полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура с высоким временем жизни

Формула изобретения

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА С ВЫСОКИМ ВРЕМЕНЕМ ЖИЗНИ, включающая монокристаллическую подложку, размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой и полупроводникового материала n-типа с нарушенным слоем на границе раздела с подложкой, отличающаяся тем, что гетероэпитаксиальный слой дополнительно содержит два сильно легированных n⁺-слоя, первый толщиной, равной толщине нарушенного слоя, расположен на границе раздела с подложкой, второй выполнен туннельно-непрозрачным для неосновных носителей дырок и размещен на расстоянии от первого, большем удвоенной длины экранирования Дебая, а в промежутке между первым и вторым n⁺-слоями расположен p⁺-слой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструкции полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры.

Известны полупроводниковые гетероэпитаксиальные структуры (ПГС), например Si (сапфир, Si/CaР₂/Si, InAs/GaAs, InSb/GaAs, GaAs/Si, которые используются для создания ИС.

Недостатком известных структур является малое время жизни неосновных носителей _PN, которое определяется высокой плотностью дислокаций несоответствия (ДН) и других структурных дефектов

_PN= N_D^-1 [c] (1) где N_D плотность дислокаций несоответствия в [см^-2] Плотность N_Dдостигает на границе раздела (ГР) значений 10¹² см^-2, соответственно _PN 10^-12c С удалением от границы раздела N_D уменьшается по гипеpболическому закону.

Малое время жизни _PN делает невозможным создание биполярных и других приборов, работающих на неосновных носителях в гетероэпитаксиальных структурах. В монокристаллических полупроводниках при отсутствии высокой плотности структурных дефектов обратный ток p=n-перехода определяется выражением _{S W} + _V, (2) где _V=en_i²L_p/N_Dp (3) величина диффузионного тока, определяемая концентрацией и временем жизни _p неосновных носителей в электронейтральной области n/n, а

_W= en_iW/_g (4) генерационный ток дырок в области пространственного заряда (ОПЗ);

_g и _p генерационное и время жизни соответственно. В модели Шокли-Рида _{g p} [1] Для большинства монокристаллических полупроводников _p 10^-6c. В гетероэпитаксиальной пленке полупроводника на границе раздела с подложкой идет мощная генерация неосновных носителей на дефектах (генерационных уровнях, создаваемых этими дефектами), откуда они диффундируют к поверхности пленки, где формируется прибор. Приповерхностную область с относительно низкой плотностью дефектов будем называть активной областью.

Таким образом, для учета составляющей генерационного тока, возникающей за счет диффузии дырок от границы раздела, необходимо в выражение (2) добавить член

_VW=(en_i²L_p/N_{d PN})exp(-d/L_p), (5) учитывающий образование дырок у ГР с временем жизни _PN и их диффузию к активной области, где L_p диффузионная длина (обычно L_p=10-20 мкм); d толщина эпитаксиальной пленки за вычетом толщины активного слоя.

Таким образом, ток через p-n-переход в гетероструктуре можно записать в виде

_S= _W+ _V+ _VW. (6)

Видно, что при _p >> _pN величина обратного тока _S за счет последнего члена возрастает примерно в 10⁶ раз. Из формулы (6) следует, что величина обратного тока фактически определяется временем жизни дефектной области у ГР. Таким образом, время жизни в активной области гетероструктуры будет в 10⁶ раз ниже по сравнению с бездислокационным материалом, соответственно в 10⁶ раз возрастает обратный ток через p-n-переход, на несколько порядков снижаются характеристики всех видов приборов, работающих на неосновных носителях.

Наиболее близкой к предлагаемой является полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура, включающая подложку из арсенида галлия n-типа и размещенный на ней слой арсенида индия n-типа [2]

Недостатком известной полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры является интенсивная генерация неосновных носителей в нарушенном слое на границе раздела с подложкой, следствием чего является низкое значение времени жизни в активном слое.

Технический результат изобретения достижение высоких значений времени жизни в активной области полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры при высоких рабочих температурах.

Этот результат достигается тем, что полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура, включающая подложку из арсенида галлия n-типа и размещенный на ней гетероэпитаксиальный слой арсенида индия n-типа, содержит дополнительно два сильно легированных n⁺-слоя: первый с толщиной, равной толщине нарушенного слоя, расположен на границе раздела с подложкой, второй выполнен туннельно непрозрачным для неосновных носителей дырок и размещен на расстоянии, большем удвоенной длины экранирования Дебая от первого, в промежутке между первым и вторым n⁺-слоями сформирован p⁺-слой.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что гетероэпитаксиальная структура с высоким временем жизни содержит дополнительно три сильно легированных слоя n⁺-p⁺-n⁺. Таким образом, предлагаемая структура соответствует критерию "новизна".

На фиг.1 и 2 представлены поперечное сечение гетероэпитаксиальной структуры и ее зонная диаграмма соответственно.

На монокристаллической подложке 1 последовательно расположены n⁺-слой 2 толщиной d₁, слой p⁺-полупроводника 3 толщиной d₂, второй n⁺-слой 4 толщиной d₃ и активный слой 5.

На фиг. 2 изображена зонная диаграмма гетероэпитаксиальной стpуктуры с сильно легированными слоями и показаны Е_с, Е_v, E_f, E_g дно зоны проводимости, потолок валентной зоны, уровень Ферми и ширина запрещенной зоны соответственно, а также - величина потенциального барьера для дырок.

Полупроводниковая гетероэпитаксиальная структура работает следующим образом.

Дырки, возникающие вблизи границы раздела пленка-подложка и диффундирующие к активной области гетероэпитаксиального слоя, будут интенсивно рекомбинировать за счет высокой концентрации электронов в первом n⁺-слое, толщина которого выбирается равной толщине нарушенного слоя, которая является областью с высокой плотностью дислокаций несоответствия N_D. Плотность N_D на границе раздела достигает значений N_D=10¹² см^-2 для гетеросистемы InAs/GaAs, быстро уменьшается с ростом толщины до N_D=10⁸ см^-2, а затем плавно уменьшается с толщиной по гиперболическому закону. При достаточном (3-5 мкм) удавлении от границы раздела N_D уменьшается настолько, что _PN=N_D^-1 становится равным времени жизни слиточного бездислокационного материала. Это происходит при толщинах 3-5 мкм.

Область Р⁺ служит для стока генерированных в дефектном слое дырок. Собственная концентрация дырок в этой области определяется степенью легирования и составляет обычно примерно 10¹⁸ см^-3, что существенно превышает концентрацию дырок, попадающих из дефектной области за счет генерации. Поэтому концентрация дырок во втором n⁺-слое 5 будет определяться величиной потенциального барьера Е_g+ гдe величина барьера, определяемая сдвигом Мосс-Бурштейна.

Для InAs при Т=300 К E_g 0,4 эВ 0,1 эВ, соответственно 0,5 эВ и концентрация дырок в области 4 равна

P(4)=P⁺exp(-/kT) 10⁹ см^-3 (7)

Это меньше, чем собственная концентрация неосновных носителей в InAs при Т=300 К.

Толщина p⁺-слоя и второго n⁺-слоя выбирается одинаковой и равной удвоенной длине дебаевского экранирования. При меньших толщинах глубина потенциальной ямы p⁺-области и потенциального барьера второй n⁺-области уменьшаются за счет экранирования свободными носителями. Большие толщины неэффективны из соображений экономичности.

Предлагаемая конструкция обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом.

За счет наличия потенциальных барьеров, образованных сильно легированными слоями n⁺-p⁺-n⁺ в активном слое, где могут быть сформированы любые приборы, работающие на неосновных носителях заряда, их время жизни не ниже, чем в слиточном материале.

Поскольку собственная концентрация дырок в активной области растет как p_i e с ростом температуры, а заброс дырок из области 3 в область 4 определяется выражением (7): P(4) то очевидно, что концентрация неосновных носителей в активном слое будет определяться в первую очередь собственной концентрацией Р_i.

Наличие первого n⁺-слоя приводит к снижению контактного сопротивления и снижает поглощение излучения (при формировании ФПУ с засветкой через подложку).

Наличие второго n⁺-слоя в совокупности с Р⁺-областью приводит к низкому значению сопротивления тройного n⁺-p⁺-n⁺- слоя за счет образования резких туннельных переходов n⁺-p⁺ и p⁺-n⁺, включенных последовательно навстречу друг другу.

Поскольку уравнения, описывающие генерационно-рекомбинационные процессы и диффузионные процессы, одинаковы для всех типов полупроводников, а дислокации несоответствия возникают во всех без исключения гетероэпитаксиальных пленках, у которых имеется рассогласование постоянных решеток пленки и подложки, то указанная конструкция обеспечивает увеличение времени жизни в активном слое во всех полупроводниковых пленках на любых подложках.

В качестве примера использования различных гетероэпитаксиальных пленок типа Si/CaF₂/Si, InAs/GaAs, InSb/GaAs, GaAs/Si можно рассмотреть первый случай: Si/CaF₂/Si. Расчеты по формуле (7) показывают высокую эффективность использования слоев n⁺-p⁺-n⁺ для увеличения времени жизни в активном слое эпитаксиальной пленки Si на буферном слое CaF₂.

Действительно, как и в других гетероэпитаксиальных пленках, в слоях Si, выращенных на диэлектрическом буферном слое CaF₂, плотность дислокаций соответствия и других структурных дефектов быстро снижается с ростом толщины пленки Si. Создавая понтенциальный барьер для неосновных носителей на расстоянии, от границы раздела, равном толщине дефектного слоя, получим в активном слое кремния концентрацию неосновных носителей, равную

P_n P⁺exp(- /kT), E_g+

В то же время концентрация неосновных носителей, обусловленная тепловой генерацией в самом активном слое Si, будет существенно выше и будет более быстро расти с температурой

P_i N_cN_v^.exp(-E_g/2kT).

Таким образом, предлагаемая конструкция гетероэпитаксиальной структуры позволяет достигнуть времени жизни в активном слое, равного времени жизни в бездефектном (слиточном) материале.

Это утверждение справедливо не только для арсенида индия, кремния или арседина галлия но и для любого другого полупроводникового материала (слоя), осажденного на любую монокристаллическую подложку из полупроводника (Si, GaAs, CdTe) или диэлектрика (CaF₂, BaF₂, SrF₂, сапфир) или на любую другую гетероэпитаксиальную структуру типа СаF₂/Si, BaF₂/CaF₂/Si или другие. Поэтому формуле изобретения в качестве подложки указан монокристаллический материал, на котором возможна гетероэпитаксия, а в качестве пленки полупроводниковая пленка.