Способ получения гетероструктур на основе полупроводниковых соединений

 

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано для создания оптоэлектронных приборов, работающих в спектральном диапазоне 0,59-0,87 мкм. Изобретение обеспечивает повышение качества гетерограницы, расширение спектрального диапазона материала от 0,59 до 0,87 мкм и получение однородного по составу эпитаксиального слоя. Способ включает осаждение эпитаксиального слоя на подложку GaAs из раствора-расплава с подпиткой его из кристалла-источника, следующего состава ,ат. %: Аl - 1,0-17,0, Р - 0,5-41,0, As - 9,0- 49,5, Ga - остальное. Состав раствора-расплава, ат. %: Al - 0,0019 -0,0560; P-0,0130-2,0500; As - 3,580-22,300; In - 0,8660-92,4065; Ga - остальное. Процесс ведут в поле с температурным градиентом между источником и подложкой. Получены слои толщиной 62-96 мкм однородные по составу. 2 табл.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано для создания оптоэлектронных приборов, работающих в спектральном диапазоне 0,59-0,87 мкм.

В современной технологии жидкофазного эпитаксиального (ЖФЭ) получения полупроводниковых материалов в основном используются трех- или четырехкомпонентные твердые растворы, которые обеспечивают только совпадения параметров решетки с бинарной подложной для определенного спектрального диапазона.

Известен способ выращивания полупроводниковых четырех- или пятикомпонентных сплавов [1] решетка которых совпадает с решеткой подложки, молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ). Однако существующий способ является в настоящее время довольно дорогостоящим, а также этим способом невозможно получать толстые, более 100 мкм, эпитаксиальные слои, однородные по составу.

Известен способ получения эпитаксиальных структур на основе твердых растворов Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y методом жидкостной эпитаксии [2] взятый за прототип, где в исходную жидкую фазу, состоящую из компонентов Al, Ga, As и Sb добавляют пятый компонент In для предотвращения подтравливания подложки и улучшения качества слоя. В конечном счете получают четырехкомпонентный твердый раствор Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y изовалентно легированный индием. Поэтому этим способом все же не удается получить полностью согласованный по параметру решетки и КТР эпитаксиальный слой с подложкой, значительно расширить спектральный диапазон материала и получить однородный по толщине слоя полупроводник. Известные способы ЖФЭ не позволят принципиально обеспечить строгое согласование параметра решетки и KТP подложки и эпитаксиального слоя по всему его объему, что и сказывается на характеристиках изготовляемых приборов.

Целью изобретения является повышение качества гетерограницы, расширение ее спектрального диапазона от 0,59 до 0,87 мкм и улучшения однородности эпитаксиального слоя.

Поставленная цель достигается тем, что в кристалл источник вводят дополнительно Al и Р и его компоненты берут в следующем соотношении, ат.

Аl 1,0-17,0 Р 0,5-41,0 As 9,0-49,5 Ga остальное, а компоненты раствора-расплава берут в следующем соотношении, ат.

Al 0,0019-0,0560 Р 0,0130-2,0500 As 3,5000-22,3000 In 0,8660-92,4065 Ga остальное, что позволяет избежать дефекты между пятикомпонентным твердым раствором и подложкой, улучшает качество гетероструктуры.

Использование многокомпонентного кристалла-источника, содержащего элементы с коэффициентом распределения больше I, позволяет получать однородные по составу и физико-химическим свойствам полупроводниковые материалы толщиной более 100 мкм. Процесс роста эпитаксиального слоя проводят в поле температурного градиента, где подложка GaAs имеет температуру меньше, чем кристалл-источник.

Пример 1. В кассету кругового типа помещают сэндвич, состоящий из подложки GaAs (n-типа 2^oC3 10¹⁷ см^-3) диаметром 30 мм, ориентации 100, полированные и очищенные по стандартной методике, и поликристаллического источника Al_0,25Ga_0,75P_0,82As_0,18. Расстояние между подложкой и источником выставляют графитовыми кольцами толщиной L 300 мкм. Для получения раствора-расплава в отдельную ячейку кассеты загружают исходные компоненты, ат. алюминий 0,0019; галлий 1,6500; индий 78,2981; фосфор 2,0500; мышьяк 18,0000. Эту кассету помещают в печь, создающую плоскооднородное поле температурного градиента. Камеру откачивают до давления 110^-3мм рт. ст. затем заполняют очищенным водородом до давления 0,4 атм. Температуру в печи поднимают до 865^oС, и гомогенизированный расплав продавливают через сэндвич. Процесс выращивания эпитаксиального слоя проводят в течение 2-х часов в градиенте температур 80 град/см. В результате получается эпитаксиальный слой h 96 мкм, состав которого соответствует ат. алюминий 12,5; галлий 17,6; индий 20,0; фосфор 41,0; мышьяк 9,0; соответствующий минимальной длине волны = 0,59 мкм..

Пример 2. В ту же кассету помещают аналогичней сэндвич, но с другим составом кристалла-источника Al_0,15Ga_0,85P_0,21As_0,79.

Толщина жидкой зоны также бралась l 300 мкм, но в ячейку кассеты загружалась шихта следующего состава, ат. алюминий 0,0034; галлий 13,5000; индий 71,1766; фосфор 0,1200; мышьяк 14,6000. Температурно-временной режим соответствовал рассмотренному в первом примере. В результате получается эпитаксиальный слой толщиной h 78 мкм, состав которого имел следующее значение ат. алюминий 7,5; галлий 37,5; индий 5,0; фосфор 10,5; мышьяк 39,5; соответствующий среднему значению длины волны = 0,73 мкм..

Пример 3. В этом случае применялась та же технология получения многокомпонентных твердых растворов, что описано выше. Только использовался кристалл-источник Al_0,02Ga_0,98P_0,02As_0,98 а для получения раствора-расплава использовались следующие компоненты; ат. алюминий 0,0200; галлий 95,6000; индий 0,8660; фосфор 0,0140; мышьяк 3,5000. В результате был получен эпитаксиальный слой толщиной h 62 мим следующего состава, ат. алюминий 1,0; галлий 48,9; индий 0,1; фосфор 1,0; мышьяк 49,0. В этом случае длина волны соответствовала максимальному значению = 0,87 мкм..

В табл. 1 представлен количественный состав раствора-расплава и полученного из него эпитаксиального слоя, согласно примерам 1-3, а также для промежуточных составов.

Спектральный диапазон оптических свойств слоев различного состава, полученных из растворов-расплавов, представлены в табл.2. Данные, отраженные в табл. показывают, что полученные слои полупроводникового материала позволяют расширить спектральный диапазон от 0,59 до 0,87 мкм.

Исследования состава эпитаксиального слоя Al_xGa_yIn_1-x-yPzAs_1-z показали, что в случае подпитки его из кристалла-источника получались слои с однородным распределением компонентов по толщине от 5 до 96 мкм (см. табл. 2). Плотность дислокаций в таких слоях коррелирует с составом соответствующих трех- и четырехкомпонентных полупроводников (см. табл. 2). Рентгеноструктурные и люминесцентные исследования пятикомпонентных эпитаксиальных слоев показали улучшение структурного совершенства гетерограницы по сравнению с четырехкомпонентным твердым раствором (см. табл. 2 полуширина дифракционного максимума, механические напряжения, полуширина краевой полосы излучения).

Формула изобретения

Способ получения гетероструктур на основе полупроводниковых соединений A^IIIB^V путем осаждения эпитаксиального слоя на подложку GaAs из раствора расплава, содержащего Аl, Ga, As, Zn и Р, с подпиткой его из кристалла-источника, содержащего Ga и A, отличающийся тем, что, с целью повышения качества гетерограницы, улучшения однородности эпитаксиального слоя и расширения спектрального диапазона гетерограницы от 0,59 до 0,87 мкм, в кристалл-источник вводят дополнительно Al и Р и его компоненты берут в следующем соотношении, ат. Аl 1 17; Р 0,5 41,0; As 9,0 49,5; Ga остальное, а компоненты раствора-расплава берут в следующем соотношении, ат. А1 0,0019 0,0560; Р 0,0130 2,0500; As 3,500 22,3000; Zn 0,8660 - 92,4065; Ga остальное.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2