МАТЕРИАЛ ДЛЯ ФОТОПРОВОДЯЩИХ АНТЕНН

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 (As_Ga), межузельный атом мышьяка (As_i), вакансия атома галлия (V_Ga), причем концентрация As_Ga гораздо больше (примерно в 1000 раз), чем концентрация V_Ga. Именно дефект As_Ga 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 As_Ga должен находиться в заряженном состоянии As_Ga⁺, то есть атом мышьяка должен отдать пятый внешний электрон.

Для того чтобы увеличить концентрацию заряженных дефектов As_Ga⁺, 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 As_Ga, из-за чего дефекты As_Ga, переходят в заряженное состояние As_Ga⁺ [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 As_Ga перейдут на акцепторные уровни атомов кремния, точечные дефекты As_Ga окажутся ионизированными (As_Ga⁺) 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 As_Ga⁺ 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.