RU2064541C1 - Method of preparing heterostructures on the basis of semiconducting compounds a*991*991*991b*99v - Google Patents

Abstract

FIELD: semiconducting materials. SUBSTANCE: epitaxial layer is applied on the GaAs substrate from a solution-melt fed by a crystal-source having the following composition (in atomic %): 1.0-17.0 Al, 0.5-41.0 P, 9.0-49.5 As, Ga - the rest. Composition of the solution-melt is as follows (in atomic %): 0.0019-0.0560 Al, 0.013-2.050 P, 3.58-22.30 As, 0.8660- 92.4065 In, Ga - the rest. The process is carried out with a temperature gradient between the source and the substrate. Compositionally uniform layers 62-96 micron thick are obtained useful for developing optic-electronic devices operating within the spectral range 0.59-0.87 micron. EFFECT: increased quality of the heteroborder, extended spectral range of material. 2 tbl

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и может быть использовано для создания оптоэлектронных приборов, работающих в спектральном диапазоне 0,59-0,87 мкм. The invention relates to a technology for producing semiconductor materials and can be used to create optoelectronic devices operating in the spectral range of 0.59-0.87 microns.

В современной технологии жидкофазного эпитаксиального (ЖФЭ) получения полупроводниковых материалов в основном используются трех- или четырехкомпонентные твердые растворы, которые обеспечивают только совпадения параметров решетки с бинарной подложной для определенного спектрального диапазона. In modern technology of liquid-phase epitaxial (LPE) production of semiconductor materials, three- or four-component solid solutions are mainly used, which provide only coincidence of the lattice parameters with the binary substrate for a certain spectral range.

Известен способ выращивания полупроводниковых четырех- или пятикомпонентных сплавов [1] решетка которых совпадает с решеткой подложки, молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ). Однако существующий способ является в настоящее время довольно дорогостоящим, а также этим способом невозможно получать толстые, более 100 мкм, эпитаксиальные слои, однородные по составу. A known method of growing semiconductor four- or five-component alloys [1] the lattice of which coincides with the lattice of the substrate, molecular beam epitaxy (MBE). However, the existing method is currently quite expensive, and using this method it is impossible to obtain thick, more than 100 μm, epitaxial layers that are uniform in composition.

Известен способ получения эпитаксиальных структур на основе твердых растворов Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y методом жидкостной эпитаксии [2] взятый за прототип, где в исходную жидкую фазу, состоящую из компонентов Al, Ga, As и Sb добавляют пятый компонент In для предотвращения подтравливания подложки и улучшения качества слоя. В конечном счете получают четырехкомпонентный твердый раствор Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y изовалентно легированный индием. Поэтому этим способом все же не удается получить полностью согласованный по параметру решетки и КТР эпитаксиальный слой с подложкой, значительно расширить спектральный диапазон материала и получить однородный по толщине слоя полупроводник. Известные способы ЖФЭ не позволят принципиально обеспечить строгое согласование параметра решетки и KТP подложки и эпитаксиального слоя по всему его объему, что и сказывается на характеристиках изготовляемых приборов.A known method for producing epitaxial structures based on Al_x Ga_1-x As_y Sb_1-y solid solutions by liquid epitaxy [2] is taken as a prototype, where the fifth component is added to the initial liquid phase consisting of Al, Ga, As and Sb components In to prevent substrate etching and layer quality improvement. Ultimately, a four-component solid solution Al_x Ga_1-x As_y Sb_1-y isovalently doped with indium is obtained. Therefore, by this method, it is still not possible to obtain an epitaxial layer with a substrate that is completely consistent in the lattice and KTP parameters, significantly expand the spectral range of the material, and obtain a semiconductor uniform in thickness of the layer. Known LPE methods will not make it possible in principle to ensure strict coordination of the lattice parameter and the KTP of the substrate and the epitaxial layer over its entire volume, which affects the characteristics of the manufactured devices.

Целью изобретения является повышение качества гетерограницы, расширение ее спектрального диапазона от 0,59 до 0,87 мкм и улучшения однородности эпитаксиального слоя. The aim of the invention is to improve the quality of the heterointerface, expanding its spectral range from 0.59 to 0.87 μm and improving the uniformity of the epitaxial layer.

Поставленная цель достигается тем, что в кристалл источник вводят дополнительно Al и Р и его компоненты берут в следующем соотношении, ат. This goal is achieved by the fact that Al and P are additionally introduced into the source crystal and its components are taken in the following ratio, at.

Аl 1,0-17,0
Р 0,5-41,0
As 9,0-49,5
Ga остальное,
а компоненты раствора-расплава берут в следующем соотношении, ат.Al 1.0-17.0
P 0.5-41.0
As 9.0-49.5
Ga rest,
and the components of the melt solution are taken in the following ratio, at.

Al 0,0019-0,0560
Р 0,0130-2,0500
As 3,5000-22,3000
In 0,8660-92,4065
Ga остальное,
что позволяет избежать дефекты между пятикомпонентным твердым раствором и подложкой, улучшает качество гетероструктуры.Al 0.0019-0.0560
P 0.0130-2.0500
As 3,5000-22,3000
In 0.8660-92.4065
Ga rest,
thus avoiding defects between the five-component solid solution and the substrate, it improves the quality of the heterostructure.

Использование многокомпонентного кристалла-источника, содержащего элементы с коэффициентом распределения больше I, позволяет получать однородные по составу и физико-химическим свойствам полупроводниковые материалы толщиной более 100 мкм. Процесс роста эпитаксиального слоя проводят в поле температурного градиента, где подложка GaAs имеет температуру меньше, чем кристалл-источник. The use of a multicomponent source crystal containing elements with a distribution coefficient greater than I makes it possible to obtain semiconductor materials with a thickness of more than 100 μm that are homogeneous in composition and physicochemical properties. The growth process of the epitaxial layer is carried out in a temperature gradient field, where the GaAs substrate has a temperature lower than the source crystal.

Пример 1. В кассету кругового типа помещают сэндвич, состоящий из подложки GaAs (n-типа 2^oC3 10¹⁷ см^-3) диаметром 30 мм, ориентации 100, полированные и очищенные по стандартной методике, и поликристаллического источника Al_0,25Ga_0,75P_0,82As_0,18. Расстояние между подложкой и источником выставляют графитовыми кольцами толщиной L 300 мкм. Для получения раствора-расплава в отдельную ячейку кассеты загружают исходные компоненты, ат. алюминий 0,0019; галлий 1,6500; индий 78,2981; фосфор 2,0500; мышьяк 18,0000. Эту кассету помещают в печь, создающую плоскооднородное поле температурного градиента. Камеру откачивают до давления 1•10^-3мм рт. ст. затем заполняют очищенным водородом до давления 0,4 атм. Температуру в печи поднимают до 865^oС, и гомогенизированный расплав продавливают через сэндвич. Процесс выращивания эпитаксиального слоя проводят в течение 2-х часов в градиенте температур 80 град/см. В результате получается эпитаксиальный слой h 96 мкм, состав которого соответствует ат. алюминий 12,5; галлий 17,6; индий 20,0; фосфор 41,0; мышьяк 9,0; соответствующий минимальной длине волны λ = 0,59 мкм..Example 1. A sandwich consisting of a GaAs substrate (n-type 2^o C3 10¹⁷ cm^-3 ) with a diameter of 30 mm, orientation 100, polished and cleaned by a standard method, and a polycrystalline source Al_0.25 Ga_{0 is} placed in a circular type cassette₇₅ P_0.82 As_0.18 . The distance between the substrate and the source expose graphite rings with a thickness of L 300 microns. To obtain a solution-melt in a separate cell of the cartridge load the source components, at. aluminum 0.0019; gallium 1.6500; indium 78.2981; phosphorus 2.0500; arsenic 18,0000. This cassette is placed in an oven creating a plane-uniform temperature gradient field. The chamber is pumped to a pressure of 1 • 10^-3 mm RT. Art. then filled with purified hydrogen to a pressure of 0.4 atm. The temperature in the furnace was raised to 865^{° C.} , and the homogenized melt was forced through a sandwich. The process of growing the epitaxial layer is carried out for 2 hours in a temperature gradient of 80 deg / cm. The result is an epitaxial layer ofh 96 μm, the composition of which corresponds to at. aluminum 12.5; gallium 17.6; indium 20.0; phosphorus 41.0; arsenic 9.0; corresponding to the minimum wavelength λ = 0.59 μm ..

Пример 2. В ту же кассету помещают аналогичней сэндвич, но с другим составом кристалла-источника Al_0,15Ga_0,85P_0,21As_0,79.Example 2. In the same cartridge is placed similar to a sandwich, but with a different composition of the source crystal Al_0.15 Ga_0.85 P_0.21 As_0.79 .

Толщина жидкой зоны также бралась l 300 мкм, но в ячейку кассеты загружалась шихта следующего состава, ат. алюминий 0,0034; галлий 13,5000; индий 71,1766; фосфор 0,1200; мышьяк 14,6000. Температурно-временной режим соответствовал рассмотренному в первом примере. В результате получается эпитаксиальный слой толщиной h 78 мкм, состав которого имел следующее значение ат. алюминий 7,5; галлий 37,5; индий 5,0; фосфор 10,5; мышьяк 39,5; соответствующий среднему значению длины волны λ = 0,73 мкм.. The thickness of the liquid zone was also taken l 300 μm, but a charge of the following composition, at. aluminum 0.0034; gallium 13.5000; indium 71.1766; phosphorus 0.1200; arsenic 14.6000. The temperature-time regime corresponded to that considered in the first example. The result is an epitaxial layer with a thickness ofh 78 μm, the composition of which had the following value of at. 7.5 aluminum; gallium 37.5; indium 5.0; phosphorus 10.5; arsenic 39.5; corresponding to the average value of the wavelength λ = 0.73 μm ..

Пример 3. В этом случае применялась та же технология получения многокомпонентных твердых растворов, что описано выше. Только использовался кристалл-источник Al_0,02Ga_0,98P_0,02As_0,98 а для получения раствора-расплава использовались следующие компоненты; ат. алюминий 0,0200; галлий 95,6000; индий 0,8660; фосфор 0,0140; мышьяк 3,5000. В результате был получен эпитаксиальный слой толщиной h 62 мим следующего состава, ат. алюминий 1,0; галлий 48,9; индий 0,1; фосфор 1,0; мышьяк 49,0. В этом случае длина волны соответствовала максимальному значению λ = 0,87 мкм..Example 3. In this case, the same technology for producing multicomponent solid solutions was used as described above. Only the source crystal Al_0.02 Ga_0.98 P_0.02 As_{0.98 was} used, and the following components were used to obtain the melt solution; at.aluminum 0,0200; gallium 95.6000; indium 0.8660; phosphorus 0.0140; arsenic 3,5000. As a result, an epitaxial layer ofthickness h 62 mim of the following composition, at. aluminum 1.0; gallium 48.9; indium 0.1; phosphorus 1.0; arsenic 49.0. In this case, the wavelength corresponded to the maximum value λ = 0.87 μm.

В табл. 1 представлен количественный состав раствора-расплава и полученного из него эпитаксиального слоя, согласно примерам 1-3, а также для промежуточных составов. In the table. 1 shows the quantitative composition of the melt solution and the epitaxial layer obtained from it, according to examples 1-3, as well as for intermediate compositions.

Спектральный диапазон оптических свойств слоев различного состава, полученных из растворов-расплавов, представлены в табл.2. Данные, отраженные в табл. показывают, что полученные слои полупроводникового материала позволяют расширить спектральный диапазон от 0,59 до 0,87 мкм. The spectral range of the optical properties of layers of various compositions obtained from solutions-melts are presented in table 2. The data reflected in the table. show that the obtained layers of semiconductor material can expand the spectral range from 0.59 to 0.87 microns.

Исследования состава эпитаксиального слоя Al_xGa_yIn_1-x-yPzAs_1-z показали, что в случае подпитки его из кристалла-источника получались слои с однородным распределением компонентов по толщине от 5 до 96 мкм (см. табл. 2). Плотность дислокаций в таких слоях коррелирует с составом соответствующих трех- и четырехкомпонентных полупроводников (см. табл. 2). Рентгеноструктурные и люминесцентные исследования пятикомпонентных эпитаксиальных слоев показали улучшение структурного совершенства гетерограницы по сравнению с четырехкомпонентным твердым раствором (см. табл. 2 полуширина дифракционного максимума, механические напряжения, полуширина краевой полосы излучения).Studies of the composition of the Al_x Ga_y In_1-xy PzAs_1-z epitaxial layer showed that in the case of feeding it from the source crystal, layers with a uniform distribution of components in thickness from 5 to 96 μm were obtained (see Table 2). The dislocation density in such layers correlates with the composition of the corresponding three- and four-component semiconductors (see Table 2). X-ray structural and luminescent studies of five-component epitaxial layers showed an improvement in the structural perfection of the heteroboundary as compared to a four-component solid solution (see Table 2, half-width of the diffraction maximum, mechanical stresses, half-width of the edge radiation band).

Claims (1)

Translated fromRussian

Способ получения гетероструктур на основе полупроводниковых соединений A^IIIB^V путем осаждения эпитаксиального слоя на подложку GaAs из раствора расплава, содержащего Аl, Ga, As, Zn и Р, с подпиткой его из кристалла-источника, содержащего Ga и A, отличающийся тем, что, с целью повышения качества гетерограницы, улучшения однородности эпитаксиального слоя и расширения спектрального диапазона гетерограницы от 0,59 до 0,87 мкм, в кристалл-источник вводят дополнительно Al и Р и его компоненты берут в следующем соотношении, ат. Аl 1 17; Р 0,5 41,0; As 9,0 49,5; Ga остальное, а компоненты раствора-расплава берут в следующем соотношении, ат. А1 0,0019 0,0560; Р 0,0130 2,0500; As 3,500 22,3000; Zn 0,8660 - 92,4065; Ga остальное.A method of producing heterostructures based on semiconductor compounds A^III B^V by deposition of an epitaxial layer on a GaAs substrate from a melt solution containing Al, Ga, As, Zn and P, fed from a source crystal containing Ga and A, characterized in that , in order to improve the quality of the heteroboundary, improve the homogeneity of the epitaxial layer and expand the spectral range of the heteroboundary from 0.59 to 0.87 μm, Al and P are additionally introduced into the source crystal and its components are taken in the following ratio, at. Al 1 17; P 0.5 41.0; As 9.0 49.5; Ga the rest, and the components of the melt solution are taken in the following ratio, at. A1 0.0019 0.0560; P 0.0130 2.0500; As 3,500 22,3000; Zn 0.8660 - 92.4065; Ga rest.

Images