RU2610222C1 - Материал для фотопроводящих антенн - Google Patents
Материал для фотопроводящих антенн Download PDFInfo
- Publication number
- RU2610222C1 RU2610222C1 RU2015151497A RU2015151497A RU2610222C1 RU 2610222 C1 RU2610222 C1 RU 2610222C1 RU 2015151497 A RU2015151497 A RU 2015151497A RU 2015151497 A RU2015151497 A RU 2015151497A RU 2610222 C1 RU2610222 C1 RU 2610222C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gaas
- photoconductive
- arsenic
- film
- silicon atoms
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 43
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 11
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 abstract 1
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 10
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- -1 arsenic ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано для создания активного слоя в фотопроводящих антеннах-детекторах и генераторах электромагнитного излучения терагерцевого диапазона. Материал для фотопроводящих антенн согласно изобретению представляет собой пленку GaAs, эпитаксиально выращенную на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А при пониженной температуре роста, легированную атомами кремния, причем соотношение потоков мышьяка и галлия при эпитаксиальном росте выбрано таким, чтобы большая часть атомов кремния являлась акцепторной примесью. Изобретение обеспечивает предложенный полупроводниковый фотопроводящий материал, имеющий сверхмалое время жизни фотовозбужденных носителей заряда, может быть получен упрощенным технологическим способом эпитаксиального выращивания.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к полупроводниковым материалам группы А3В5 со свойством фотопроводимости и со сверхмалым временем жизни фотовозбужденных носителей заряда (менее 0,5 пс). Такие материалы могут быть использованы при изготовлении передающих и приемных антенн для терагерцевого диапазона частот (от 300 ГГц до 4 ТГц).
Уровень техники
Фотопроводящие антенны - генераторы и детекторы электромагнитного излучения терагерцевого диапазона - функционируют следующим образом. В них под действием приложенного электрического поля носители заряда, возбужденные фемтосекундным оптическим лазерным импульсом, создают ток, быстро затухающий и вследствие этого возбуждающий электромагнитные колебания терагерцевой частоты. Для создания фотопроводящих антенн требуются материалы, обладающие следующими свойствами: 1) сверхмалым временем жизни фотовозбужденных носителей заряда (менее 0,5 пс) для быстрого изменения тока; 2) достаточно высокой подвижностью носителей заряда (от 500 до 2000 см2/(В⋅с)) для обеспечения большой амплитуды тока; 3) большим темновым удельным сопротивлением (от 105 до 107 Ом⋅см) для достижения большого напряжения пробоя и для уменьшения темновых токов и шумов; 4) хорошим структурным и оптическим совершенством, чтобы избегать эффекта рассеяния света при создании интегрированных оптических устройств.
Одним из таких материалов является GaAs, подвергнутый имплантации ионов мышьяка [Hark Ное Tan, Chennupati Jagadish, Krzysztof Piotr Korona, Jacek Jasinski, Maria Kaminska, Rimas Viselga, Saulius Marcinkevicius, Arunas Krotkus. Ion-implanted GaAs for subpicosecond optoelectronic applications // Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 1996. - V. 2. - No. 3. - P. 636-642]. Его недостаток заключается в том, что при ионной имплантации образуется большое количество дефектов, уменьшающих темновое удельное сопротивление материала и подвижность носителей заряда.
Другим подходящим материалом является пленка GaAs, эпитаксиально выращенная при пониженной температуре 200-300°С (low-temperature GaAs, LT-GaAs) на подложке GaAs, в то время как стандартная температура эпитаксиального роста GaAs составляет 500-600°С. Для выращивания используются подложки GaAs либо Si с кристаллографической ориентацией (100) [Patent US 7364993 В2. Method of enhancing the photoconductive properties of a semiconductor / Michael J. Evans, William R. Tribe; TeraVieW Limited, Cambridge. - Appl. No. 10/527313; filling date 11.09.2003; publication date 29.04.2008]. Его недостаток заключается в том, что не обеспечивается сверхмалое время жизни фотовозбужденных носителей заряда.
Главной особенностью перечисленных материалов является наличие избыточных атомов мышьяка в кристаллической структуре, которые могут достигать до 2 ат. %. В случае ионной имплантации избыточные атомы мышьяка внедряются при бомбардировке GaAs ионами мышьяка, а в случае эпитаксиального роста в низкотемпературном режиме избыточные атомы мышьяка захватываются растущим эпитаксиальным слоем GaAs вследствие низкой температуры роста. Для последующих практических применений такие материалы подвергаются послеростовой термообработке (отжигу). В результате отжига улучшается их кристаллическое совершенство, а часть избыточных атомов мышьяка образует преципитаты мышьяка размером от единиц до десятков нанометров.
Причина сверхмалого времени жизни (менее 0,5 пс) фотовозбужденных электронов в пленке LT-GaAs следующая. Избыток атомов мышьяка As в кристаллической структуре пленки LT-GaAs приводит к образованию следующих собственных дефектов: атом мышьяка в узле атома галлия (AsGa), межузельный атом мышьяка (Asi), вакансия атома галлия (VGa), причем концентрация AsGa гораздо больше (примерно в 1000 раз), чем концентрация VGa. Именно дефект AsGa главным образом ответственен за захват фотовозбужденных электронов и уменьшение их времени жизни [A. Krotkus, К. Bertulis, L. Dapkus, U. Olin, S. 
Ultrafast carrier trapping in Be-doped low-temperature-grown GaAs // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V. 75. - P. 3336-3338]. Но для осуществления захвата электрона дефект AsGa должен находиться в заряженном состоянии AsGa +, то есть атом мышьяка должен отдать пятый внешний электрон.
Для того чтобы увеличить концентрацию заряженных дефектов AsGa +, пленку LT-GaAs легируют бериллием. Атомы бериллия в пленке LT-GaAs являются акцепторами. Это значит, что они образуют незаполненные энергетические уровни в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны, на которые переходят электроны с дефектов AsGa, из-за чего дефекты AsGa, переходят в заряженное состояние AsGa + [Patent US 8835853. Photoconductive element / Toshihiko Ouchi, Kousuke Kajiki; Canon Kabushiki Kaisha, Tokyo. - Appl. No. 13/416447; filling date 09.03.2012; publication date 16.09.2014].
Однако использование в установке молекулярно-лучевой эпитаксии молекулярного источника бериллия требует соблюдения дополнительных мер безопасности, так как бериллий является веществом 1 класса опасности [Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны: гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03: утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 27.04.2003: введ. в действие 30.04.2003. - М., 2003]. Кроме того, наличие источника бериллия в установке молекулярно-лучевой эпитаксии приводит к повышению фоновой примеси p-типа во всех гетероструктурах, в дальнейшем выращиваемых в такой установке. Это обстоятельство вызывает затруднения при последующем выращивании гетероструктур с крайне низким содержанием ненамеренных примесей.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является материал, описанный в [A. Krotkus, К. Bertulis, L. Dapkus, U. Olin, . Ultrafast carrier trapping in Be-doped low-temperature-grown GaAs // Applied Physics Letters. - 1999. - V. 75. - P. 3336-3338]. В этой работе описывается пленка LT-GaAs толщиной от 1 до 2 мкм, выращенная методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре Τ=280°C и соотношении потоков мышьяка и галлия γ=10 на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (100). Пленка LT-GaAs была легирована атомами бериллия с концентрацией 3⋅1019 см-3 и более. Время жизни фотовозбужденных носителей заряда составило около 0,07 пс. Недостатком этого материала является необходимость использования молекулярного источника бериллия в установке молекулярно-лучевой эпитаксии.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является получение материала для фотопроводящих антенн, который мог бы заменить материал с пленкой LT-GaAs, легированной атомами бериллия. Для этого предлагаемый материал должен обладать временем жизни фотовозбужденных носителей заряда и удельным темновым сопротивлением, сравнимыми с аналогичными параметрами материала с пленкой LT-GaAs, легированной атомами бериллия. Техническим результатом является упрощение технологического процесса эпитаксиального выращивания материала для фотопроводящих антенн. Упрощение заключается в отсутствии необходимости использования источника токсичного бериллия в установке молекулярно-лучевой эпитаксии.
Технический результат достигается за счет того, что для пленки LT-GaAs, эпитаксиально выращенной на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А и легированной атомами кремния, существует возможность, подобрав соотношение потоков мышьяка и галлия, добиться того, чтобы большая часть атомов кремния являлась акцепторами, а меньшая часть - донорами. Такое поведение атомов кремния, осаждаемых на поверхность GaAs с ориентацией (111)А, связано с сильным проявлением свойства амфотерности атомов кремния: они могут занимать как узлы галлия, так и узлы мышьяка в кристаллической решетке GaAs. Степень занятия атомами кремния одних и других узлов кристаллической решетки GaAs определяется соотношением потоков мышьяка и галлия в процессе эпитаксиального роста. В результате свободные электроны с точечных дефектов AsGa перейдут на акцепторные уровни атомов кремния, точечные дефекты AsGa окажутся ионизированными (AsGa +) и будут функционировать как ловушки фотовозбужденных электронов. Это приведет к тому, что время жизни фотовозбужденных носителей заряда и темновое удельное сопротивление пленки LT-GaAs окажутся сравнимыми с аналогичными параметрами пленки LT-GaAs, эпитаксиально выращенной на подложке GaAs (100) и легированной атомами бериллия. Таким образом, легирование пленки LT-GaAs бериллием заменяется легированием кремнием при использовании подложек GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А и при выборе оптимального соотношения потоков мышьяка и галлия.
Путем изменения концентрации атомов кремния можно регулировать концентрацию ионизированных дефектов AsGa + и тем самым регулировать время жизни фотовозбужденных носителей заряда.
Осуществление изобретения
Изобретение заключается в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии выращивается пленка LT-GaAs толщиной от 1 до 2 мкм при температуре роста от 200 до 300°C. При этом:
1) пленка LT-GaAs выращивается на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А;
2) пленка LT-GaAs легируется атомами кремния с концентрацией от 1017 см-3;
3) выбирается соотношение потоков мышьяка и галлия такое, чтобы выращенная пленка LT-GaAs имела дырочный тип проводимости.
Пленка LT-GaAs может быть выращена методами молекулярно-лучевой эпитаксии либо газовой эпитаксии из металлоорганических соединений.
Claims (1)
- Материал для фотопроводящих антенн, содержащий пленку LT-GaAs со сверхмалым временем жизни фотовозбужденных носителей заряда (менее 0,5 пс), эпитаксиально выращенную при пониженной температуре на подложке GaAs, отличающийся тем, что используется подложка GaAs с кристаллографической ориентацией (111)А; пленка LT-GaAs легируется кремнием; выбирается соотношение потоков мышьяка и галлия такое, чтобы выращенная пленка LT-GaAs имела дырочный тип проводимости.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015151497A RU2610222C1 (ru) | 2015-12-02 | 2015-12-02 | Материал для фотопроводящих антенн |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015151497A RU2610222C1 (ru) | 2015-12-02 | 2015-12-02 | Материал для фотопроводящих антенн |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2610222C1 true RU2610222C1 (ru) | 2017-02-08 |
Family
ID=58457385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015151497A RU2610222C1 (ru) | 2015-12-02 | 2015-12-02 | Материал для фотопроводящих антенн |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2610222C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2671286C1 (ru) * | 2017-09-22 | 2018-10-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн |
| RU2731166C2 (ru) * | 2018-07-19 | 2020-08-31 | Федеральное государственное автономное научное учреждение Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова Российской академии наук (ФГАНУ ИСВЧПЭ РАН, ИСВЧПЭ РАН) | Способ изготовления фотопроводящих антенн |
| RU217206U1 (ru) * | 2022-11-03 | 2023-03-22 | Даниил Александрович Кобцев | Фотопроводящая дипольная антенна терагерцового диапазона |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011119642A (ja) * | 2009-12-02 | 2011-06-16 | Korea Electronics Telecommun | 多結晶ガリウム砒素薄膜を含む光伝導体素子及びその製造方法 |
| JP5196779B2 (ja) * | 2006-03-17 | 2013-05-15 | キヤノン株式会社 | 光伝導素子及びセンサ装置 |
| US8835853B2 (en) * | 2011-03-18 | 2014-09-16 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoconductive element |
-
2015
- 2015-12-02 RU RU2015151497A patent/RU2610222C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5196779B2 (ja) * | 2006-03-17 | 2013-05-15 | キヤノン株式会社 | 光伝導素子及びセンサ装置 |
| JP2011119642A (ja) * | 2009-12-02 | 2011-06-16 | Korea Electronics Telecommun | 多結晶ガリウム砒素薄膜を含む光伝導体素子及びその製造方法 |
| US8835853B2 (en) * | 2011-03-18 | 2014-09-16 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoconductive element |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Пушкарев С.С. и лр., Структуреык и фотолюминесцентные исследования низкотемпературного GaAs (100) и (1110А, МИФИ, Мокеровские чтения, М., 20-21 мая 2015. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2671286C1 (ru) * | 2017-09-22 | 2018-10-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн |
| RU2731166C2 (ru) * | 2018-07-19 | 2020-08-31 | Федеральное государственное автономное научное учреждение Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова Российской академии наук (ФГАНУ ИСВЧПЭ РАН, ИСВЧПЭ РАН) | Способ изготовления фотопроводящих антенн |
| RU217206U1 (ru) * | 2022-11-03 | 2023-03-22 | Даниил Александрович Кобцев | Фотопроводящая дипольная антенна терагерцового диапазона |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Polyakov et al. | Electrical properties, deep trap and luminescence spectra in semi-insulating, Czochralski β-Ga2O3 (Mg) | |
| JP5270585B2 (ja) | 高速光導電体 | |
| Alivov et al. | Fabrication of ZnO-based metal–insulator–semiconductor diodes by ion implantation | |
| Ashraf et al. | Photoconductivity of TlGaSe2 layered single crystals | |
| Lorenz et al. | Enhanced red emission from praseodymium-doped GaN nanowires by defect engineering | |
| US20230377903A1 (en) | METHOD FOR TUNING ELECTRICAL PROPERTIES OF OXIDE SEMICONDUCTORS AND THE DEVELOPMENT OF HIGHLY CONDUCTIVE P-TYPE AND N-TYPE Ga2O3 | |
| RU2610222C1 (ru) | Материал для фотопроводящих антенн | |
| Pačebutas et al. | Characterization of low-temperature molecular-beam-epitaxy grown GaBiAs layers | |
| Spindlberger et al. | Thermal stability of defect‐enhanced Ge on Si quantum dot luminescence upon millisecond flash lamp annealing | |
| Vavilov | Physics and applications of wide bandgap semiconductors | |
| Izhnin et al. | Photoluminescence of HgCdTe nanostructures grown by molecular beam epitaxy on GaAs | |
| RU2671286C1 (ru) | Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн | |
| Mychko et al. | Laser-induced increase of resistivity and improvement of optical properties of CdZnTe crystal | |
| RU2624612C1 (ru) | Полупроводниковая структура для фотопроводящих антенн | |
| Stachowicz et al. | Asymmetric ZnO/ZnMgO double quantum well structures grown on m-plane ZnO substrates by MBE | |
| Zajac et al. | p-type conductivity in GaN: Zn monocrystals grown by ammonothermal method | |
| US20130137214A1 (en) | METHOD FOR REMOVING RESIDUAL EXTRINSIC IMPURITIES IN AN N TYPE ZnO OR ZnMgO SUBSTRATE, FOR P-TYPE DOPING OF THIS SUBSTRATE | |
| RU2657306C2 (ru) | Материал на основе InGaAs на подложках InP для фотопроводящих антенн | |
| Matsumoto et al. | Electrical and photoluminescence properties of carbon implanted ZnO bulk single crystals | |
| Upadhyay et al. | Effects of high-energy proton implantation on the luminescence properties of InAs submonolayer quantum dots | |
| Aygun et al. | Dynamic control of photoresponse in zno-based thin-film transistors in the visible spectrum | |
| RU2650575C2 (ru) | Материал для эффективной генерации терагерцового излучения | |
| Brazzini et al. | Impact of AlN spacer on metal–semiconductor–metal Pt–InAlGaN/GaN heterostructures for ultraviolet detection | |
| Mitsuyoshi et al. | Electrical and luminescence properties of Mg‐doped p‐type GaPN grown by molecular beam epitaxy | |
| Lee | Impact of ionizing radiation and electron injection on carrier transport properties in narrow and wide bandgap semiconductors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191203 |