Способ изготовления полупроводниковых структур на основе соединений aiii и bv методом жидкофазной эпитаксии

Способ изготовления полупроводниковых структур на основе соединений aiii и bv методом жидкофазной эпитаксии

Реферат

 

Использование: в процессах изготовления приборов опто- или микроэлектроники, лазаров, фотоприемников, светодиодов, солнечных элементов. Сущность изобретения: в качестве легирующей примеси используют соединения типа A^IIB^V₂ или A^I₃^IB^V₂ для выращивания слоя p-типа проводимости и A^I₂^IIB^V₃^I для выращивания слоя n-типа проводимости, при этом состав жидкой фазы формируют с учетом веса легирующих элементов, а также элементов A^III и B^V, входящих в указанные выше соединения. 2 табл.

Изобретение относится к технологии создания приборов для полупроводниковой оптоэлектроники и микроэлектроники, а также дискретных приборов" лазеров, фотоприемников, светодиодов, солнечных элементов и т.д.

Известен способ получения изопериодических слоев в системе GaInAsP/I и Р путем жидкофазной эпитаксии при легировании магнием (Mg), кадмием (Cd) до концентраций дырок порядка 5 10¹⁸ см^-3 [1]. Указанные легирующие примеси Mg и Cd использовались вместо Zn, который обладает высокой упругостью пара и малым коэффициентом диффузии.

Недостатком данного способа является невозможность получения концентрации р-типа проводимости даже порядка 10¹⁷ см^-3 с использованием Сd при температурах выше 670^оС, так как давление паров Cd на порядок выше давления паров Zn. Кроме того, при легировании магнием в расплаве образуется окисный слой, который является причиной полного смачивания поверхности подложки в процессе надвига расплава на последнюю, что приводит к ухудшению морфологии эпитаксиального слоя. Введение в расплав в качестве геттера кислорода редкоземельных элементов (РЗЭ) - иттербия, диспрозия, гадолиния и др. приводит вследствие вхождения РЗЭ в растущий слой к рассогласованию параметров решетки в контактирующих эпитаксиальных слоях.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ изготовления полупроводниковых структур на основе соединений типа A^IIIB^V методом жидкофазной эпитаксии, включающий отжиг раствора-расплава, введение в него легирующей примеси Zn, создание пересыщения и выращивание эпитаксиального слоя [2].

При температуре плавления растворителя Zn легко покидает расплав, при этом пары Zn легируют соседние жидкие фазы, а навеска Zn теряет свой вес.

Техническим результатом изобретения является снижение упругости паров легирующего элемента.

Технический результат достигается тем, что в качестве легирующей примеси используют соединения A^IIB₂^V и A₃^IIB₂^V для выращивания слоя р-типа проводимости и A₂^IIIB₃^VI для выращивания слоя n-типа проводимости, при этом состав жидкой фазы формируют с предварительным учетом веса легирующих элементов A^III и B^V, входящих в соединения A^IIB₂^V(A₃^IIB₂^V) и A₂^IIIB₃^VI.

Сущность изобретения поясняется следующим.

Вместо летучих химических элементов цинка, теллура, серы, селена в изобретении используют соединения типа A^IIB₂^V, (ZnP₂, ZnAs₂), A₃^IIB₂^V, (ZnP₂, Zn₃As₂), как акцепторную примесь, и A₂^IIIB₃^VI (Ga₂Te₃, Ga₂S₃, Ga₂Se₃), как донорную примесь. Указанные полупроводниковые соединения тугоплавки (см. табл.1), они помещаются в раствор-расплав после его предварительной гомогенизации: с ростом температуры соединения постепенно растворяются в расплаве, что позволяет точно контролировать содержание примеси в жидкой фазе и, как следствие этого, устраняется легирование других растворов-расплавов через паровую фазу. Кроме того, указанные соединения можно вводить путем сбрасывания из специального контейнера в жидкую фазу непосредственно за 5-10 мин перед процессом наращивания эпитаксиального слоя. Оба варианта легирования дают одинаково хорошие результаты, что приводит к увеличению выхода годных структур.

П р и м е р 1. По предложенному способу в кассете пенального типа формируют раствор-расплав по навескам, представленным в табл.2 (1), но без легирующих примесей при температуре 764^оС в течение 30 мин в атмосфере водорода с точкой росы не выше - 70^оС. Затем систему охлаждают до комнатной температуры, после отжига в кассету помещают подложку арсенида галлия (GaAs), в растворы-расплавы вводят легирующие примеси Ga₂Te₃ и ZnP₂, включают продувку водорода и через 30 мин реактор вдвигают в печь с температурой 764^оС, через 20 мин система достигает заданной температуры и включают систему охлаждения. По достижении Т = 750^оС подложку подвигают под первый раствор-расплав и выращивают первый эмиттерный слой (Э₁) n-типа, затем подложку по очереди перемещают под четырьмя нелегированными расплавами и одним легированным расплавом. Из шестого раствора выращивают эмиттерный слой (Э₂) р-типа. Выращивание слоев проводят из пересыщенных жидких фаз. На выращенных структурах определялись концентрации электронов и дырок соответственно Э₁ и Э₂ методом Ван-дер-Пау. После формирования металлизированных контактов определялось удельное сопротивление. Из полученных структур изготавливались лазерные диоды. На электронном микроскопе определялось положение р-n-перехода. Все полученные данные приведены в табл.2 (1). Положение р-n-перехода находится в дополнительном слое справа от границы с волноводом на 0,1 мкм.

П р и м е р 2. Выращивание структур проводят так же, как и в примере 1, но вместо ZnP₂ вводят Zn = 0,6 мг (табл.2, 2). Положение р-n-перехода проникает в активную область гетероструктуры.

П р и м е р 3. Выращивание структур проводят так же, как и в примере 2, только навеску цинка в расплав вводят в количестве 0,3 мг. Положение р-n-перехода еще находится в волноводе, но N_Э2 концентрация легирующей примеси во втором эмиттере падает с 5 10¹⁷ до 2 10¹⁷ см^-3 (табл.2, 3).

П р и м е р 4. Выращивание структур проводят так же, как и в примере 1, но ZnP₂ = 1,2 мг вводят в раствор-расплав путем сбрасывания из специального контейнера за 10 мин до выращивания р-слоя. Положение р-n-перехода так же, как и в примере 1, находится в заданном месте стоп-слоя (табл.2, 4).

П р и м е р 5. Выращивание структур проводят в таких же технологических условиях, как и в примере 1, но выращивают один нелегированный эпитаксиальный слой Ga_0,5In_0,5P (табл.2, 5) и методом фотолюминесценции (ФЛ) определяют интенсивность и полуширину краевой полосы излучения Ga_0,5In_0,5P. О том, что выращен высококачественный эпитаксиальный материал, можно судить по интенсивности и по форме спектра. Затем в кассету рядом с нелегированным рабочим расплавом помещали расплав, легированный цинком (Zn = 0,5 мг). По спектру ФЛ видно, что интенсивность краевой полосы уменьшилась, а полуширина спектра увеличилась, т.е. легирование эпитаксиального слоя идет через паровую фазу. В следующем эксперименте рядом с нелегированным расплавом помещают расплав, легированный ZnP₂ (вес 1,2 мг). По спектру ФЛ он не отличается.

П р и м е р 6. Выращивание структуры проводят так же, как и в примере 5, только в жидкую фазу добавляют 0,5 мг Zn и выращивают эпитаксиальный слой. В спектре образца р-типа наблюдается одна полоса, положение максимума которой сдвинуто на 15 мэВ в длинноволновую сторону по сравнению с полосой ФЛ нелегированного образца.

Таким образом, на основании выше приведенных примеров можно сказать, что использование соединений A^IIB₂^V, A₃^IIB₂^V и A₂^IIB₃^VI для легирования полупроводниковых структур вместо элементарных легирующих материалов, например цинка и теллура, существенно упрощает технологию выращивания структур с заданным положением p-n-перехода. Данное обстоятельство приводит при всех прочих равных технологических условиях к уменьшению пороговой плотности тока и возрастанию дифференциальной квантовой эффективности в гетеролазерах, что ведет к увеличению процента выхода годных приборов в 1,5-2 раза.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ A^III B^V МЕТОДОМ ЖИДКОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ, включающий отжиг раствора-расплава, введение в него легирующей примеси, создание пересыщения и выращивание эпитаксиального слоя, отличающийся тем, что в качестве легирующей примеси используют соединения типа A^IIB^V₂ или A^I₃^IB^V₂ для выращивания слоев p-типа проводимости и A^I₂^IIB^V₃^I для выращивания слоя n-типа проводимости, при этом состав жидкой фазы формируют с предварительным учетом массы легирующих элементов и элементов А^III и В^V, входящих в соединения A^IIB^V₂, A^I₃^IB^V₂ и A^I₂^IIB^V₂^I.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2