СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРИЕМНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР GA AS/AL GA AS

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРИЕМНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР GA AS/AL GA AS


RU (11) 2065644 (13) C1

(51) 6 H01L31/18 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 94021123/25 
(22) Дата подачи заявки: 1994.06.14 
(45) Опубликовано: 1996.08.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Mimura T., Hiyamizu S., Toshin K., Hikosaka K. Enhancement Mode High Electron Mobility Transistors for Logic Application. Jap. J. Appe. phys., v. 20, L.317, 1981. Levine B.F. et all. Broadband 8-12 мм high-sensitivity GaAs quantum nell infrared photodetector. Appl. Phys. Left. 54(26), 2704 - 2706, 1989. 
(71) Заявитель(и): Институт физики полупроводников СО РАН 
(72) Автор(ы): Бадмаева И.А.; Бакланов М.Р.; Овсюк В.Н.; Свешникова Л.Л.; Торопов А.И.; Шашкин В.В. 
(73) Патентообладатель(и): Институт физики полупроводников СО РАН 

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОПРИЕМНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР GA AS/AL GA AS 

Использование: в полупроводниковой технике и при изготовлении одиночных и многоэлементных фотоприемных устройств. Сущность изобретения: способ заключается в нанесении на подложку из полуизолирующего арсенида галлия последовательности слоев. Между ближайшим к подложке проводящим n+GaAs слоем и многослойной периодической структурой наносят туннельно-тонкий стоп-слой AlAs толщиной 2-5 нм. Травление ведут при температуре 20-22 град.С в растворе, дополнительно содержащем органическую кислоту. В качестве органической кислоты используют винную кислоту при следующих соотношениях компонентов (вес. проц. ): винная кислота 35-45, перекись водорода 5-10, вода остальное, или молочную кислоту при следующих соотношениях компонентов (вес.проц.): молочная кислота 25-35, перекись водорода 5-10, вода остальное. 2 з.п.ф-лы, 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при изготовлении одиночных и многоэлементных фотоприемных устройство на основе многослойных квантоворазмерных гетероструктур GaAs/AlGaAs.

Известен способ изготовления приборов на основе многослойной гетероструктуры GaAs/AlxGa1-xAs, таких как селективно-легированный гетероструктурный транзистор, транзистор с высокой подвижностью электронов, в которых для контролируемого удаления эпитаксиальных слоев субмикронной толщины используется высокоселективное ионно-реактивное травление (Mimura T. Hiyamizi S. Joshin K. Hikosaka K. Enhancement Mode High Electron Mobility Transistors for Logic Application. Jap. J. Appl. Phys. v.20, L.317, 1981).

При ионно-реактивном травлении гетероструктуры при использывании ССl2F2 скорость травления GaAs в десятки раз выше, чем AlxGa1-x>As. Фактор селективности (отношение скоростей травления GaAs и AlxGa1-xAs) достигает 300, что позволяет контролируемо удалить слой GaAs и остановить процесс травления на верхней границе AlxGa1-xAs (G. M. Knoedler, T,F.Kuech. Celective GaAs/AlxGa1-xAs reactive ion etching using CCl2F2, J. Vac. Sci. Techn. B. 4(5), 1233-1236, 1986).

При травлении гетероструктуры GaAs/AlxGa1-xAs ( x > 0,4) в растворах фтористоводородной кислоты селективность для AlxGa1-xAs составляет 100, что также позволяет контролируемо остановить процесс травления на границе GaAs (X. S. Wu, L.A.Coldren, J.L.Ners. Selective ething characteristics of HF for AlxGa1-xAs/GaAs. Electronics Letters. 21, N 13, 558-569, 1985).

Указанный способ имеет следующие недостатки. Из-за высокой селективности он неприменим для структур из чередующихся слоев GaAs и AlxGa1-xAs. На изготовление мезаструктуры в этом случае требуется большое время, так как скорость травления одного из слоев в структуре очень мала. При ионно-реактивном травлении особенно при больших временах под воздействием плазмы в слоях GaAs возникают дефекты, влияющие на электрофизические характеристики слоев.

Известны фотоприемные устройства на основе гетероструктур GaAs/AlGaAs, в которых фотоприемный элемент состоит из проводящего легированного слоя GaAs толщиной 0,5-1 мкм, выращенного на подложке полуизолирующего GaAs, многослойной периодической гетероструктуры GaAs/AlGaAs, состоящей из 50-100 слоев AlxGa1-xAs, 30-50 нм (х 0,2-0,5) и 50-100 слоев n+GaAs толщиной 4-5 нм, и второго проводящего слоя n+ толщиной 0,5-1 мкм (B.F.Levine, G.Hasnain, C.G. Bethea, N.Chang Broabdand 8-12 m high-sensitivity GaAs quantum well infrared photodetector. Appl. Phys.Lett. 54(26) 2704-2706, 1989).

Обязательным этапом изготовления фотоприемных элементов является изготовление жидкостным травлением мезаструктуры. Для этого используют травители на основе перекиси водорода и серной кислоты. (D.W.Shaw. Localized GaAs etchind with acidic hydroden peroxide solution. J.Electrochem. Soc. 128, 784-880, 1981).

Так как суммарная глубина травления составляет 1,5-5 мкм, требуются травители с малой скоростью травления. Для этого применяют травители с большим содержанием воды. В растворах H2SO4-H2O2-H2O с объемным соотношением 1: 8: (80-169) скорость травления меняется от 0,26 до 0,54 мкм/мин. Также применяют и перекисно-аммиачные травители, содержащие большое количество воды, например NH4OH: H2O2:H2O 3:1:150. Эти травители травят практически с одинаковой скоростью GaAs и AlxGa1-xAs ( х 0,2-0,5) (Fricke K. Hartnagel H.L. Lee W-Y. Wurf J. AlGaAs/GaAs HBT for high-temperature applications. IEEE Trans. Electron Devices, 39, N 9, 1977-1981, 1992).

Однако известные способы изготовления таких фотоприемных элементов обладают следующими недостатками. Так как при изготовлении элемента процесс травления следует остановить при достижении нижнего n+GaAs слоя толщиной 0,5-1 мкм, который является общим электродом, то требуется непрерывный контроль глубины протравленной области, который затруднен из-за наличия толстой защитной маски на нетравленных участках. Требуется применение травителей со скоростью травления, заданной не хуже, чем 5-10% Точное задание скорости травления требует дополнительных усилий по поддержанию температуры в процессе травления, состава травителя и не всегда возможно вследствие неконтролируемых вариаций структурного совершенства образцов, состава твердого раствора AlGaAs.

Недостатком фотоприемного элемента является то, что при его изготовлении из-за сложности контроля процесса травления возможно как недотравливание, так и перетравливание, что приводит к разбросу величин фоточувствительности, а это уменьшает выход годных элементов.

Целью изобретения является увеличение точности и прецизионности травления при изготовлении фотоприемных элементов, увеличение выхода годных изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления фотоприемных элементов на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs, заключающемся в нанесении на подложку из полуизолирующего арсенида галлия последовательности слоев проводящего n+GaAs слоя, многослойной периодической структуры GaAs/AlGaAs и второго проводящего n+GaAs слоя с последующим травлением верхнего проводящего n+GaAs слоя и многослойной гетероструктуры в водном растворе перекиси водорода, между ближайшим к подложке проводящим n+GaAs слоем и многослойной периодической структурой наносят туннельно-тонкий стоп-слой AlAs толщиной 2-5 нм, а травление ведут при температуре 20-22oС в растворе, дополнительно содержащем органическую кислоту.

Травление структуры ведут в растворе травителя, содержащем в качестве органической кислоты винную кислоту при следующих соотношениях компонентов (вес.):

Винная кислота 35-45

Перекись водорода 5-10

Вода Остальное

Травление структуры ведут в растворе травителя, содержащем в качестве органической кислоты молочную кислоту при следующих соотношениях компонентов (вес.):

Молочная кислота 25-35

Перекись водорода 5-10

Вода Остальное

На фиг. 1 представлен фотоприемный элемент на основе гетероструктуры GaAs/AlxGa1-xAs, где 1 подложка GaAs (полуизолирующий), 2 слой n+GaAs, 3 слой AlAs, 4 электрод GeAu, 5 периодическая структура GaAs/AlxGa1-xAs.

На фиг.2 представлена зависимость глубины травления структуры от времени, где а пример 1, б пример 2, х травитель с винной кислотой, - травитель с молочной кислотой.

Сущность изобретения заключается в том, что в многослойной структуре, являющейся основой фотоприемного элемента, формируется еще один слой, состоящий из AlAs, толщиной 2-5 нм. Этот слой не влияет на электрофизические характеристики всей структуры в целом, так как толщина AlAs выбрана такой, чтобы сопротивление фоточувствительного слоя было в 104 раз и более выше, чем сопротивление слоя AlAs.

Для создания мезаструктуры выбраны травители на основе перекиси водорода и органических кислот винной или молочной в таких соотношениях, при которых GaAs и AlGaAs травятся со скоростью меньше 1 мкм/мин, а AlAs практически не травится, так что процесс травления останавливается при достижении AlAs, являющегося стоп-слоем.

Выбор параметров обусловлен следующим.

При толщине < 2 нм слой может быть неоднородным и дефектным, что приводит к подтравливанию лежащего под ним n+GaAs слоя, и тогда AlAs перестает работать как стоп-слой в процессе травления.

При толщине слоя > 5 нм AlAs хорошо выдерживает процесс травления, но изменяются фотоэлектрические характеристики всей структуры в целом.

Выбор состава травителя обусловлен следующим.

При содержании винной кислоты более 45 вес. или молочной кислоты более 35 вес. и перекиси водорода менее 5 вес. скорость растворения гетероструктуры становится очень маленькой и требуется большое время травления для изготовления мезаструктуры.

При содержании винной кислоты менее 35 вес. или молочной кислоты менее 25 вес. и перекиси водорода более 10 вес. скорость травления возрастает, процесс становится слабо контролируемым, так как время травления при толщине структуры 2-5 мкм становится малым. К тому же при малом содержании органической кислоты возможно образование пленок на поверхности структуры из-за плохой растворимости продуктов травления. Органические кислоты образуют комплексные соединения с продуктами реакции, которые хорошо растворимы в водных растворах.

Примеры конкретного выполнения способа.

На фиг.1 представлен фотоприемный элемент на основе гетероструктуры GaAs/AlxGa1-xAs со слоем AlAs, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии, где 1 подложка GaAs (полуизолирующий), 2 - n+GaAS, 3 AlAs, 4 электрод GeAu, 5 периодическая структура GaAs и AlxGa1-xAs.

Методом фотолитографии создавался топологический рисунок фотоприемников. Раствор для травления готовили из 30 вес. перекиси водорода и винной или молочной кислоты при различных соотношениях компонентов. Травление проводили в кварцевом стакане без перемешивания при 20-22oС. После травления образец промывали деионизованной водой 18 Мом. Глубину травления измеряли с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4.

Пример 1. На подложке из полуизолирующего GaAs выращивали слои: n+GaAs-Si (21018 см-3) 0,5 мкм, AlAs 2 нм, периодическую структуру 50 слоев GaAs по 4,8 нм и 50 слоев Al0,22Ga0,78As по 50 нм и слой n+GaAs-Si (1-51018 см -3) 1,5 мкм. Структуру травили в травителе состава (вес.): винная кислота 35, перекись водорода 10, вода 55. Время травления 12 мин, скорость травления 0,7 мкм/мин.

Пример 1а. Эту же структуру травили в травителе состава (вес.): молочная кислота 25, перекись водорода 10, вода 65. Время травления 12 мин, скорость травления 0,7-0,75 мкм/мин.

Пример 2. На подложке из полуизолирующего GaAs выращивали слои: n+GaAs-Si (21018 см-3) толщиной 0,5 мкм, AlAs 4 нм, n+GaAs-Si (21018 см-3) 0,1 мкм, периодическую структуру 20 слоев GaAs по 5,3 нм и 20 слоев Al0,29Ga0,71As по 40 нм и n+GaAs-Si (1-51018 см-3) 0,3 мкм. Структуру травили в травителе состава (вес.): винная кислота 37,5; перекись водорода 7,5; вода 55. Время травления 8 мин, скорость травления 0,6 мкм/мин.

Пример 2а. Эту же структуру травили в травителе состава (вес.): молочная кислота 30; перекись водорода 7,5; вода 62,5. Время травления 8 мин, скорость травления 0,6-0,65 мкм/мин.

Пример 3. На подложке из полуизолирующего GaAs выращивали слои: n+GaAs-Si (21018 см-3) толщиной 0,8 мкм, AlAs 5 нм, периодическую структуру 50 слоев GaAs по 5,1 нм, 50 слоев Al0,3Ga0,7As по 50 нм и n+GaAs-Si (118 см-3)

0,5 мкм. Структуру травили в травителе состава (вес.): винная кислота 45, перекись водорода 5, вода 50. Время травления 16 мин, скорость травления 0,4 мкм/мин.

Пример 3а. Эту же структуру травили в травителе состава (вес.): молочная кислота 35, перекись водорода 5, вода 60. Время травления 16 мин, скорость травления 0,4 мкм/мин.

На фиг. 2 приведена зависимость глубины травления структуры от времени, где а пример 1, б пример 2, х травитель с винной кислотой, D - травитель с молочной кислотой.

Вначале глубина травления изменяется линейно со временем, а затем остается постоянной. Эта величина соответствует глубине залегания стоп-слоя, то есть слой AlAs действительно останавливает процесс травления, причем во всех приводимых примерах время травления в 2-4 раза превышало время травления структуры до стоп-слоя.

Фотоприемное устройство работает следующим образом.

Инфракрасное излучение с поляризацией, перпендикулярной слоям гетероструктуры, вызывает переходы электронов с основного заполненного уровня в квантовых ямах в первое возбужденное состояние вблизи края зоны проводимости твердого раствора AlxGa1-xAs. В возбужденном состоянии электроны слабо связаны потенциалом квантовой ямы GaAs и поэтому переносятся во внешнем электрическом поле в направлении слоя n+GaAs с положительной полярностью. Достаточно толстые барьеры из AlxGa1-xAs (толщина > 400 ) препятствуют поперечному движению невозбужденных электронов на основном уровне в направлении внешнего поля. При этом толщина тонкого стоп-слоя AlAs (2-5 нм) выбирается такой, чтобы туннельная проводимость его была в 102-103 раз больше, чем проводимость фоточувствительной части структуры, чтобы не изменять спектральную и амплитудную характеристики фототока.

Предлагаемый способ изготовления фотоприемных элементов по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: увеличивается выход годных структур, так как при наличии стоп-слоя исключается возможность перетравливания структуры, достигается более равномерное травление по всей площади структуры, что устраняет вариации фоточувствительности, появляется возможность уменьшения толщины нижнего проводящего n+GaAs слоя, что уменьшает расход основных компонентов, удешевляет процесс и соответственно стоимость фотоприемного элемента. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Способ изготовления фотоприемных элементов на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs, заключающийся в нанесении на подложку из полуизолирующего GaAs последовательности слоев: проводящего n+-GaAs-слоя, многослойной периодической структуры GaAs/AlGaAS и второго проводящего n+-GaAs-слоя, с последующим травлением верхнего проводящего n+-GaAs-слоя и многослойной гетероструктуры в водном растворе перекиси водорода, отличающийся тем, что между ближайшим к подложке проводящим n+-GaAs-слоем и многослойной периодической структурой наносят тонкий стоп-слой из AlAs толщиной 2 5 нм, а травление ведут при 20 22°С в растворе, дополнительно содержащем органическую кислоту.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что раствор травителя в качестве органической кислоты содержит винную кислоту при следующих соотношениях компонентов мас.

Винная кислота 35 45

Перекись водорода 5 10

Вода Остальное

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что раствор травителя в качестве органической кислоты содержит молочную кислоту при следующих соотношениях компонентов, мас.

Молочная кислота 25 35

Перекись водорода 5 10

Вода Остальное




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru