Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструкции гетероэпитаксиальной структуры. Сущность изобретения: полупроводниковая гетероэпитаксильная структура расположена на полупроводниковой монокристаллической подложке с гетероэпитаксиальным слоем n-типа и нарушенным слоем на границе раздела. Гетероэпитаксиальный слой содержит n+ -слоя, причем первый с толщиной, равной толщине нарушенного слоя, расположен на границе раздела с подложкой, а второй выполнен туннельно-непрозрачным для неосновных носителей и размещен на расстоянии, большем удвоенной длины экранирования Дебая от первого. Гетероэпитаксиальный слой дополнительно содержит сильно легированный p+ -слой толщиной, большей удвоенной длины экранирования Дебая, расположенный между первым и вторым сильно легированными слоями. 2 ил.
Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструкции полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры.
Известны полупроводниковые гетероэпитаксиальные структуры (ПГС), например Si (сапфир, Si/CaР
2/Si, InAs/GaAs, InSb/GaAs, GaAs/Si, которые используются для создания ИС.
Недостатком известных структур является малое время жизни неосновных носителей
PN, которое определяется высокой плотностью дислокаций несоответствия (ДН) и других структурных дефектов
PN= N
D-1 [c] (1) где N
D плотность дислокаций несоответствия в [см
-2] Плотность N
Dдостигает на границе раздела (ГР) значений 10
12 см
-2, соответственно
PN
10
-12c С удалением от границы раздела N
D уменьшается по гипеpболическому закону.
Малое время жизни
PN делает невозможным создание биполярных и других приборов, работающих на неосновных носителях в гетероэпитаксиальных структурах. В монокристаллических полупроводниках при отсутствии высокой плотности структурных дефектов обратный ток p=n-перехода определяется выражением
S
W +
V, (2) где
V=en
i2L
p/N
D
p (3) величина диффузионного тока, определяемая концентрацией и временем жизни
p неосновных носителей в электронейтральной области n/n, а
W= en
i
W/
g (4) генерационный ток дырок в области пространственного заряда (ОПЗ);
g и
p генерационное и время жизни соответственно. В модели Шокли-Рида
g
p [1] Для большинства монокристаллических полупроводников
p 
10
-6c. В гетероэпитаксиальной пленке полупроводника на границе раздела с подложкой идет мощная генерация неосновных носителей на дефектах (генерационных уровнях, создаваемых этими дефектами), откуда они диффундируют к поверхности пленки, где формируется прибор. Приповерхностную область с относительно низкой плотностью дефектов будем называть активной областью.
Таким образом, для учета составляющей генерационного тока, возникающей за счет диффузии дырок от границы раздела, необходимо в выражение (2) добавить член
VW=(en
i2L
p/N
d
PN)exp(-d/L
p), (5) учитывающий образование дырок у ГР с временем жизни
PN и их диффузию к активной области, где L
p диффузионная длина (обычно L
p=10-20 мкм); d толщина эпитаксиальной пленки за вычетом толщины активного слоя.
Таким образом, ток через p-n-переход в гетероструктуре можно записать в виде
S=
W+
V+
VW. (6) Видно, что при
p >>
pN величина обратного тока
S за счет последнего члена возрастает примерно в 10
6 раз. Из формулы (6) следует, что величина обратного тока фактически определяется временем жизни дефектной области у ГР. Таким образом, время жизни в активной области гетероструктуры будет в 10
6 раз ниже по сравнению с бездислокационным материалом, соответственно в 10
6 раз возрастает обратный ток через p-n-переход, на несколько порядков снижаются характеристики всех видов приборов, работающих на неосновных носителях.
Наиболее близкой к предлагаемой является полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура, включающая подложку из арсенида галлия n-типа и размещенный на ней слой арсенида индия n-типа [2] Недостатком известной полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры является интенсивная генерация неосновных носителей в нарушенном слое на границе раздела с подложкой, следствием чего является низкое значение времени жизни в активном слое.
Технический результат изобретения достижение высоких значений времени жизни в активной области полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры при высоких рабочих температурах.
Этот результат достигается тем, что полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура, включающая подложку из арсенида галлия n-типа и размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой арсенида индия n-типа, содержит дополнительно два сильно легированных n
+-слоя: первый с толщиной, равной толщине нарушенного слоя, расположен на границе раздела с подложкой, второй выполнен туннельно непрозрачным для неосновных носителей дырок и размещен на расстоянии, большем удвоенной длины экранирования Дебая от первого, в промежутке между первым и вторым n
+-слоями сформирован p
+-слой.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что гетероэпитаксиальная структура с высоким временем жизни содержит дополнительно три сильно легированных слоя n
+-p
+-n
+. Таким образом, предлагаемая структура соответствует критерию "новизна".
На фиг.1 и 2 представлены поперечное сечение гетероэпитаксиальной структуры и ее зонная диаграмма соответственно.
На монокристаллической подложке 1 последовательно расположены n
+-слой 2 толщиной d
1, слой p
+-полупроводника 3 толщиной d
2, второй n
+-слой 4 толщиной d
3 и активный слой 5.
На фиг. 2 изображена зонная диаграмма гетероэпитаксиальной стpуктуры с сильно легированными слоями и показаны Е
с, Е
v, E
f, E
g дно зоны проводимости, потолок валентной зоны, уровень Ферми и ширина запрещенной зоны соответственно, а также

- величина потенциального барьера для дырок.
Полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура работает следующим образом.
Дырки, возникающие вблизи границы раздела пленка-подложка и диффундирующие к активной области гетероэпитаксиального слоя, будут интенсивно рекомбинировать за счет высокой концентрации электронов в первом n
+-слое, толщина которого выбирается равной толщине нарушенного слоя, которая является областью с высокой плотностью дислокаций несоответствия N
D. Плотность N
D на границе раздела достигает значений N
D=10
12 см
-2 для гетеросистемы InAs/GaAs, быстро уменьшается с ростом толщины до N
D=10
8 см
-2, а затем плавно уменьшается с толщиной по гиперболическому закону. При достаточном (3-5 мкм) удавлении от границы раздела N
D уменьшается настолько, что
PN=N
D-1 становится равным времени жизни слиточного бездислокационного материала. Это происходит при толщинах 3-5 мкм.
Область Р
+ служит для стока генерированных в дефектном слое дырок. Собственная концентрация дырок в этой области определяется степенью легирования и составляет обычно примерно 10
18 см
-3, что существенно превышает концентрацию дырок, попадающих из дефектной области за счет генерации. Поэтому концентрация дырок во втором n
+-слое 5 будет определяться величиной потенциального барьера

Е
g+

гдe

величина барьера, определяемая сдвигом Мосс-Бурштейна.
Для InAs при Т=300 К E
g 
0,4 эВ

0,1 эВ, соответственно

0,5 эВ и концентрация дырок в области 4 равна P(4)=P
+exp(-

/kT)

10
9 см
-3 (7) Это меньше, чем собственная концентрация неосновных носителей в InAs при Т=300 К.
Толщина p
+-слоя и второго n
+-слоя выбирается одинаковой и равной удвоенной длине дебаевского экранирования. При меньших толщинах глубина потенциальной ямы p
+-области и потенциального барьера

второй n
+-области уменьшаются за счет экранирования свободными носителями. Большие толщины неэффективны из соображений экономичности.
Предлагаемая конструкция обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом.
За счет наличия потенциальных барьеров, образованных сильно легированными слоями n
+-p
+-n
+ в активном слое, где могут быть сформированы любые приборы, работающие на неосновных носителях заряда, их время жизни не ниже, чем в слиточном материале.
Поскольку собственная концентрация дырок в активной области растет как p
i 
e

с ростом температуры, а заброс дырок из области 3 в область 4 определяется выражением (7): P(4)

то очевидно, что концентрация неосновных носителей в активном слое будет определяться в первую очередь собственной концентрацией Р
i.
Наличие первого n
+-слоя приводит к снижению контактного сопротивления и снижает поглощение излучения (при формировании ФПУ с засветкой через подложку).
Наличие второго n
+-слоя в совокупности с Р
+-областью приводит к низкому значению сопротивления тройного n
+-p
+-n
+- слоя за счет образования резких туннельных переходов n
+-p
+ и p
+-n
+, включенных последовательно навстречу друг другу.
Поскольку уравнения, описывающие генерационно-рекомбинационные процессы и диффузионные процессы, одинаковы для всех типов полупроводников, а дислокации несоответствия возникают во всех без исключения гетероэпитаксиальных пленках, у которых имеется рассогласование постоянных решеток пленки и подложки, то указанная конструкция обеспечивает увеличение времени жизни в активном слое во всех полупроводниковых пленках на любых подложках.
В качестве примера использования различных гетероэпитаксиальных пленок типа Si/CaF
2/Si, InAs/GaAs, InSb/GaAs, GaAs/Si можно рассмотреть первый случай: Si/CaF
2/Si. Расчеты по формуле (7) показывают высокую эффективность использования слоев n
+-p
+-n
+ для увеличения времени жизни в активном слое эпитаксиальной пленки Si на буферном слое CaF
2.
Действительно, как и в других гетероэпитаксиальных пленках, в слоях Si, выращенных на диэлектрическом буферном слое CaF
2, плотность дислокаций соответствия и других структурных дефектов быстро снижается с ростом толщины пленки Si. Создавая понтенциальный барьер

для неосновных носителей на расстоянии, от границы раздела, равном толщине дефектного слоя, получим в активном слое кремния концентрацию неосновных носителей, равную
P
n 
P
+exp(-

/kT),

E
g+

В то же время концентрация неосновных носителей, обусловленная тепловой генерацией в самом активном слое Si, будет существенно выше и будет более быстро расти с температурой
P
i 
N
cN
v.exp(-E
g/2kT).
Таким образом, предлагаемая конструкция гетероэпитаксиальной структуры позволяет достигнуть времени жизни в активном слое, равного времени жизни в бездефектном (слиточном) материале.
Это утверждение справедливо не только для арсенида индия, кремния или арседина галлия но и для любого другого полупроводникового материала (слоя), осажденного на любую монокристаллическую подложку из полупроводника (Si, GaAs, CdTe) или диэлектрика (CaF
2, BaF
2, SrF
2, сапфир) или на любую другую гетероэпитаксиальную структуру типа СаF
2/Si, BaF
2/CaF
2/Si или другие. Поэтому формуле изобретения в качестве подложки указан монокристаллический материал, на котором возможна гетероэпитаксия, а в качестве пленки полупроводниковая пленка.
Формула изобретения
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА С ВЫСОКИМ ВРЕМЕНЕМ ЖИЗНИ, включающая монокристаллическую подложку, размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой и полупроводникового материала n-типа с нарушенным слоем на границе раздела с подложкой, отличающаяся тем, что гетероэпитаксиальный слой дополнительно содержит два сильно легированных n
+-слоя, первый толщиной, равной толщине нарушенного слоя, расположен на границе раздела с подложкой, второй выполнен туннельно-непрозрачным для неосновных носителей дырок и размещен на расстоянии от первого, большем удвоенной длины экранирования Дебая, а в промежутке между первым и вторым n
+-слоями расположен p
+-слой.
РИСУНКИ
Рисунок 1,
Рисунок 2