Введение к работе
Актуальность темы.
Для регистрации излучения в видимой области спектра широко используются монолитные матричные фотоприемные устройства (ФПУ), изготовленные на основе приборов с переносом заряда. Это стало возможным в связи с разработкой кремниевой технологии "металл-диэлектрик-полунроводннк (МДП)". Важной задачей современной оптоэлектроникн является создание подобных высокоэффективных устройств, работающих в инфракрасном (ИК) диапазоне. Возможные варианты конструктивного исполнения таких ФПУ определяются низким тепловым контрастом ИК-изображения в сочетании с недостаточно высоким уровнем развития МДП - технологии узкозонных полупроводников.
Использование эффекта примесного поглощения в кремнии позволяет обеспечить монолитную интеграцию матрицы фотоприемников и схемы обработки, однако, в тех случаях, когда требуются предельные значения обларужителыюй способности ФПУ, предпочтительнее использовать эффект собственного поглощения в узкозонных полупроводниках. В настоящее время такие ФПУ изготовляют по гибридной технологии, при этом матрица фотоприемников соединяется с кремниевой схемой обработки путем обратного монтажа при помощи индиевых столбов. Поскольку ввод излучения в гибридную структуру возможен только с тыльной стороны фотоприемной матрицы, значительная часть светового потока поглощается в подложке, не достигая фотоприемников. Для ослабления поглощения толщину подложки уменьшают травлением. К недостаткам такого решения относятся снижение механической прочности конструкции и неоднородность процесса травления по площади структуры. Другой подход заключается в использовании сильно легированных подложек с фотоприемными элементами в нелегированном эпитаксиальном слое, однако, в этом случае снижение собственного поглощения за счет сдвига Мосса-Бурштейна компенсируется увеличением поглощения на свободных носителях.
Более существенное уменьшение поглощения может быть достигнуто при использовании гетероэпитаксиальиых пленок фоточувствительных полупроводников с малой шириной запрещенной зоны, выращенных на подложках из широкозонных полупроводников, таких как GaAs или Si. Основная проблема изготовления таких гетероструктур связана с большим несоответствием параметров кристаллических решеток пленки и подложки, приводящем к высокой плотности дефектов структуры вблизи границы раздела. Так, для структур InAs/GaAs(100) и JnSb/GaAs(100), фоточувствительных в диапазоне длин волн 3-5 мкм, рассогласование кристаллических
решеток пленки и подложки составляет 7% в первом случае и 12% - во втором. Высокая плотность дефектов приводит к ухудшению электрофизических параметров пленок, прежде всего к уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда.
Вследствие очевидных недостатков, присущих гибридным ФПУ, разработка новых технологий или освоение новых материалов, позволяющих перейти к монолитным устройствам, имеет важное практическое значение. Для создания монолитных ИК-ФПУ представляются перспективными многослойные гстероэпитаксиальныс структуры типа "полупроводник-диэлектрик-полупроводник" на основе пленок фторидов щелочноземельных металлов (ФЩЗМ) и пленок соединений А3В5 или Si. Полупроводниковые и диэлекфические пленки в таких структурах могут быть точно согласованы по параметрам кристаллических решеток, сильно различаясь при этом по своим электрофизическим свойствам. Это дает дополнительные преимущества при проектировании приборных устройств.
Цель диссертационной работы заключалась в создании новых типов гетероструктур для матричных фотоприемных устройств инфракрасного диапазона методом МЛЭ на основе соединений А3В5 и фторидов щелочноземельных металлов.
Для достижения указанной цели в работе предполагалось решить следующие задачи:
1. На основе вакуумно-технологического модуля "Ангара" создать установку для получения гетероэпитаксиальных полупроводниковых структур и структур типа "полупроводник - диэлектрик - полупроводник".
-
Отработать режимы выращивания пленок InSb 11а подложках GaAs(lOO) методом молскулярно-лучевой эпитаксии, изучить закономерности дефектообразования.
-
Провести анализ влияния пространственного распределения структурных дефектов на электрофизические параметры приповерхностных слоев эпитаксиальных структур InSb/GaAs(100). Разработать конструкции гетероструктур, позволяющие уменьшить негативное влияние дефектов кристаллической решетки на приборные характеристики ФПУ.
-
Изучить закономерности дефектообразования в гетероструктурах " полупроводник - диэлектрик - полупроводник" и разработать конструкции гетероструктур для ФПУ.
На защиту выносятся:
1. Экспериментальная зависимость типа и количества структурных дефектов в гетероэпитаксиальных пленках lnSb/GaAs(100) от особенно-
стей зарождения пленок на начальной стадии роста.
2. Качественная модель механизмов термогенерации п гетероэпи-
таксиальных пленках, учитывающая пространственное распределение
структурных дефектов по объему пленки.
-
Конструкции ФПУ с барьерными слоями, предназначенными для уменьшения влияния областей гетероэпитаксиальных пленок с высокой плотностью структурных дефектов на работу приборов, расположенных в приповерхностных областях пленок. Результаты экспериментальных исследований по изучению влияния легированных слоев в гетероэпитаксиальных пленках InSb/GaAs(100) на время жизни неосновных носителей.
-
Конструкции интегральных ИК ФПУ в монолитном исполнении на основе многослойных структур "полупроводник - диэлектрик - полупроводник", включающих пленки фторидов щелочноземельных металлов и пленки соединений А3В5 или Si. Результаты экспериментальных исследований свойств таких структур.
Научная новизна работы.
-
Впервые проведено исследование дефектообразования при гетеро-эпитаксии методом МЛЭ пленок InSb/GaAs(100) для широкого диапазона условий роста на начальной стадии. Показано, что в пленках lnSb/GaAs(100) тип дефектов и их распределение по объему пленки существенно зависят от условий проведения начальной стадии роста.
-
Установлена возможность использования эпитаксии в твердой фазе для получения гетероэпитаксиальных пленок InSb/GaAs(100), не содержащих деформационных дефектов упаковки.
-
Определена зависимость плотности прорастающих дислокаций в InAs/GaAs(100) и InSb/GaAs(100) от толщины.
4 Сделаны оценки плотностей генерационных токов в гетерострук-турах с использованием модели пространственного распределения генера-ционно-рекомбинационных уровней. Предложены физические методы блокирования генерационных токов, обусловленных наличием прорастающих дислокаций. Методы основаны на использовании потенциальных барьеров для неосновных носителей. Исследовано влияние легированных слоев в структурах InSb/GaAs(100), отделяющих локализованную вблизи границы раздела "пленка - подложка" область с высокой плотностью прорастающих дислокаций, на время жизни неосновных носителей заряда в приповерхностной области.
5. Отработаны режимы выращивания структур
CaF2/GaAs/CaF2/GaAs(100) и (Ca,Sr)F2/GaAs/(Ca,Sr)F2/CaF2/Si(l 11). Уста
новлены закономерности дефектообразования в таких структурах. На ос
нове полученных результатов разработаны научно-обоснованные конст-
рукцни монолитных ФПУ и методы их изготовления.
Практическая ценность работы.
Разработан комплекс аппаратуры и технология выращивания гете-роэпитакснальных пленок InSb/GaAs(100) методом МЛЭ
На основе стеклоуглерода СУ-2300 разработаны оригинальные конструкции молекулярных источников, отличающиеся высокой надежностью, экономичностью и обеспечивающие высокое качество эпитакси-альных диэлектрических и полупроводниковых пленок.
Разработана методика выращивания пленок lnSb/GaAs(100) не содержащих деформационных дефектов упаковки.
Предложены и реализованы конструкции гетероструктур InSb/GaAs с высокими значениями времени жизни неосновных носителей.
Разработана технология изготовления многослойных структур "полупроводник-диэлектрик-полупроводник", (Ca,Sr)F2/GaAs/(Ca,Sr)F2/CaF2/ Si(lll), методом МЛЭ.
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:
I Международной конференции по эпитаксиатьному росту кристаллов (Будапешт, Венгрия, 1990г); VII Международной конференции но микроэлектронике (Минск, 1990); XI Всесоюзной научно-технической конференции по фотоэлектронным приборам (Ленинград, 1990); Международной конференции им. Попова (Новосибирск, 1998); Российской научно-технической конференции по информатике и проблемам телекоммуникаций (Новосибирск, 1999).
По материалам диссертационной работы соискателем в соавторстве опубликовано 14 работ: в их числе 6 докладов на конференциях, 4 статьи, 4 патента и авторских свидетельства. Результаты исследований и разработок изложены в 3 отчетах по НИР.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения с выводами. Она содержит 147 страниц, включая 36 рисунков, 10 таблиц и список литературы, состоящий из 147 наименований.
