Разработка технологии изготовления фоточувствительных многослойных структур на основе арсенида галлия

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мире одним из важных физико-технологических проблем в динамично развивающемся направлении микро и оптоэлектроники является разработка многослойных фоточувствительных структур на основе полупроводниковых материалов с улучшенными функциональными характеристиками. При этом изучение взаимосвязи электрофизических параметров активной области арсенидгаллиевых фоточувствительных структур с их эксплуатационными параметрами позволит получить новые технические решения способствующие раскрытию ранее неизвестных возможностей многослойных фоточувствительных структур. Работы, проводимые по усовершенствованию канальной области полевого транзистора, решению проблем снижения энергопотребления, по разработке полевых транзисторов с р-п-переходом, а также по разработке технологии изготовления фоточувствительных структур являются перспективными направлениями исследований. Применение многослойных полупроводниковых приборов, в том числе фотодиодов и транзисторов в автомобильной промышленности и телекоммуникации требует повышения их рабочей частоты, линеаризации передаточных характеристик, увеличения коэффициентов усиления и исследования схем подключения. В связи с этим в целях оптимизации конструктивных параметров полевых транзисторов исследования, проводимые по влиянию на свойства полевых транзисторов, параметров эпитаксиальных структур являются актуальными. Данная исследоватальская работа направлена на разработку способа эпитаксиального роста полупроводниковых материалов путем смещивания растворов-расплавов, а также получению арсенидгаллиевых многослойных фоточувствительных структур с управляемым градиентом распределения примесей и подвижности, и фотодиодных структур с микрорельефной границей раздела. Улучшение функциональных характеристик таких структур, получение фотчувствительных полевых транзисторов во взаимосвязи с особенностями технологии изготовления и обеспечение их работоспособности в энергосберегающем режиме является необходимостью диссертации. Настоящая диссертация служит выполнению в определенной степени задачи по повышению конкурентоспособности изделий электронной техники касающейся, в частности, задач отмеченных в постановлении Президента Республики Узбекистан ПП-1442 “О приоритетах развития промышленности республики Узбекистан в 2011 - 2015 годах” от 15 декабря 2010 года. Целью исследования является разработка технологии изготовления арсенидгаллиевых многослойных фоточувствительных структур на основе эпитаксиальных слоев с заданным профилем распределения примесей и текстурированной поверхностью, улучшение их функциональных характеристик и изучение новых режимов приборного включения. Научная новизна исследования заключается в следующем: впервые разработан способ неизотермического процесса выращивания эпитаксиального слоя полупроводниковых соединений А3В5 с профилем распределения примесей задаваемым скоростью смешивания дополнительного раствора-расплава в основной раствор-расплав и проведено физико-технологическое моделирование профиля распределения примесей по толщине выращиваемых эпитаксиальных слоев; разработана технология диффузии примеси цинка в арсенид галлия с текстурированной поверхностью с последующим ростом эпитаксиального гетерослоя, установлены оптимальные режимы заключающиеся в диффузии -цинка при 800 °C в течение 80 минут и роста гетерослоя в интервале температур от 813 °C до 809 °C со скоростью охлаждения 1 град/минут в едином процессе; предложены технологии получения изотопной двухбарьерной nGa(X_x}>02As -nGaAs -гетероструктуры на основе индийсодержащего эпитаксиального слоя арсенида галлия с технологически текстурированной поверхностью в виде гофров при избытке индия, создающем различие параметров решеток в ~1.4% с подложкой арсенида галлия и фотовольтаической pAlxxxGaMAs- pGa0MIn0MAs - nGaAs -структуры с технологически текстурированной поверхностью в виде выпуклых пирамид (с основанием 4060 мкм и высотой 8-40 мкм) при избытке легирующей примеси германия в 3.1 моль.% во фронтальном гетерослое pAl0XGa04As : Ge выращенном на индийсодержащем гетерослое; впервые изготовлен фоточувствительный полевой транзистор на арсениде галлия с отрицательным (убывающим к поверхности) градиентом примесей в канале, имеющий фоточувствительность в два раза больший по сравнению с полевым транзистором с положительным градиентом примесей и в 3.5 раза больший коэффициент усиления в отличие от известных аналогов; предложены способы и режимы включения полевого транзистора, обеспечивающие его работу в качестве фотоприемника с максимальной чувствительностью, малоинерционного фоторезистора и переключателя больших мощностей в электронных схемах; проведен физико-математический расчет токопереноса в полевых транзисторах на основе арсенида галлия с управляющим р-п-переходом с учетом градиента подвижности носителей и влияния поверхностных состояний, впервые показана возможность линеаризации передаточных характеристик полевых транзисторов с длинным каналом; разработана универсальная микросхема с четырьмя выводами на основе “двухтранзисторной ячейки” с синхронно модулируемыми каналами, обеспечивающая на порядок (70 против 7 в обычных случаях) больший коэффициент усиления в режиме, близком к отсечке канала; впервые создан дистанционно-управляемый оптоэлектронный ключ, обеспечивающий одним световым зондом включение-выключение электроприборов и технологических оборудований, состоящий из усилителя с входным каскадом на полевом транзисторе, между затвором и сопротивлением истока которого введен фотоприемник на основе двухбарьерной структуры; впервые собран модулятор оптических сигналов, позволяющий повысить срок службы полупроводниковых светоизлучающих приборов, содержащий полупроводниковый излучатель света и выполняющий функции источника тока и ключа один полевой транзистор взамен двух биполярных транзисторов, где входной сигнал подается к истоку; разработан генератор стабилизированных токов на основе «двухтранзисторной ячейки» с линеаризованной передаточной характеристикой, который предназначен для использования в качестве прецизионно-регулируемого генератора тока с малым шагом, обеспечивающим измерение вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов с резко возрастающим током типа стабилитрона, ограничителей напряжения или S - диодов. Заключение 1. Разработан новый способ жидкостной эпитаксии, обеспечивающий формирование заданного профиля распределения примесей по толщине эпитаксиальных слоев выращиваемых путем смешивания в основной раствор-расплав, контактирующий с подложкой, дополнительного раствора-расплава дискретными частями с управляемой скоростью. 2. Проведено расчетно-аналитическое исследование профиля распределения примесей по толщине выращиваемых эпитаксиальных слоев из раствора-расплава с неизменным объемом и с увеличивающимся объемом, где скорость подачи дополнительного раствора-расплава в основной раствор-расплав задает профиль распределения примесей. 3. Установлены оптимальные режимы диффузии цинка на текстурированную поверхность базовой области и последующего роста эпитаксиального гетерослоя в едином процессе. Путем компьютерного моделирования процесса диффузии металла в полупроводник с неплоской поверхностью показано, что, по мере увеличения времени диффузии, профиль границы р-п-перехода становится все более плоской, что согласуется с экспериментальными результатами. 4. Разработана технология получения изотопной двухбарьерной nGa(i_x^>0iIn&01As - NGaAs -гетероструктуры на основе индийсодержащего эпитаксиального слоя арсенида галлия с технологически текстурированной поверхностью в виде гофров при избытке индия, создающем различие параметров решеток в ~1.4% с подложкой арсенида галлия. 5. Разработана технология получения фотовольтаической pAl(UGa04As -pGaM4In00bAs -nGaAs -структуры с технологически текстурированной поверхностью в виде выпуклых пирамид (с основанием 40-60 мкм и высотой 8-10 мкм) при легирующей примеси германия в 3.1 моль.% во фронтальном гетерослое pAl0lGaMAs выращенном на индийсодержащем гетерослое. 6. Разработан дистанционно-управляемый оптоэлектронный ключ, обеспечивающий включение-выключение электроприборов и технологических оборудований с помощью одного светового зонда, состоящий из усилителя с входным каскадом на полевом транзисторе, в котором между затвором и сопротивлением истока введен фотоприемник на основе двухбарьерной структуры с высоким входным сопротивлением. 7. Разработан модулятор оптических сигналов, содержащий полупроводниковый излучатель света, источник тока и ключа на одном полевом транзисторе вместо двух биполярных транзисторов, что позволяет сохранить стабилизированный ток и исключить искажения сигнала связанные с большой емкостью биполярного транзистора. 8. Разработан фоточувствительный полевой транзистор на арсениде галлия с отрицательным градиентом примесей в канале имеющий в два раза большую фоточувствительность (800 A/Вт) и в 6 раз больший коэффициент усиления по току (60) по сравнению с полевым транзистором с положительным градиентом примесей. 9. Проведено расчетно-аналитическое исследование стоковых вольтамперных характеристик полевого транзистора с длинным каналом с учетом градиента распределения примесей и подвижности по толщине канала, объясняющее проявление в нем свойств коротко-канального полевого транзистора и возможность его использования в экономичном режиме. 10. Предложена универсальная микросхема с четырьмя выводами на основе «двухтранзисторной ячейки» с синхронно модулируемыми каналами, обеспечивающими на порядок больший коэффициент усиления в режиме, близком к отсечке канала, в сравнении со схемой с динамической нагрузкой на полевом транзисторе. 11. Разработан генератор стабилизированных токов на основе «двухтранзисторной ячейки» с линеаризованной передаточной характеристикой, который предназначен для использования в режиме заданного прецизионно-регулируемого тока с малым шагом, обеспечивающим измерение вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов с резко возрастающим током типа стабилитрона, ограничителей напряжения или S - диодов.