Способ получения гетероструктуры на основе полупроводниковых материалов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Трухан Владимир Михайлович Шелег Александр Устинович Шлковая Татьяна Васильевна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ получения гетероструктуры на основе полупроводниковых материалов, включающий наращивание пленок на подложку, отличающийся тем, что пленки наращивают из мишени, состоящей из изопериодного твердого раствора (1-)3(1-)2, гдесоставляет от 0,71 до 0,94, а- от 0,2 до 1,0, и мишени, состоящей из фосфида кадмия, при этом мишень испаряют путем воздействия неодимового лазера при плотности потока излучения (1,4-1,7)105 Вт/см 2 и температуре подложки 480-530 . Изобретение относится к полупроводниковой квантовой электронике, а именно к оптоэлектронным устройствам, работающим в более длинноволновой области спектра, и может быть использовано для создания изопериодной гетероструктуры на базе материалов группы 32 ( - ,- , ), конкретно на основе (1-)3(1-)2/32,гдеиизменяются от 0 до 1. Известно, что улучшение характеристик электронных устройств достигается при использовании гетероструктур, которые создаются путем последовательного выращивания слоев с различной шириной запрещенной зоны 1. Известен способ получения гетероструктур на основе тетрагонального (-фаза) и моноклинного (-фаза) дифосфида цинка, в котором гетероструктура получена из газовой фазы наращиванием -фазы на -фазу и, наоборот, -фазы на -фазу 2. Полученная таким образом гетероструктура устойчива в интервале температур 77-550 К, а при соблюдении условий предотвращения диссоциации - до температуры образования соединения 890 С. Параметры структуры сохраняются после многих температурных циклов и со временем не изменяются. Недостаток указанного способа получения гетероструктуры в том, что полупроводниковые материалы, используемые при создании гетероструктур, не имеют одинаковых кристаллических структур, коэффициенты термического расширения различны, что влияет на качество получаемых гетероструктур 3. 15120 1 2011.12.30 Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения гетероструктуры на основе материалов группыпутем жидкофазной эпитаксии 4. Изготовление гетероструктуры включает наращивание на подложку эпитаксиального слоя, рассогласованного по параметру решетки с материалом, на котором осуществляют выращивание. Для данной ростовой системы предварительно строят расчетные градуировочные кривые максимальной и минимальной толщины слоя относительного рассогласования решеток при известной механической прочности слоя, задаваемой коэффициентом Пуассона. К недостаткам прототипа относятся узкий спектральный диапазон работы гетероструктуры на основе материалов группы , который охватывает спектральную область 0,554,50 мкм, и рассогласование параметров решетки эпитаксиального слоя и подложки, что требует дополнительной работы по построению экспериментальных градуировочных кривых. Задача, решаемая настоящим изобретением, - в расширении диапазона применяемых материалов, используемых в гетероструктурах, в расширении спектрального диапазона работы гетероструктур в более длинноволновую область спектра, в сторону среднего ИК-диапазона, и в упрощении технологии наращивания гетероструктур. Поставленная задача решается тем, что в способе получения полупроводниковых гетероструктур, включающем наращивание пленок на подложку, пленки наращивают из мишени, состоящей из изопериодного твердого раствора (1-)3(1-)2, гдесоставляет от 0,71 до 0,94, а у - от 0,2 до 1,0, и мишени, состоящей из фосфида кадмия, при этом мишень испаряют путем воздействия неодимового лазера при плотности потока излучения (1,4-1,7)10-5 Вт/см 2 и температуре подложки 480-530 К. В заявляемом способе получения гетероструктуры (1-)3(1-)2/32 используют изопериодные твердые растворы (1-)3(1-)2, которые в качестве мишеней помещают в вакуумную камеру при давлении (2-4)10-3 Па, испаряют на химически очищенное стекло 7059 неодимовым лазером, при этом плотность потока лазерного излучения составляет (1,4-1,7)105 Вт/см 2 при температуре подложки 480-530 К. Сущность изобретения состоит в том, что в предложенном способе получения гетероструктуры используются, путем нанесения на подложку, четырехкомпонентные твердые растворы (1-)3(1-)2 различного состава и отличающиеся шириной запрещенной зоны, но имеющие один и тот же параметр решетки(изопериодный), а коэффициенты термического расширения материалов, используемых при создании изопериодных гетероструктур (1-)3(1-)2/32, имеют небольшое отличие (не более 5 ). Составы, температурно-временные режимы синтеза четырехкомпонентных изопериодных твердых растворов (1-)3(1-)2 в сечении 32 - (0,29 мол.32 0,71 мол.32) приведены в табл. 1. Таблица 1 Температурно-временные режимы синтеза четырехкомпонентных твердых растворов (1-)3(1-)2 Состав твердых растворов Вес исходных Температурные Времяп/п 15120 1 2011.12.30 Синтез твердых растворов (1-)3(1-)2 проводят в кварцевых ампулах внутренним диаметром 10 мм, длиной 100 мм, в которые помещают смесь порошков из 32,32 и 32 в соответствующих соотношениях. Откачанную до 10-3 Па и отпаянную кварцевую ампулу помещают в однотемпературную печь сопротивления, температура в которой контролируется регулятором температуры (РИФ-101). Процесс взаимодействия компонентов проводят при температурах 1070-1080 в течение 120-150 часов. Затем печь выключают и извлекают слиток. Однофазность твердых растворов (1-)3(1-) подтверждена рентгенофазовым анализом (ДРОН-3). На фиг. 1 приведен результат рентгенофазового анализа твердого раствора состава(0,060,94)3(0,80,2)2. На фиг. 2 приведен результат рентгенофазового анализа твердого раствора состава(0,150,85)3(0,50,5)2. На фиг. 3 приведен результат рентгенофазового анализа твердого раствора состава(0,230,77)3(0,230,77)2. На фиг. 4 приведен результат рентгенофазового анализа твердого раствора состава(0,2650,735)3(0,10,9)2. На фиг. 5 приведен параметр решеткивдля соединений А 32 и граничных твердых растворов с интервалом 10 мол.на сторонах концентрационного четырехугольника. Разрез четырехугольника, показанный сплошной линией, представляет собой линии изопериодности. Множество других линий изопериодности проходит параллельно этим разрезам. Параметр решетки четырехкомпонентных твердых растворов определялся рентгенографическим методом на рентгеновском дифрактометре (ДРОН-3). Значения параметров решетки определялись как среднее четырех величин, полученных от отражений(440), (008), (008)(422), (440)(422). Положение каждого дифракционного максимума определялось как среднее по пяти измерениям. Из фиг. 5 видно, что составы из примеров 1-4 находятся на одной линии изопериодности. Указанная линия доказывает возможность создания изопериодных гетероструктур (1-)3(1-)2/32 путем послойного наращивания твердых растворов вдоль оси с. На фиг. 5 на сторонах четырехугольника приведены коэффициенты термического расширения (105, -1) для соединений типа 32 и граничных твердых растворов с интервалом 10 мол. . Разрез представляет собой линию изопериодности по параметру а. Определение коэффициентов термического расширения твердых растворов (1-)3(1)2 проводилось на рентгеновском дифрактометре (ДРОН-3) с высокотемпературной камерой в диапазоне температур 298-673 К. Из фиг. 5 видно, что в изопериодных гетероструктурах (1-)3(1-)2/32 различие коэффициентов термического расширения не превышает 5 . Способ получения изопериодной гетероструктуры (1-)3(1-)2/32 реализуется следующим образом в качестве мишеней используют синтезируемые твердые растворы (1-)3(1-)2, которые помещают в вакуумную камеру при давлении (2-4)10-3 Па. Пленки напыляют источником лазерного излучения (неодимовый лазер), работающим в импульсном режиме. В качестве подложки используют химически очищенное стекло 7059, на которое последовательно наносят омический контакт - твердый раствор(1-)3(1-)2/32 представлена на фиг. 6. Оптимальная плотность потока излучения неодимового лазера, работающего в импульсном режиме (1,610-6 м, длительность моноимпульса 10-3 с), составляла (1,4-1,7)105 Вт/см 2, причем температура подложки из стекла 7059 для осаждения пленок твердых растворов (1-)3(1-)2 и соединения фосфида кадмия была в пределах 480-530 . Указанные режимы оптимальны,что подтверждено зеркально гладкой поверхностью пленки, практически свободной от макродефектов (фиг. 7), и дифрактограммой порошка мишени (а) и пленки (б) твердого раствора (0,290,71)3(0,10,9)2 (фиг. 8). 3 15120 1 2011.12.30 На фиг. 6 приведена схема гетероструктуры (1-)3(1-)2/32. На фиг. 7 приведена морфология поверхности тонкой пленки состава( 0,290,71 ) 3 ( 0,10,9 ) 2 . На фиг. 8 приведены дифрактограммы порошка мишени (а) и пленки (б) твердого раствора (0,290,71)3(0,10,9)2. Из сравнения дифрактограмм пленки и твердого раствора (0,290,71)3(0,10,9)2 видно, что мишень и пленка идентичны по составу параметры элементарной ячейки твердого раствора мишени 8,7668 ,12,3874 и пленки 8,7663 ,12,3879 , определенные путем экстраполяции к 90 с помощью метода наименьших квадратов, практически одинаковы. Отклонение температуры подложки от оптимальной существенным образом влияет на электрические характеристики (табл. 2) тонких пленок полупроводниковых материалов (1-)3(1-)2, что непосредственно связано со структурой и составом лазерно-осажденных слоев. Таблица 2 Физические характеристики тонких пленок полупроводниковых материалов (1-)3(1-)2 п/п Состав пленки Температура,, Омсм , см-3(0,270,73)3(0,10,9)2 16 510 7,9 887,4 3,310 Вольт-амперные характеристики гетероструктуры (1-)3(1-)2/32, полученной при оптимальных режимах напыления и температуры подложки, представлены на фиг. 9 (1). На фиг. 9 (1) приведены вольт-амперные характеристики гетероструктуры(1-)3(1-)2/32. Отклонение от указанных режимов ухудшает вольтамперные характеристики гетероструктуры (1-)3(1-)2/32 (фиг. 9 (2. На фиг. 9(2) приведены вольт-амперные характеристики гетероструктуры(1-)3 ( 1- )2 /32 , полученной при отклонении от оптимальных режимов напыления и температуры подложки. Использование предлагаемых полупроводниковых твердых растворов позволяет создавать оптоэлектронные устройства, работающие в более длинноволновой области спектра (2,48-5,9 мкм), чем известные гетероструктуры на основе материалов группы . Изопериодные гетероструктуры на основе твердых растворов (1-)3(1-)2 имеют хорошее согласование коэффициентов термического расширения. В отличие от материалов группы , в состав твердых растворов типа 32 входят все легколетучие компоненты, что позволяет упростить газофазную технологию выращивания гетероструктур на основе твердых растворов (1-)3(1-)2. Источники информации 1. Симашкевич А.В. Гетеропереходы на основе полупроводниковых соединений . Кишинев Штиинца, 1980. 2. Сырбу Н.Н. Оптоэлектронные свойства соединений группы . - Кишинев Штиинца, 1983. - 156 с. 3. Милнс, А., Фойхт Д.М. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. - Мир,1975. - С. 26. . 4. Патент РФ 2297690, МПК 801 21/208, 2007. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6