Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА С ВЫСОКИМ ВРЕМЕНЕМ ЖИЗНИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА С ВЫСОКИМ ВРЕМЕНЕМ ЖИЗНИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА С ВЫСОКИМ ВРЕМЕНЕМ ЖИЗНИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструкции гетероэпитаксиальной структуры. Сущность изобретения: полупроводниковая гетероэпитаксильная структура расположена на полупроводниковой монокристаллической подложке с гетероэпитаксиальным слоем n-типа и нарушенным слоем на границе раздела. Гетероэпитаксиальный слой содержит n+ -слоя, причем первый с толщиной, равной толщине нарушенного слоя, расположен на границе раздела с подложкой, а второй выполнен туннельно-непрозрачным для неосновных носителей и размещен на расстоянии, большем удвоенной длины экранирования Дебая от первого. Гетероэпитаксиальный слой дополнительно содержит сильно легированный p+ -слой толщиной, большей удвоенной длины экранирования Дебая, расположенный между первым и вторым сильно легированными слоями. 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2045106
Класс(ы) патента: H01L21/20
Номер заявки: 93013098/25
Дата подачи заявки: 10.03.1993
Дата публикации: 27.09.1995
Заявитель(и): Величко Александр Андреевич; Илюшин Владимир Александрович
Автор(ы): Величко Александр Андреевич; Илюшин Владимир Александрович
Патентообладатель(и): Величко Александр Андреевич; Илюшин Владимир Александрович
Описание изобретения: 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 τPN, которое определяется высокой плотностью дислокаций несоответствия (ДН) и других структурных дефектов
τPN= ND-1 [c] (1) где ND плотность дислокаций несоответствия в [см-2] Плотность NDдостигает на границе раздела (ГР) значений 1012 см-2, соответственно τPN≃ 10-12c С удалением от границы раздела ND уменьшается по гипеpболическому закону.
Малое время жизни τPN 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 γS γW + γV, (2) где γV=eni2Lp/ND<˙>τp (3) величина диффузионного тока, определяемая концентрацией и временем жизни τp неосновных носителей в электронейтральной области n/n, а
γW= eni˙W/τg (4) генерационный ток дырок в области пространственного заряда (ОПЗ);
τg и τp генерационное и время жизни соответственно. В модели Шокли-Рида τg τp [1] Для большинства монокристаллических полупроводников τp ≃ 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
γVW=(eni2Lp/Nd τ PN)exp(-d/Lp), (5) учитывающий образование дырок у ГР с временем жизни τPN и их диффузию к активной области, где Lp диффузионная длина (обычно Lp=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
γS= γW+ γV+ γVW. (6)
Видно, что при τp >> τ pN величина обратного тока γS 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 Ес, Еv, Ef, Eg дно зоны проводимости, потолок валентной зоны, уровень Ферми и ширина запрещенной зоны соответственно, а также Φ- 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 ND. Плотность ND на границе раздела достигает значений ND=1012 см-2 для гетеросистемы InAs/GaAs, быстро уменьшается с ростом толщины до ND=108 см-2, а затем плавно уменьшается с толщиной по гиперболическому закону. При достаточном (3-5 мкм) удавлении от границы раздела ND уменьшается настолько, что τPN=ND-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 ΦЕg+ Δ ϕ гдe Δ ϕ величина барьера, определяемая сдвигом Мосс-Бурштейна.
Для InAs при Т=300 К Eg 0,4 эВ Δ ϕ ≥ 0,1 эВ, соответственно Φ 0,5 эВ и концентрация дырок в области 4 равна
P(4)=P+exp(-Φ/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 Δ ϕ 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 pi ≈ 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 Рi.
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 Φ для неосновных носителей на расстоянии, от границы раздела, равном толщине дефектного слоя, получим в активном слое кремния концентрацию неосновных носителей, равную
Pn ≅ P+exp(- Φ /kT), ΦEg+ Δ ϕ
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
Pi ≈ NcNv.exp(-Eg/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.
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.