок, который с одной стороны является контактным и обеспечивает омический контакт к подложке n+InP, а с другой стороны формирует диафрагму, ограничивающую область засветки только областью пространственного заряда многоэлементного фотоприемника.A known method of manufacturing a photoelectric converter of laser radiation (see RU2318272, IPC H01L 31/18, published February 27, 2008), which consists in the fact that the epitaxial plate n-InP/n-InGaAs/n + -InP is covered with a film of silicon nitride with a frontal and back side. The windows for diffusion are opened from the side of the n-InP/n-InGaAs epitaxial layers and marks are formed for further alignment of the photomask patterns from the side of the n + -InP substrate. In n-InP/n-InGaAs epitaxial layers, a local pn junction is formed by cadmium diffusion. The n-InP/InGaAs/n + -InP wafer is covered with a second layer of a silicon nitride film on the side of the n-InP/n-InGaAs epitaxial layers, contact windows are opened in the second layer of the silicon nitride film, and ohmic contacts of gold with a titanium sublayer are created to p + - regions. In the silicon nitride film, on the side of the n + -InP substrate, windows are opened under contact with the n + -InP region, while a silicon nitride film remains above the region of p-n junctions, which serves as an antireflection coating. Gold is deposited with a titanium sublayer, so that a metallization is formed for contact with the n + -InP substrate, a pattern is etched in the gold film with a titanium sublayer, which on the one hand is a contact and provides ohmic contact to the n + InP substrate, and on the other hand forms a diaphragm , limiting the area of illumination only by the area of the space charge of the multielement photodetector.

Недостатком известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения является сложность технологического маршрута при формировании р-n перехода методом диффузии через дополнительные маски, а также увеличение поверхностной рекомбинации и дефектов гетероструктуры.The disadvantage of the known method of manufacturing a photoelectric converter of laser radiation is the complexity of the technological route when forming a p-n junction by diffusion through additional masks, as well as an increase in surface recombination and heterostructure defects.

Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения (см. заявка WO2014027092, МПК H01L 31/054, опубл. 20.02.2014), включающий последовательное формирование методом газофазной эпитаксии на подложки InP брегговского отражателя, барьерного слоя, активной области, включающей n-легированный слой и р-легированный слой из InyGa1-yASxP1-xy, согласованный с подложкой по параметру решетки, при х=0.948, 0.957, 0.965, 0.968, 0.972 или 0.976 и у=0.557, 0.553, 0.549, 0.547, 0.545 или 0.544 соответственно, формирование широкозонного окна, антиотражающего покрытия. При этом в активной области осуществляется преобразование электромагнитного излучения с длиной волны 1.55 мкм.A known method of manufacturing a photoelectric converter of laser radiation (see application WO2014027092, IPC H01L 31/054, publ. 20.02.2014), including the sequential formation of a Bragg reflector, a barrier layer, an active region including an n-doped layer and p-doped In y Ga 1-y AS x P 1-xy layer, lattice-matched with the substrate, at x=0.948, 0.957, 0.965, 0.968, 0.972 or 0.976 and y=0.557, 0.553, 0.549, 0.547, 0.545 or 0.544, respectively, the formation of a wide-gap window, an antireflection coating. In this case, the conversion of electromagnetic radiation with a wavelength of 1.55 μm is carried out in the active region.

Недостатком известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения является дорогостоящий метод формирования гетероструктуры с использованием газо-фазной эпитаксии, при котором снижается кристаллографическое совершенство гетероструктуры. А также при эпитаксиальном росте гетероструктуры из газовой фазы используются токсичные компоненты, например, фосфин.The disadvantage of the known method of manufacturing a photoelectric converter of laser radiation is the expensive method of forming a heterostructure using gas-phase epitaxy, which reduces the crystallographic perfection of the heterostructure. Also, during the epitaxial growth of a heterostructure from the gas phase, toxic components are used, for example, phosphine.

Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения на основе эпитаксиальных структур InGaAs/InP (см. RU2530458, МПК H01L 31/18, опубл. 10.10.2014), состоящий в том, что множество одинаковых фотоэлектрически несвязанных p-i-n-областей в матрице фотодиодов формируют травлением эпитаксиальной структуры с p-i-n-переходом до подложки n+-InP. При этом множество одинаковых фотоэлектрически несвязанных p-i-n-областей на проводящем основании формируют ионным травлением ионами аргона с энергией 1 кэВ и плотностью тока 0.2 мА/см2 p-i-n-структуры p+-InGaAs, p-InP, n-InGaAs на подложке n+-InP до подложки n+-InP через маску фоторезиста и финишным химическим травлением.A known method of manufacturing a photoelectric converter of laser radiation based on epitaxial InGaAs/InP structures (see RU2530458, IPC H01L 31/18, publ. structures with a pin junction to the n + -InP substrate. In this case, a plurality of identical photoelectrically unconnected pin regions on a conductive base are formed by ion etching with argon ions with an energy of 1 keV and a current density of 0.2 mA/cm 2 of p + -InGaAs, p-InP, n-InGaAs pin structures on an n + -InP substrate to the n + -InP substrate through the photoresist mask and finishing chemical etching.

Недостатком известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения является использование дорогостоящего ионно-лучевого метода травления мезы, который приводит к формированию нарушенного слоя и к образованию дефектов структуры.A disadvantage of the known method for manufacturing a photoelectric laser radiation converter is the use of an expensive ion-beam mesa etching method, which leads to the formation of a damaged layer and to the formation of structural defects.

Известен способ изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения (см. US6821801, МПК H01L 21/00, опубл. 23.11.2004), включающий последовательное выращивание методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложке n-InP многослойной гетероструктуры активной области на основе InGaAlAs, слоя обкладки р-InP, слоя p-InGaAs, формирование мезы путем жидкостного химического травления, очистку боковой поверхности мезы газом, содержащем хлор или другие галогены, при этом активную область формируют с меньшим количеством кристаллических дефектов, низкой потребляемой мощностью и высокой надежностью при предотвращении торможения обратного роста активной области, возникающей при окислении Al, содержащегося в активной области. Преимуществом способа является меньшее энергопотребление и высокая надежность.A known method of manufacturing a photoelectric converter of laser radiation (see US6821801, IPC H01L 21/00, publ. 11/23/2004), including sequential growth by the method of gas-phase epitaxy from organometallic compounds on an n-InP substrate of a multilayer heterostructure of the active region based on InGaAlAs, a layer of lining p -InP, p-InGaAs layer, formation of mesa by liquid chemical etching, cleaning the side surface of the mesa with a gas containing chlorine or other halogens, while the active region is formed with fewer crystal defects, low power consumption and high reliability, while preventing inhibition of active backgrowth region resulting from the oxidation of Al contained in the active region. The advantage of the method is lower power consumption and high reliability.

Недостатком известного способа изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения является использование дорогостоящего метода выращивания гетероструктуры с помощью газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, при котором снижается кристаллографическое совершенство гетероструктуры, увеличивается токсичность технологического процесса.The disadvantage of the known method of manufacturing a photoelectric converter of laser radiation is the use of an expensive method of growing a heterostructure using gas-phase epitaxy from organometallic compounds, which reduces the crystallographic perfection of the heterostructure and increases the toxicity of the process.

Наиболее близким по технической сущности и по совокупности существенных признаков к настоящему техническому решению является способ изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения, принятый за прототип (см. Н.М. Вакив, С.И. Круковский, А.В. Сукач, В.В. Тетьоркин, И.А. Мрыхин, Ю.С. Михащук, Р.С. Крутовский «Свойства двойных гетеропереходов p+-InP/n-InGaAsP/n-InP, изготовленных методом жидкофазной эпитаксии», Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2012, №2). Способ-прототип включает выращивание методом жидкофазной эпитаксии в потоке очищенного водорода на подложке n-InP с ориентацией (100) базового слоя n-InGaAsP, при температуре начала эпитаксии 650°С, со скоростью охлаждения 0.8°С/мин, слоя p-InP (Zn), при температуре начала эпитаксии 680°С, со скоростью охлаждения 0.8°С/мин, формирование фронтального и тыльного омических контактов, травление разделительной мезы. При этом способ-прототип может включать выращивание дополнительного буферного слоя n-InP толщиной 1.5 мкм. Гетероструктуры выращивали методом жидкофазной эпитаксии четверных твердых растворов InGaAsP (Eg=1,17 эВ) толщиной 3-4 мкм на подложках InP. В эпитаксиальной структуре р+-InP/n-InGaAsP/n-InP р-n переход создавался за счет высоколегированного слоя фосфида индия и дополнительного буферного слоя, уменьшающего легирование слоя n-типа.The closest in technical essence and essential features to the present technical solution is a method for manufacturing a photoelectric converter of laser radiation, taken as a prototype (see N.M. Vakiv, S.I. Krukovsky, A.V. Sukach, V.V. Tetyorkin, I. A. Mrykhin, Y. S. Mikhashchuk, R. S. Krutovsky "Properties of p+-InP/n-InGaAsP/n-InP double heterojunctions fabricated by liquid-phase epitaxy", Technology and design in electronic equipment, 2012, No. 2). The prototype method includes growing by liquid-phase epitaxy in a stream of purified hydrogen on an n-InP substrate with (100) orientation of the n-InGaAsP base layer, at an epitaxy start temperature of 650°C, with a cooling rate of 0.8°C/min, a p-InP layer ( Zn), at an epitaxy start temperature of 680°С, with a cooling rate of 0.8°С/min, formation of front and rear ohmic contacts, etching of the separating mesa. While the prototype method may include growing an additional buffer layer of n-InP with a thickness of 1.5 μm. The heterostructures were grown by liquid-phase epitaxy of InGaAsP quaternary solid solutions (Eg = 1.17 eV) 3–4 µm thick on InP substrates. In the p+-InP/n-InGaAsP/n-InP epitaxial structure, the p-n junction was created by a heavily doped indium phosphide layer and an additional buffer layer, which reduces the doping of the n-type layer.

Недостатком известного способа-прототипа изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения является сложность контролирования и воспроизведения глубины р-n перехода за счет того, что диффузия цинка происходит во время эпитаксиального роста при достаточно высокой температуре (выше 680°С), и в качестве источника цинка использован достаточно толстый (более 1.5 мкм) и высоколегированный слой р+-InP (практически бесконечный источник акцепторной примеси), а также возможность появления дефектов рассогласования на металлургической границе при выращивании полупроводниковых слоев разного состава и возможности неконтролируемого проникновения цинка вглубь n-слоя за счет этого.The disadvantage of the known prototype method for manufacturing a photoelectric laser radiation converter is the difficulty of controlling and reproducing the depth of p-n transition due to the fact that zinc diffusion occurs during epitaxial growth at a sufficiently high temperature (above 680 ° C), and enough zinc is used as a source of zinc. a thick (more than 1.5 μm) and highly doped p + -InP layer (a practically infinite source of acceptor impurity), as well as the possibility of mismatch defects at the metallurgical boundary when growing semiconductor layers of different compositions and the possibility of uncontrolled penetration of zinc deep into the n-layer due to this.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления фотоэлектрического преобразователя на основе гетероструктуры InGaAsP/InP, который бы позволял получать градиентный р-n переход с контролируемой глубиной и профилем легирования в едином технологическом процессе с выращиванием эпитаксиальных слоев гетероструктуры, обеспечивающих фоточувствительность фотопреобразователя в диапазоне длин волн 1.06-1.55 мкм.The objective of the present invention is to develop a method for manufacturing a photoelectric converter based on the InGaAsP/InP heterostructure, which would make it possible to obtain a gradient p-n junction with a controlled depth and doping profile in a single technological process with the growth of epitaxial layers of the heterostructure, which ensure the photosensitivity of the photoconverter in the wavelength range 1.06- 1.55 µm.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения включает выращивание методом жидкофазной эпитаксии в потоке очищенного водорода на подложке n-InP с ориентацией (100) базового слоя n-InGaAsP при температуре (620-650)°С, формирование р-n перехода, утончение подложки, формирование фронтального и тыльного омических контактов и травление разделительной мезы. Новым является то, что базовый слой n-InGaAsP выращивают со скоростью охлаждения (0.2-0.3)°С/мин, на базовом слое выращивают слой p+-InGaAsP (Zn), при температуре (600-620)°С, со скоростью охлаждения (0.2-0.3)°С/мин, толщиной не более 0.5 мкм, формирование р-n перехода осуществляют диффузией Zn из слоя p+-InGaAsP (Zn) в базовый слой n-InGaAsP при температуре (500-550)°С в течении (5-20) минут, в качестве источников компонентов для расплава используют нелегированные полупроводниковые материалы In, InAs и GaAs, предварительно отожженные при температуре (700-720)°С в течение (1.5-2.0) часов, и n-InP легированный до уровня не менее (3-5)⋅1017 см-3.The problem is solved by the fact that the method of manufacturing a photoelectric laser radiation converter includes growing by liquid-phase epitaxy in a stream of purified hydrogen on an n-InP substrate with (100) orientation of the n-InGaAsP base layer at a temperature of (620-650) ° C, the formation of р-n transition, thinning of the substrate, formation of front and rear ohmic contacts, and etching of the separating mesa. What is new is that the n-InGaAsP base layer is grown at a cooling rate of (0.2-0.3)°C/min, a p + -InGaAsP (Zn) layer is grown on the base layer at a temperature of (600-620)°C, at a cooling rate (0.2-0.3)°С/min, with a thickness of not more than 0.5 μm, the formation of the p-n junction is carried out by Zn diffusion from the p + -InGaAsP (Zn) layer into the n-InGaAsP base layer at a temperature of (500-550)°С during (5-20) minutes, undoped semiconductor materials In, InAs and GaAs, pre-annealed at a temperature of (700-720) ° C for (1.5-2.0) hours, and n-InP doped to the level not less than (3-5)⋅10 17 cm -3 .

Может быть выращен дополнительный буферный слой n-InP толщиной (5-10) мкм из оловянно-индиевого расплава при скоростях охлаждения (0.3-0.5)°С/мин.An additional (5-10) µm thick n-InP buffer layer can be grown from a tin-indium melt at cooling rates of (0.3-0.5)°C/min.

Использование четверного твердого раствора InGaAsP толщиной до 0.5 мкм в качестве высоколегированного р+-слоя, играющего роль подконтакного слоя и широкозонного окна, снижение температуры и скорости роста высоколегированного р+-слоя позволяет избежать неконтролируемой диффузии легирующей примеси вглубь n-материала во время эпитаксии.The use of a quaternary InGaAsP solid solution up to 0.5 μm thick as a highly doped p + layer, which plays the role of a subcontact layer and a wide-gap window, and a decrease in the temperature and growth rate of the highly doped p + layer makes it possible to avoid uncontrolled diffusion of the dopant deep into the n-material during epitaxy.

Базовый слой n-InGaAsP является одновременно и буферным слоем, что ведет к упрощению технологического цикла выращивания гетероструктуры.The base layer of n-InGaAsP is simultaneously a buffer layer, which leads to a simplification of the technological cycle for growing a heterostructure.

Диффузия цинка происходит из ограниченного источника р+-слоя, после окончания эпитаксиального роста (после удаления подложки с растущим слоем из-под расплава). За счет этого диффузионный процесс происходит в едином технологическом процессе, но отдельно от роста р+-слоя при температуре от 500°С до 550°С. Вследствие чего появляется возможность прецизионно контролировать глубину залегания диффузионного слоя. Формирование диффузионного р-n перехода в процессе эпитаксии позволяет создавать плавный градиентный переход контролируемой глубины с увеличенным коэффициентом собирания за счет внутреннего тянущего поля и без введения дополнительного технологического этапа.Diffusion of zinc occurs from a limited source of the p + -layer, after the end of epitaxial growth (after removal of the substrate with the growing layer from under the melt). Due to this, the diffusion process occurs in a single technological process, but separately from the growth of the p + -layer at temperatures from 500°C to 550°C. As a result, it becomes possible to precisely control the depth of the diffusion layer. The formation of a diffusion p-n junction during epitaxy makes it possible to create a smooth gradient transition of a controlled depth with an increased collection coefficient due to an internal pulling field and without introducing an additional technological stage.

Эпитаксиальное выращивание дополнительного буферного слоя n-InP толщиной (5-10) мкм обеспечивает улучшение качества подложечного материала. При толщине менее 5 мкм снижается качество подложечного материала, толщина более 10 мкм технологически нецелесообразна. При скоростях охлаждения менее 0.3°С/мин и более 0.5°С/мин снижается качество слоя n-InP.Epitaxial growth of an additional n-InP buffer layer (5–10) µm thick improves the quality of the substrate material. At a thickness of less than 5 μm, the quality of the substrate material decreases; a thickness of more than 10 μm is technologically impractical. At cooling rates less than 0.3°С/min and more than 0.5°С/min, the quality of the n-InP layer decreases.

Эпитаксиальное выращивание базового слоя n-InGaAsP при температуре менее 620°С и более 650°С, со скоростью охлаждения менее 0.2°С/мин и более 0.3°С/мин ведет к снижению качества и изменению состава слоя.Epitaxial growth of the n-InGaAsP base layer at temperatures below 620°С and above 650°С, with a cooling rate of less than 0.2°С/min and more than 0.3°С/min, leads to a decrease in the quality and a change in the composition of the layer.

Эпитаксиальное выращивание слоя p+-InGaAsP (Zn) при температуре менее 600°С и более 620°С, со скоростью охлаждения менее 0.2°С/мин и более 0.3°С/мин ведет к снижению качества и изменению состава слоя.Epitaxial growth of a p + -InGaAsP (Zn) layer at temperatures below 600°С and above 620°С, with a cooling rate of less than 0.2°С/min and more than 0.3°С/min, leads to a decrease in the quality and a change in the composition of the layer.

Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения включает несколько стадий. Гетероструктуру InGaAsP/InP выращивают методом жидкофазной эпитаксии в атмосфере водорода в графитовой кассете слайдерного типа из расплава индия. В качестве подложки используют пластины InP n-типа проводимости с кристаллографической ориентацией рабочей поверхности (100). В качестве источников компонентов для расплава используют нелегированные полупроводниковые материалы InP, InAs и GaAs, которые предварительно отжигают в течение (1.5-2.0) часов без фосфора для лучшей очистки и гомогенизации компонентов. Непосредственно перед началом эпитаксиального процесса растворы-расплавы выращиваемых эпитаксиальных слоев и подложку выдерживают при температуре (680-700)°С в течение (40-60) минут в потоке очищенного водорода в графитовой кассете с повышенным содержанием паров фосфора. После этого в кассету загружают подготовленную подложку, а в расплав добавляют источник фосфора. Температура роста четверных InGaAsP твердых растворов варьируют в диапазоне от 600°С до 650°С. С целью предотвращения эрозии поверхности фосфида индия под воздействием высоких температур за счет испарения фосфора в эпитаксиальном процессе над подложкой создают избыточное давление паров фосфора. Для этого в кассете формируют дополнительную ячейку с расплавом олова и фосфидом индия, не контактирующую непосредственно с подложкой в процессе эпитаксии, но позволяющую парам фосфора поступать к ее поверхности. Кроме того, непосредственно перед началом наращивания слоев гетероструктуры, верхний слой (≤20 мкм) подложки InP травят в недосыщенном расплаве олова. Выращивание базового слоя n-InGaAsP проводят в диапазоне температур 620-650°С, со скоростью охлаждения 0.2-0.3°С/мин. Выращивание слоя p+-InGaAsP проводят в диапазоне температур (600-620)°С, со скоростью охлаждения (0.2-0.3)°С/мин. Проводят процесс диффузии в течении (5-20) минут, при этом происходит контролируемое формирование р-n перехода и смещение его от металлургической границы эпитаксиального роста. Далее проводят утончение подложки InP, формирование фронтального и тыльного омических контактов, создание разделительной мезы.The method for manufacturing a photoelectric laser radiation converter includes several stages. The InGaAsP/InP heterostructure is grown by liquid-phase epitaxy in a hydrogen atmosphere in a slider-type graphite cassette from an indium melt. As a substrate, InP wafers of n-type conductivity with a crystallographic orientation of the working surface (100) are used. Undoped semiconductor materials InP, InAs and GaAs are used as sources of components for the melt, which are preliminarily annealed for (1.5–2.0) hours without phosphorus for better purification and homogenization of the components. Immediately before the start of the epitaxial process, the melt solutions of the grown epitaxial layers and the substrate are kept at a temperature of (680-700)°C for (40-60) minutes in a stream of purified hydrogen in a graphite cassette with a high content of phosphorus vapor. After that, the prepared substrate is loaded into the cassette, and a source of phosphorus is added to the melt. The growth temperature of quaternary InGaAsP solid solutions varies from 600°С to 650°С. In order to prevent erosion of the surface of indium phosphide under the influence of high temperatures due to the evaporation of phosphorus in the epitaxial process, an excess pressure of phosphorus vapor is created above the substrate. To do this, an additional cell with tin melt and indium phosphide is formed in the cassette, which does not contact directly with the substrate during epitaxy, but allows phosphorus vapor to flow to its surface. In addition, immediately before the beginning of the growth of heterostructure layers, the upper layer (≤20 μm) of the InP substrate is etched in an undersaturated tin melt. The growth of the n-InGaAsP base layer is carried out in the temperature range of 620-650°C, with a cooling rate of 0.2-0.3°C/min. The p + -InGaAsP layer is grown in the temperature range (600-620)°C, with a cooling rate of (0.2-0.3)°C/min. The diffusion process is carried out for (5-20) minutes, while a controlled formation of the p-n junction and its displacement from the metallurgical boundary of epitaxial growth occurs. Next, the InP substrate is thinned, front and rear ohmic contacts are formed, and a separating mesa is created.

Пример 1. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь лазерного излучения в несколько стадий. Была выращена гетероструктура InGaAsP/InP методом жидкофазной эпитаксии в атмосфере водорода в графитовой кассете слайдерного типа из расплава индия. В качестве подложки была использована пластина InP n-типа проводимости с кристаллографической ориентацией рабочей поверхности (100). В качестве источников компонентов для расплава были использованы нелегированные полупроводниковые материалы InP, InAs и GaAs. Проводили отжиг полупроводниковых материалов в течении 1.5 часов без фосфора. Растворы-расплавы выращиваемых эпитаксиальных слоев и подложка были выдержаны при температуре 680°С в течение 40 минут в потоке очищенного водорода в графитовой кассете с повышенным содержанием паров фосфора. В кассету была загружена подготовленная подложка, в расплав добавлен источник фосфора. Верхний слой (15 мкм) подложки фосфида индия был стравлен в недонасыщенном расплаве олова. Выращен базовый слой n-InGaAsP при температуре 620°С, со скоростью охлаждения 0.3°С/мин, толщиной 3 мкм. Был выращен слой p+-InGaAsP при температуре 610°С, со скоростью охлаждения 0.3°С/мин толщиной 0.5 мкм. Был сформирован р-n переход путем проведения процесса диффузии в течение 5 мин. Далее выполнено утончение подложки InP методом жидкостного химического травления. Проведено формирование омического контакта n-типа проводимости на основе слоев Au(Ge)/Ni/Au и омического контакта р-типа проводимости на основе слоев Cr/Au. Сформирована разделительная меза методом жидкостного химического травления.Example 1 A photoelectric converter of laser radiation was manufactured in several stages. An InGaAsP/InP heterostructure was grown by liquid-phase epitaxy in a hydrogen atmosphere in a slider-type graphite cassette from an indium melt. An n-type InP plate with a crystallographic orientation of the working surface (100) was used as a substrate. Undoped semiconductor materials InP, InAs, and GaAs were used as sources of components for the melt. The semiconductor materials were annealed for 1.5 hours without phosphorus. The melt solutions of the grown epitaxial layers and the substrate were kept at a temperature of 680°C for 40 minutes in a stream of purified hydrogen in a graphite cassette with a high content of phosphorus vapor. A prepared substrate was loaded into the cassette, and a source of phosphorus was added to the melt. The top layer (15 μm) of the indium phosphide substrate was etched in an undersaturated tin melt. An n-InGaAsP base layer was grown at a temperature of 620°C, with a cooling rate of 0.3°C/min, and a thickness of 3 μm. A layer of p + -InGaAsP was grown at a temperature of 610°С, with a cooling rate of 0.3°С/min, with a thickness of 0.5 μm. The p-n junction was formed by carrying out the diffusion process for 5 min. Next, the InP substrate was thinned by liquid chemical etching. An ohmic contact of n-type conductivity based on Au(Ge)/Ni/Au layers and an ohmic contact of p-type conductivity based on Cr/Au layers have been formed. A separating mesa was formed by liquid chemical etching.

Пример 2. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь лазерного излучения способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Отжиг полупроводниковых материалов был проведен в течение 2 часов без фосфора. Растворы-расплавы выращиваемых эпитаксиальных слоев и подложка были выдержаны при температуре 700°С в течение 60 минут в потоке очищенного водорода в графитовой кассете с повышенным содержанием паров фосфора. Верхний слой (20 мкм) подложки InP стравлен в недонасыщенном расплаве олова. Был выращен базовый слой n-InGaAsP при температуре 650°С, со скоростью охлаждения 0.3°С/мин толщиной 5 мкм. Выращен слой p-InGaAsP при температуре 600°С, со скоростью охлаждения 0.2°С/мин толщиной 0.5 мкм. Сформирован р-n переход путем проведения процесса диффузии в течение 20 мин.Example 2 A photoelectric laser light converter was manufactured by the method described in Example 1, with the following differences. Annealing of semiconductor materials was carried out for 2 hours without phosphorus. The melt solutions of the grown epitaxial layers and the substrate were kept at a temperature of 700°C for 60 minutes in a stream of purified hydrogen in a graphite cassette with a high content of phosphorus vapor. The top layer (20 μm) of the InP substrate was etched in an undersaturated tin melt. A base layer of n-InGaAsP was grown at a temperature of 650°С, with a cooling rate of 0.3°С/min, with a thickness of 5 μm. A layer of p-InGaAsP was grown at a temperature of 600°С, with a cooling rate of 0.2°С/min, with a thickness of 0.5 μm. The p-n transition was formed by carrying out the diffusion process for 20 minutes.

Пример 3. Был изготовлен фотоэлектрический преобразователь лазерного излучения способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Отжиг полупроводниковых материалов был проведен в течении 1.7 часов без фосфора. Растворы-расплавы выращиваемых эпитаксиальных слоев и подложка были выдержаны при температуре 690°С в течение 50 минут в потоке очищенного водорода в графитовой кассете с повышенным содержанием паров фосфора. Верхний слой (10 мкм) подложки фосфида индия был стравлен в недонасыщенном расплаве олова. Был выращен базовый слой n-InGaAsP при температуре 630°С, со скоростью охлаждения 0.25°С/мин в течение 10 минут толщиной 4 мкм. Выращен слой p-InGaAsP при температуре 620°С, со скоростью охлаждения 0.25°С/мин толщиной 0.5 мкм. Был сформирован р-n переход путем проведения процесса диффузии в течении 15 мин.Example 3 A photoelectric laser light converter was manufactured by the method described in Example 1, with the following differences. Annealing of semiconductor materials was carried out for 1.7 hours without phosphorus. The melt solutions of the grown epitaxial layers and the substrate were kept at a temperature of 690°C for 50 minutes in a stream of purified hydrogen in a graphite cassette with a high content of phosphorus vapor. The top layer (10 μm) of the indium phosphide substrate was etched in an undersaturated tin melt. A base layer of n-InGaAsP was grown at a temperature of 630°C, with a cooling rate of 0.25°C/min for 10 minutes, with a thickness of 4 μm. A layer of p-InGaAsP was grown at a temperature of 620°С, with a cooling rate of 0.25°С/min, with a thickness of 0.5 μm. The p-n transition was formed by carrying out the diffusion process for 15 minutes.

Результатом технического решения стало изготовление фотоэлектрического преобразователя на основе гетероструктуры InGaAsP/InP с градиентным р-n переходом с контролируемой глубиной и профилем легирования, сформированном в едином технологическом процессе с выращиванием эпитаксиальных слоев гетероструктуры. Фоточувствительность изготовленных фотопреобразователей находится в диапазоне длин волн 1.06-1.55 мкм.The result of the technical solution was the manufacture of a photoelectric converter based on the InGaAsP/InP heterostructure with a gradient p-n junction with a controlled depth and doping profile, formed in a single technological process with the growth of epitaxial layers of the heterostructure. The photosensitivity of the manufactured photoconverters is in the wavelength range of 1.06-1.55 µm.

Claims (2)

1. Способ изготовления фотоэлектрического преобразователя лазерного излучения, включающий выращивание методом жидкофазной эпитаксии в потоке очищенного водорода на подложке n-InP с ориентацией (100) базового слоя n-InGaAsP при температуре 620-650°С, формирование р-n-перехода, утончение подложки, формирование фронтального и тыльного омических контактов и травление разделительной мезы, отличающийся тем, что базовый слой n-InGaAsP выращивают со скоростью охлаждения 0.2-0.3°С/мин, на базовом слое выращивают слой p+-InGaAsP (Zn), при температуре 600-620°С, со скоростью охлаждения 0.2-0.3°С/мин, толщиной не более 0.5 мкм, формирование р-n-перехода осуществляют диффузией Zn из слоя p+-InGaAsP (Zn) в базовый слой n-InGaAsP при температуре 500-550°С в течение 5-20 мин, а в качестве источников компонентов для расплава используют нелегированные In, InAs и GaAs, предварительно отожженные при температуре 700-720°С в течение 1.5-2.0 ч, и n-InP, легированный до уровня не менее 3-5⋅1017 см-3.1. A method for manufacturing a photoelectric laser radiation converter, including growing by liquid-phase epitaxy in a stream of purified hydrogen on an n-InP substrate with (100) orientation of the n-InGaAsP base layer at a temperature of 620-650°C, formation of a p-n junction, thinning of the substrate , the formation of front and rear ohmic contacts and etching of the separating mesa, characterized in that the base layer of n-InGaAsP is grown at a cooling rate of 0.2-0.3 ° C / min, a layer of p + -InGaAsP (Zn) is grown on the base layer, at a temperature of 600- 620°С, with a cooling rate of 0.2-0.3°С/min, with a thickness of not more than 0.5 μm, the p-n junction is formed by diffusion of Zn from the p + -InGaAsP (Zn) layer into the n-InGaAsP base layer at a temperature of 500-550 °C for 5–20 min, and undoped In, InAs, and GaAs, preliminarily annealed at a temperature of 700–720°C for 1.5–2.0 h, and n-InP doped to a level of at least 3-5⋅10 17 cm -3 . 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на подложке n-InP выращивают буферный слой n-InP толщиной 5-10 мкм из оловянно-индиевого расплава при скорости охлаждения 0.3-0.5°С/мин.2. Method according to claim 1, characterized in that a 5-10 µm thick n-InP buffer layer is grown on an n-InP substrate from a tin-indium melt at a cooling rate of 0.3-0.5°C/min.
RU2022115160A 2022-06-03 Method for manufacturing laser photoelectric converter RU2791961C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2791961C1 true RU2791961C1 (en) 2023-03-14

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2069028C1 (en) * 1994-03-21 1996-11-10 Валерий Игнатьевич Туринов Method for producing hybrid photodiode array around indium antimonide
RU170349U1 (en) * 2016-11-07 2017-04-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук GaAs-Based Photoconverter
WO2022035375A1 (en) * 2020-08-11 2022-02-17 Compoundtek Pte. Ltd. Semiconductor device and fabricating method therefor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2069028C1 (en) * 1994-03-21 1996-11-10 Валерий Игнатьевич Туринов Method for producing hybrid photodiode array around indium antimonide
RU170349U1 (en) * 2016-11-07 2017-04-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук GaAs-Based Photoconverter
WO2022035375A1 (en) * 2020-08-11 2022-02-17 Compoundtek Pte. Ltd. Semiconductor device and fabricating method therefor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5407491A (en) Tandem solar cell with improved tunnel junction
KR890004963B1 (en) Semiconductor optical detector
US5800630A (en) Tandem solar cell with indium phosphide tunnel junction
US9159853B2 (en) Group III-V compound semiconductor photo detector, method of fabricating group III-V compound semiconductor photo detector, photo detector, and epitaxial wafer
US7187013B2 (en) Avalanche photodiode
US5851310A (en) Strained quantum well photovoltaic energy converter
US4258375A (en) Gax In1-x Asy P1-y /InP Avalanche photodiode and method for its fabrication
JP2760596B2 (en) Semiconductor device having waveguide structure and method of manufacturing the same
Sodabanlu et al. High-Speed MOVPE growth of InGaP solar cells
US4839714A (en) High-gain photodetectors made from NIPI mesas with selective lateral contacts
RU2791961C1 (en) Method for manufacturing laser photoelectric converter
JPH0964386A (en) Multijunction solar cell
Arya et al. Efficient cadmium sulfide on silicon solar cells
JP3250425B2 (en) Compound semiconductor wafer and solar cell
RU2605839C2 (en) Photoelectric converter
JPH08274358A (en) Iii-v compound semiconductor solar cell
KR20050027751A (en) Photo-diode and method for fabricating the same
EP0516162A1 (en) Semiconductor light emitting device
JPH08204215A (en) Series connected solar cell
KR101892279B1 (en) Compound semiconductor solar cel and method for manufacturing the same
Capasso et al. InGaAsP/InGaAs heterojunction pin detectors with low dark current and small capacitance for 1.3–1.6 μm fibre optic systems
Gorelenok et al. Rare-earth elements in the technology of III–V compounds and devices based on these compounds
JPH0834338B2 (en) Semiconductor laser
Choi et al. P/N InP homojunction solar cells by LPE and MOCVD techniques
JPH0955522A (en) Tunnel diode