Способ регулирования концентрации носителей заряда в эпитаксиальных слоях pb1-xsnxse
Номер патента: 9720
Опубликовано: 28.02.2008
Авторы: Енукашвили Мери Ильинична, Алиев Вугар Амирович, Даварашвили Омар Ильич, Пашаев Ариф Мирджалалович, Зломанов Владимир Павлович
Формула / Реферат
1. Способ регулирования концентрации носителей заряда в эпитаксиальных слоях Pb1-xSnxSe, включающий размещение ориентированной в плоскости (111) или (100) подложки BaF2, источника сплава Pb1-xSnxSe, дополнительного источника Se в отдельных температурных зонах, создание вакуума, изоляцию подложки и нагрев температурных зон, при достижении заданных температур деизоляцию подложки, отличающийся тем, что в состав используемого источника сплава входят примеси Cr или In.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник сплава представляет собой твердый раствор Pb1-xSnxSe, y которого 0,04_x _0,12.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание Cr в источнике-сплаве составляет 0,6 ат.%.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание In в источнике-сплаве составляет 1 ат.%.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру источника-сплава поддерживают 480-490шС.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру подложки поддерживают в пределах 390-400шС.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру дополнительного источника селена поддерживают в пределах 102-108шC.
Текст
009720 Изобретение относится к области технологии полупроводников и может быть использовано при создании полупроводниковых приборов, в частности, высокочувствительных инфракрасных фотоприемников с максимально возможными высокими рабочими температурами. Известно, что создание фотоприемников в области спектра 3-20 мкм с параметрами, приближающимися к теоретическому пределу, является актуальной проблемой фотоники. В значительной мере это связано с созданием материала с высоким темновым сопротивлением, т.к. чувствительность фотоприемника обратно пропорциональна концентрации носителей заряда. Исследования по фотоприемникам,главным образом, направлены на создание многоэлементных матриц и в этом случае существенным является однородность параметров составляющих элементов. Для ее достижения необходимо получать совершенные эпитаксиальные слои с контролируемым составом, толщиной и, что особенно важно, концентрацией носителей заряда. Именно достижение однородности было значительной проблемой ранних фотоприемников, создаваемых на основе поликристаллов и эпитаксиальных слоев полупроводников IVVI, подвергаемых отжигу в парах кислорода или халькогена. Но рост эпитаксиальных слоев полупроводников IV-VI из паровой фазы получил широкое распространение. Это обусловлено высокой скоростью и конгруэнтностью испарения этих материалов, т.е. энергия их диссоциации значительно превышает теплоту сублимации. Соответственно относительно низки и температуры испарения, что благоприятствует применению методов вакуумного осаждения. Одним из вариантов вакуумного термического осаждения является эпитаксия с помощью молекулярного пучка, формируемого испарительной ячейкой Кнудсена. Полупроводниковый материал в ячейке Кнудсена испаряется в условиях, близких к равновесным, поэтому состав пара и плотность пучка постоянны во времени и могут быть предсказаны из термодинамических рассмотрений. Состав конденсата и скорость роста регулируются температурами источников или диаметром выходных отверстий ячеек. Подобный метод представлен в патенте US 3793070 (Richard В. Schoolar, Metod of varying the carrierconcentration of lead-tin sulfide epitaxial films). Твердые растворы Pb1-xSnxS (0,8X1) выращивали из пара в вакууме лучше 5105 тор. Температура подложки из NaCl была в пределах 200-350 С. Расстояние подложки от источника составляло 10 см. Источник был слабо обогащен металлом. Путем изменения мощности, подаваемой на нагреватель, изучалась зависимость концентрации носителей заряда от температуры источника. Если при низкой мощности концентрация носителей заряда составляла n = 81017 см-3,то с повышением мощности концентрация уже дырок р=41016 см-3. Если считать в первом приближении,что при исследуемых температурах источника сера не улетучивается в такой степени, что может влиять на концентрацию вакансии, регулирование концентрации носителей заряда может быть основано на фазовой диаграмме состояний - с пересечением края области гомогенности стехиометрического состава,когда число атомов (вакансий) в металлической подрешетке равно их числу в подрешетке халькогена. По своей направленности этот патент может служить аналогом данного изобретения. Однако, получить более низкие концентрации носителей этим методом затруднительно, т.к. с одной стороны сложно контролировать кинетику процесса роста, а с другой - результирующая концентрация носителей заряда очень чувствительна к испарению атомов серы. Из числа патентов и публикаций, посвященных регулированию концентрации носителей заряда в халькогенидах свинца и олова, большинство связано прежде всего с поиском различных способов выращивания кристаллов или слоев вблизи стехиометрического состава. Среди аналогичных данному изобретению предложений может быть взята также работа (Даварашвили О.И. и др. Многокомпонентные твердые растворы соеднений IV-VI. Квантовая электроника, 1977, т.4, 3, с. 904), ставшая этапной. Для двух соединений PbTe и PbSe, образующих твердый раствор Pb1-xSnxSe1-yTey при реальных температурах эпитаксии характерно смещение области гомогенности относительно стехиометрического состава в область металла, тогда как для двух других соединений, образующих этот твердый раствор,SnTe и SnSe - в область халькогена. В связи с этим можно получить четверной твердый раствор с минимальным отклоненем от стехиометрии. Однако, как и в первом случае, из-за влияния кинетики роста концентрация носителей обычно получалась не ниже 5-1016 -1017 см-3. По техническому воплощению более близким к этому изобретению является метод (статья К.В. Вяткина и др. Выращивание методом горячей стенки тонких эпитаксиальных слоев Pb1-xSnxSe. Неорганические материалы, 1981, т. 4, 1, с.24-27) с конструкцией горячей стенки, проявившей себя эффективно при создании различных типов приборов. Эта работа выбрана в качестве прототипа данного изобретения. Принципиальной особенностью метода является наличие нагреваемой трубы (горячей стенки) между подложкой и источником, которая замыкает рабочий объем, направляет и термализует испарившиеся молекулы. В результате: а) уменьшаются потери материала; б) может быть установлено высокое давление соединения или его отдельных компонентов; в) разница температур между подложкой и источником может быть уменьшена до минимума. Этот способ предполагает в качестве подложек использовать NaCl, KCl, BaF2, Pb1-xSnxSe, ориентированные в плоскостях (100) или (111), подготовку источника путем раздельного синтеза PbSe и SnSe из элементов высокой чистоты (обычно 99,999% и выше) в кварцевых ампулах, откачанных безмаслянным-1 009720 насосом до давления, меньше чем 10-5 тор. Запаянная ампула со стехиометрическим количеством Pb и Se или Sn и Se выдерживалась в течение 4 ч при температуре, превышающей температуру плавления соединения (1100 С), и быстро охлаждалась в воде. Однократно или дважды пересублимированные бинарные соединения PbSe и SnSe затем смешивались в нужной пропорции (в зависимости от требуемого состава X) и сплавлялись в откачанной ампуле при температуре 1100 С с последующей закалкой в воде. Полученный поликристаллический материал крошился на куски и загружался в испарительную систему,а источник Se - в отдельную зону. Создается вакуум 10-5 тор, производится изоляция подложки и начинается нагрев зон (подложка - 320-340 С, дополнительный источник пара - 140-150 С). После достижения этих температур пар приводится в контакт с подложкой и начинается рост слоев со скоростью 25 мкм/ч. Процесс прерывается при достижении нужной толщины слоя. Однако, концентрация носителей этим способом даже при компенсации нестехиометрических дефектов примесями не была ниже 1017 см-3 из-за перекрытия уровней нестехиометрических дефектов с краями разрешенных зон. Из расчетного анализа следует, что для достижения уровня низких концентраций носителей заряда нужно произвести существенную перестройку энергетического спектра. В соответствии с этим в данном изобретении предусмотрено осуществить растяжение слоя на подложке с большим параметром кристаллической решетки при легировании в отдельности такими примесями, уровень Ферми которых с давлением не изменяет положения относительно середины запрещенной зоны или приближается к краю зоны проводимости. В условиях эффективного отрицательного давления для таких примесей как Cr и In их уровни удаляются от края зоны проводимости, и концентрация носителей существенно понижается в диапазоне составов 0,4X0,12 твердого раствора Pb1-xSnxSe. Для получения высокоомных эпитаксиальных слоев Pb1-xSnxSe предусмотрено осуществить следующие операции: подложку BaF2, ориентированную в направлении (111) или (100) подвергают полировке до толщины 0,5 мм, последующему кипячению в ацетоне и промыванию в проточной дистиллированной воде. Далее бинарные компоненты PbSe и SnSe, синтезированные из элементов высокой чистоты(9999) и легированные элементами Cr (0,6 ат.%) и In (1 ат.%), помещаются в кварцевую ампулу, которая откачивается до уровня меньше 10-5 тор и запаивается. Затем ампула прогревается при температурах 1150-1200 С в течение 2 ч, после чего осуществляется гомогенизация при температурах 950-1000 С в течение 4 ч. Подготовленный таким образом сплав, подложку BaF2 и Se, как дополнительный источник,помещают в соответствующие температурные зоны и приступают к откачке всей установки горячей стенки до давления ниже 10-5 тор и производят изоляцию подложки (прикрывают нержавеющей заслонкой), чтобы не начинать процесс роста до установления необходимого давления паров компонентов. Включают нагрев температурных зон для поддержания температур в узком диапазоне: температура подложки 390-400 С, температура источника 480-490 С, температура в зоне селена 102-108 С. Температуры подобраны с целью получения тонких и сплошных слоев. В этом изобретении уже известно, что подложку BaF2, ориентированную в плоскости (100) или(111), полируют с одной стороны, обезжиривают кипячением в ацетоне и промывают в дистиллированной воде при комнатной температуре. Бинарные соединения PbSe и SnSe, синтезированные из элементов высокой чистоты (9999), помещают в кварцевую ампулу, которую откачивают до давления 10-5 тор и запаивают. Ампулу нагревают до температур 1050-1100 С в течение 2-4 ч и затем быстро охлаждают в воде. Далее полученный таким образом сплав, подложку и селен, как дополнительный источник, размещают в соответствующие температурные зоны, создают вакуумную среду до 10-5 тор и изолируют подложку. После этого начинают нагревать зоны до температур источника 520-610 С, подложки 310-400 С,дополнительного источника 90-200 С. При достижении этих температур производится деизоляция подложки и контактирование с ней пара. Новым в изобретении является то, что источник представляет собой сплавы Pb1-xSnxSe в диапазоне составов Х= 0,04 - 0,12, содержащие дополнительно Cr - 0,6 ат.% или In - 1 ат.%, используется узкий диапазон температур источника 480-490 С, подложки 390-400 С, дополнительного источника селена 102108 С. Благодаря всем этим условиям происходит рост сильнонапряженных эпитаксиальных слоев, в которых уровни Ферми (уровни соответствующих примесей) смещаются глубоко в запрещенную зону и стабилизируются. При этом для примеси Cr уровень сохраняет положение относительно середины запрещенной зоны, а для In он непосредственно приближается к середине запрещенной зоны. Для экспериментального подтверждения этих результатов были проведены опыты в соответствии с режимами прототипа и данного изобретения. Полученные эпитаксиальные слои исследовались для определения морфологии и толщины слоев, концентрации носителей заряда и края пропускания. Тонкие слоиPb1-xSnxSe изучались с помощью микроскопа МКМ-7, структурное совершенство оценивалось рентгенофракционным методом (ДРОН-2), концентрации носителей заряда определялись по Холл-эффекту(также методом Ван дер Пау), а ширина запрещенной зоны в напряженном состоянии по краю пропускания на двулучевом спектрометре (UR-10). Эксперименты проводились на слоях с близкими толщинами и повторялись два-три раза. Результаты обобщены в таблице.-2 009720 Таким образом, как видно из таблицы, согласно проведенным исследованиям эффект изобретения состоит в том, что получены тонкие эпитаксиальные слои (1000) с высоким удельным сопротивлением,значительно более высоким, чем в прототипе и со смещением края поглощения. Эти результаты подтверждают, что слои, полученные согласно изобретению, являются сильнонапряженными и уровни примесей Cr и In смещены глубоко в запрещенную зону. Эти данные показывают также возможность создания высокочувствительных ИК фотоприемников как для фоновых потоков 1017 фот/с см 2 ( комнатная температура), так и для уровня фона 1013 фот/с см 2(для космических условий). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ регулирования концентрации носителей заряда в эпитаксиальных слоях Pb1-xSnxSe, включающий размещение ориентированной в плоскости (111) или (100) подложки BaF2, источника сплава Pb1-xSnxSe,дополнительного источника Se в отдельных температурных зонах, создание вакуума, изоляцию подложки и нагрев температурных зон, при достижении заданных температур деизоляцию подложки, отличающийся тем,что в состав используемого источника сплава входят примеси Cr или In. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник сплава представляет собой твердый раствор Pb1-xSnxSe, y которого 0,04x 0,12. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание Cr в источнике-сплаве составляет 0,6 ат.%. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание In в источнике-сплаве составляет 1 ат.%. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру источника-сплава поддерживают 480-490 С. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру подложки поддерживают в пределах 390400 С. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру дополнительного источника селена поддерживают в пределах 102-108C. Таблица технологических и физических данных
МПК / Метки
МПК: H01L 21/36
Метки: pb1-xsnxse, носителей, заряда, концентрации, слоях, способ, эпитаксиальных, регулирования
Код ссылки
<a href="https://eas.patents.su/4-9720-sposob-regulirovaniya-koncentracii-nositelejj-zaryada-v-epitaksialnyh-sloyah-pb1-xsnxse.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Способ регулирования концентрации носителей заряда в эпитаксиальных слоях pb1-xsnxse</a>
Предыдущий патент: Способ и установка для непрерывного получения полиэфиров
Следующий патент: Протокол передачи данных для многостанционной сети
Случайный патент: Производные 7-азаиндола в качестве селективных ингибиторов 11-бета-гидроксистероида дегидрогеназы 1 типа