автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка процесса формирования структур с множественными квантовыми ямами для многоэлементных фотоприемников ИК-диапазона методом МОС-гидридной эпитаксии

Асп

экз. № О Р.

На правах рукописи

ЗАЛЕВСКИЙ ИГОРЬ ДМИТРИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР С МНОЖЕСТВЕННЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ ДЛЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ ИК-ДИАПАЗОНА МЕТОДОМ МОС-ГИДРИДНОЙ ЭПИТАКСИИ

Специальность: 05.27.06 "Технология полупроводников и материалов электронной техники"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Развитие тепловизионных систем является одним из важнейших направлений оптоэлектронного приборостроения. Инфракрасные фотоприемники (ИК-ФП), работающие в спектральном диапазоне 8-И2мкм, находят широкое применение в приборных устройствах как военного, так и гражданского применения. Они используются, в частности, в системах обнаружения и наведения, в системах обеспечения безопасности различных объектов, в системах навигации воздушных и морских судов, а также при реализации бесконтактных методов контроля различных тепловых процессов в металлургии, пищевой промышленности, энергетике, медицине и пр. Спектр поглощения более 70 газов, утечку которых необходимо контролировать при осуществлении экологического мониторинга, лежит в области Э-ИЧмкм.

Разработки ИК-ФП для указанного спектрального диапазона в ведущих странах мира резко активизировались в период холодной войны и составляли, например, существенную часть американской программы СОИ. Разработка технологии высокоэффективных ИК-приемников в США и в настоящее время рассматривается как важнейшее направление в создании систем вооружения (программа "Critical Technologies Plan"). Такие разработки ведутся и в нашей стране, однако в целом можно констатировать серьезное отставание уровня развития отечественных тепловизионных систем от уровня таких стран, как США, Франция, Англия, Германия и Япония. Основными причинами, сдерживающими расширение применения ИК-систем, являются их дороговизна и невысокая надежность. Поэтому разработка новых, относительно недорогих ИК-ФП, а также снижение себестоимости и улучшение параметров уже существующих, являются актуальной научно-технической задачей.

В развитии элементной базы ИК-систем за последнее десятилетие достигнут значительный прогресс, который коснулся, в первую очередь, фотоприемных устройств (ФПУ). Это связано прежде всего с разработкой многоэлементных фотоприемников, что привело к существенному расширению возможностей ИК-ФП. Одним из новых типов ФП, которые в настоящее время широко используются за рубежом при разработке многоэлементных ФПУ третьего поколения и тепловизионных камер, являются ФП на основе структур с множественными квантовыми ямами (ФП-МКЯ). Ожидается, что ФПУ на основе ФП-МКЯ в системе 6аАз/А1хОа,.хАз объединят преимущества ФПУ на основе силицида платины (высокая однородность, высокий выход годных, стойкость к радиации, большой формат с монолитно интегрированной электроникой, низкая цена) с достоинствами НдхСс11.хТе (высокая квантовая эффективность, возможность достижения фоточувствительности в длинноволновой области). Создание подобных ФПУ стало возможным в основном благодаря развитию таких технологических методов как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и МОС-гидридная газофазная эпитаксия (МОСГФЭ). Указанные методы позволяют формировать сверхтонкие многослойные эпитаксиальные полупроводниковые гетероструктуры (гетероструктуры с множественными квантовыми ямами - ГС-МКЯ), с высокой однородностью состава эпитаксиальных слоев.

С точки зрения организации крупномасштабного производства особенно привлекательным выглядит использование метода МОСГФЭ, обладающего гораздо более высокой производительностью по сравнению с МЛЭ при возможности обеспечения качества ГС на том же уровне. Поэтому представляется актуальной и перспективной разработка процесса получения ГС-МКЯ для ИК-ФП именно методом МОСГФЭ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы являлась разработка процесса выращивания ГС-МКЯ для многоэлементных ИК-ФП методом МОСГФЭ.

В соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи диссертации:

1. Выполнить расчет ИК-ФП на спектральный диапазон 8с12мкм на основе ГС-МКЯ СаАз/АМЗа^Аэ.

2. Получить ГС-МКЯ СаАз/А^Са^Аэ приборного качества методом МОСГФЭ.

3. Изучить фотоэлектрические характеристики полученных ГС-МКЯ.

4. Исследовать влияние параметров МОСГФЭ и особенностей ГС-МКЯ на характеристики ИК-ФП.

5. Разработать опытную технологию получения ГС-МКЯ для многоэлементных ИК-ФП методом МОСГФЭ при пониженном давлении.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Проведен расчет квантоворазмерного ИК-ФП. С учетом того, что для достижения наилучших характеристик (обнаружительной способности, темновых токов, спектральной чувствительности) необходимо соблюдение условия резонанса, когда первый уровень в легированной яме находится вблизи дна ямы, а второй уровень находится на уровне континуума, предложены технологически целесообразные параметры ГС-МКЯ (толщина и уровень легирования КЯ, состав и уровень легирования барьера). Проанализировано влияние флуктуаций геометрии выращиваемых структур на параметры ИК-ФП.

2. Впервые выполнен комплекс исследований по формированию ГС-МКЯ для квантоворазмерных ИК-ФП методом

МОСГФЭ при пониженном давлении и изучено влияние технологических параметров МОСГФЭ на качество получаемых структур.

3. Установлено, что определяющее влияние на параметры ФП-МКЯ оказывают качество барьерных слоев и интерфейсы барьер-яма, яма-барьер. Определены зависимости указанных характеристик от параметров процесса МОСГФЭ. Выявлена корреляция между величиной фотовольтаического сигнала в спектре пропускания при комнатной температуре, полушириной сигнала низкотемпературной фотолюминесценции от МКЯ и параметрами ИК-ФП.

4. Показано, что в ИК-фотопроводимости, обусловленной возбуждением электронов из локализованных состояний в ямах на состояние в континууме, существенную роль играет концентрация донорных центров в квантовых ямах. Предложены оптимальные уровни легирования квантовых ям.

5. Впервые обнаружен и проанализирован волноводный эффект в ГС-МКЯ, выращенных на проводящих подложках СаАэ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

1. Определены оптимальные толщины и уровни легирования ям, толщина и высота барьеров в ГС-МКЯ, предназначенных для изготовления квантоворазмерных ИК-ФП. Сопоставлением расчетных и экспериментальных данных установлены конкретные способы прецизионного управления свойствами ГС и достижения максимума спектральной чувствительности ФП путем изменения параметров ГС-МКЯ.

2. На основе комплексных исследований влияния технологических условий процесса эпитаксии на характеристики формируемых гетероструктур разработана опытная технология

получения ГС-МКЯ СаАз/А^Са^Аэ, пригодных для изготовления многоэлементных ИК-ФП методом МОСГФЭ.

3. Разработан и изготовлен из отечественных комплектующих горизонтальный реактор средней производительности БЮМОС-130 (загрузка реактора за один процесс составляет пять пластин 0 40мм или три пластины 0 51мм) для МОСГФЭ при пониженном давлении, обеспечивающий выращивание ГС-МКЯ. Высокая однородность параметров (разброс уровня легирования, толщины КЯ, состава твердого раствора в барьерах составляет □"!%), низкая дефектность, воспроизводимость параметров от процесса к процессу, дает возможность выращивать ГС-МКЯ, пригодные для изготовления матриц ИК-ФП большого (128x128 и более элементов) формата.

4. На основе корреляции между величиной фотовольтаического сигнала в спектре оптического пропускания, снимаемого при комнатной температуре, полушириной сигнала низкотемпературной фотолюминесценции от МКЯ и параметрами ИК-ФП предложен простой и экономичный экспресс-метод предварительной сертификации ГС-МКЯ с прогнозированием их пригодности для изготовления ИК-ФП и матриц на их основе.

5. На базе выращенных ГС-МКЯ СаАз/А1хОа,.хАз изготовлены гибридная фоточувствительная схема и фотоприемное устройство и подтверждена их работоспособность. Показана возможность -использования волноводного эффекта, выявленного в ГС-МКЯ на подложках легированного СаАэ, для изготовления фотоприемных линеек с улучшенными приборными характеристиками.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Результаты расчета оптимальной ГС-МКЯ GaAs/AlxGaf.xAs для ИК-ФП на спектральный диапазон 8d12mkm.

2. Результаты исследования влияния технологических параметров МОСГФЭ на характеристики ГС-МКЯ.

3. Результаты оптимизации процесса МОСГФЭ для получения высокооднородных ГС-МКЯ, пригодных для изготовления многоэлементных ИК-ФП.

4. Результаты исследования фотоэлектрических характеристик

ГС-МКЯ.

5. Результаты исследования взаимосвязи технологических параметров МОСГФЭ, особенностей полученных ГС-МКЯ с характеристиками ИК-ФП.

6. Опытная технология получения ГС-МКЯ GaAs/AlxGa,.xAs в условиях МОСГФЭ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на I Международной конференции по физике узкозонных полупроводников (Southampton, UK, 1992), на II! Международной конференции по ПЗС (Геледжик, 1992), SPIE - Photonics West (San Jose, USA, 1995, 1996), IX Российском симпозиуме по сканирующей электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердого тела (Черноголовка,

1995), на V Международной конференции по ПЗС-приборам и системам на их основе (Новый Свет, Крым, 1995), ECASIA'95 (Montreux, Switzerland,

1996).

ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертации опубликовано 13 работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 194 страницы, включая 55 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 316 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко охарактеризовано современное состояние и перспективы использования ИК-ФП на основе ГС-МКЯ, дано обоснование актуальности, научной новизны и практической значимости выбранной темы.

Первая глава содержит обзор научно-технической литературы по ИК-ФП на основе ГС-МКЯ. Проанализировано состояние и динамика развития ФП-МКЯ. Рассмотрены основные типы ФП-МКЯ. Описаны их оптические и электрические характеристики. Показаны преимущества ФП-МКЯ СаАэ/А^Оа^Аз перед ФП на основе Нд^Сс^.Де на спектральный диапазон 8П12мкм. Перечислены основные методы получения ГС-МКЯ. Особое внимание уделено МОСГФЭ - наиболее перспективному методу промышленного производства многоэлементных ИК-ФП. Изложены основные принципы, условия эксплуатации и проектирования МОСГФЭ. Обсуждены технологические режимы выращивания ГС-МКЯ ОаАз/А1хОа,. хАэ. Сделан вывод о недостатке ключевой информации по технологии МОСГФЭ для грамотного ее применения. На основании анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлен расчет оптимальной ГС-МКЯ СаАэ/А^Са^Аэ для ИК-ФП на спектральный диапазон 8П12мкм. Параметры ФП-МКЯ определяются многими факторами: толщиной КЯ, высотой и зонным профилем широкозонного барьера, числом периодов сверхрешетки, уровнем и профилем легирования как ямы, так и барьеров и другими. С точки зрения разработки ФП-МКЯ наиболее информативными являются зависимости толщины КЯ от состава барьера при фиксированном максимуме спектральной чувствительности, определенные в рамках модели прямоугольных ям. Задаваясь желаемым максимумом спектральной чувствительности ФП-МКЯ, можно легко определить набор параметров, требуемых для получения соответствующей ГС-МКЯ. При этом с увеличением значений х в барьерных слоях А1х6а(.хАз возрастает зависимость максимума спектральной чувствительности ФП от толщины КЯ. Поэтому с точки зрения воспроизводимости получаемых результатов, целесообразней работать в области низких значений х. При этом нижняя граница этих значений определяется максимальной толщиной КЯ, при которой второй уровень размерного квантования "выдавлен" в континуум для повышения вероятности оптических переходов. Задаваясь максимумом спектральной чувствительности Л=10мкм для требуемого диапазона 8П12мкм получаем минимально допустимый состав барьерного слоя, соответствующий х~0.22. Наиболее целесообразным является выбор значений х=0.2400.28, при этом толщина активных слоев возрастает до /.г=35П50А, что увеличивает коэффициент оптического поглощения ГС-МКЯ и, следовательно, ее чувствительность.

Показано значительное влияние легирования КЯ и барьеров на характеристики ФП-МКЯ. С точки зрения повышения чувствительности ФП-МКЯ необходимо соблюдать условие вырождения двумерного

электронного газа. При этом для уменьшения темновых токов требуется увеличение толщины барьеров при одновременном понижении донорного фонового уровня их легирования (Л/02). Поэтому для получения хорошей фоточувствительности при малых темновых токах необходимо повышать уровень легирования КЯ (п01). С учетом указанных соображений оптимальным уровнем легирования КЯ представляется п01~2-З Ю18см"3 при Л/О2-1-2-1016см"3.

Третья глава посвящена разработке оборудования для МОСГФЭ ГС-МКЯ и методам их исследования. Сформулированы требования ко всем узлам установки МОСГФЭ, на основании которых предложена и изготовлена установка, обеспечивающая проведение процессов при пониженном давлении. Конструкция установки включает горизонтальный кварцевый реактор круглого сечения, оснащенный стационарным графитовым подложкодержателем, нагревательную систему (лучистый нагрев при помощи галогенных ламп) и систему газораспределения. В ходе изучения ее основных эксплуатационных характеристик в конструкцию установки внесены усовершенствования. Для повышения воспроизводимости и производительности процесса , а также для улучшения однородности состава эпитаксиальных слоев осуществлена автоматизация установки и разработан горизонтальный кварцевый реактор прямоугольного сечения с вращающимся при помощи потока газа-носителя графитовым подложкодержателем. Новый реактор был оснащен телескопическим вакуумным роботом-загрузчиком, исключающим попадание следов атмосферы в реактор. Описана методика работы на указанном оборудовании.

Для контроля параметров ГС-МКЯ использовали методы оптической микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, измерения ЭДС Холла, электрохимического профилирования, измерения спектров

оптического пропускания, низкотемпературной катодо- и фотолюминесценции, спектроскопии глубоких уровней, Оже-спектроскопии, масс-спектрометрии вторичных ионов, растровой электронной микроскопии и измерения спектров фотопроводимости.

В четвертой главе рассмотрены основные методические особенности особенности процесса МОСГФЭ применительно к получению ГС-МКЯ СаАз/А1х6а,.хАз для ФП и представлены основные результаты технологических разработок. В качестве исходных веществ использовали: Са(С2Н5)3, А1(СН3)3, АэНз, 31Н4 и Н2. Водород очищали диффузией через палладиевый фильтр до точки росы не выше 173К. Арсин дополнительно подвергали специальной двухступенчатой очистке с использованием физических и химических методов. Одним из условий получения ГС-МКЯ приборного качества является наращивание высококачественных эпитаксиальных слоев СаАэ и А1хСа,.хАз в одном технологическом процессе. В то же время оптимальные условия получения каждого из указанных материалов различаются. В результате экспериментальных исследований показано, что наиболее целесообразным является выбор таких условий МОСГФЭ, которые обеспечивают повышенное качество слоев А1хСа,.хАз, пусть даже несколько в ущерб качеству слоев баАэ, так как это не столь катастрофически сказывается на характеристиках ИК-ФП.

Экспериментально установлено, что оптимальная температура получения высококачественного А^Са^Аэ лежит в диапазоне 973-И ОЗЗК. Показано, что при более высоких температурах выращивания наряду с улучшением качества А1хСа}.хАз (снижение числа глубоких центров и связанной с этим компенсации) увеличивается уровень фонового легирования (ЭХ-Б! и ОХ-С центры), что приводит к значительному росту темнового тока в ФП-МКЯ. Кроме этого, повышение температуры может

привести к возрастанию вероятности протекания нежелательных процессов десорбции осаждаемых продуктов с поверхности кристаллизации и гомогенного разложения газообразных соединений до достижения ими реакционной зоны. С другой стороны, снижение температуры приводит к увеличению концентрации глубоких уровней, связанных с кислородом (Е3), что снижает чувствительность ФП-МКЯ. Установлено, что чем выше значения х в AlxGaj.xAs, тем более высокая температура в рамках указанного диапазона требуется для получения высококачественного материала.

Обнаружено, что при выращивании AlxGa).xAs желательно использовать высокое соотношение \//III в газовой фазе (порядка 100П200). Повышение указанного соотношения приводит к значительному снижению концентрации глубоких центров Е3, что улучшает люминесцентные свойства и транспорт носителей в ГС-МКЯ. При этом наблюдается и рост концентрации DX-Si центров, что приводит к повышению фонового донорного уровня легирования. По-видимому, причинами указанных фактов являются как наличие соответствующих примесей в исходном арсине, так и подавление реакции образования вакансий мышьяка в AlxGaj_xAs. Нижний предел соотношения V/III определяется требуемым качеством материала, а верхний предел -технико-экономическими факторами, такими как конечная мощность форвакуумного насоса при необходимости поддержания постоянного давления в реакторе в течение достаточно длительного времени и высокая стоимость арсина.

Понижение давления в реакторе приводит к улучшению возможности ламинарного истечения газов и подавлению неконтролируемой конвекции за счет уменьшения плотности газовой среды. Следствием этого является улучшение однородности осаждаемых

слоев, возможность получения более резких гетерограниц между слоями и снижение автолегирования. С другой стороны, понижение давления имеет свой технологический предел, задаваемый мощностью форвакуумного насоса и дизайном газовой схемы установки. Кроме этого, при понижении давления степень разложения арсина уменьшается, что эквивалентно уменьшению эффективного соотношения V/III. Таким образом, существует оптимальная область давлений, где возможно использовать преимущества пониженного давления и не увеличивать значительно расход арсина. Установлено, что указанная область соответствует диапазону давлений 6500п10500Па.

Показано, что увеличение расхода разбавляющего газа-носителя, с одной стороны, приводит к снижению скорости роста, а с другой - к повышению однородности параметров ГС-МКЯ. Нижняя граница значений расхода газа-носителя определяется минимально допустимой однородностью параметров эпитаксиальных слоев, осаждаемых в одном процессе, а верхняя связана с необходимостью соблюдения ламинарности газового потока и технологически приемлемой скорости роста, а также с конечной производительностью форвакуумного насоса и установки очистки газа-носителя. Кроме этого, увеличение расхода газа-носителя приводит к росту температурного градиента по длине подложкодержателя, так как его начальная часть по отношению к входящему газовому потоку все в большей степени им охлаждается. Замечено, что повышение расхода водорода от 18 до 21л/мин приводит к увеличению интенсивности фотолюминесценции от МКЯ требуемой толщины (35П50А), но наряду с этим наблюдается ухудшение однородности МКЯ. Так как конечной целью работы является создание технологии получения ГС-МКЯ для многоэлементных ИК-ФП, то выбор

был сделан на режимах, обеспечивающих разумный компромисс между указанными характеристиками.

Установлено, что скорость эпитаксиального роста, как и перечисленные выше параметры, имеет оптимум (ЗПЮА/с). Нижняя граница значений связана с экономической эффективностью процесса МОСГФЭ. При такой скорости роста производительность МОСГФЭ сравнивается с МЛЭ. Верхняя же граница обусловлена временем, минимально необходимым для коммутации газового потока и последующего установления стационарного режима его истечения. Неопределенность в работе исполнительных элементов установки МОСГФЭ составляет порядка 0.5с, что приводит к воспроизводимости толщины КЯ в пределах 1 периода решетки при скорости роста ЮА/с. Задаваясь неопределенностью толщины КЯ в полпериода, получаем оптимальную скорость роста ГС-МКЯ 405А/с.

Показано, что для воспроизводимого получения гладких в плоскости роста и резких гетерограниц в ГС-МКЯ необходимо оптимизировать переходные процессы между ветками реактор/байпас в газовой схеме установки. Длительность переходного процесса определяется величиной и знаком разбаланса давления в газовой схеме между указанными ветками и в значительной степени зависит от особенностей конструкции установки и технологических режимов выращивания. Установлено, что имеющуюся газовую схему предпочтительнее использовать при нулевом или небольшом положительном разбалансах (0 П +400Па).

Рассмотрено влияние степени очистки исходных материалов: МОС (Са(С2Н5)3, А1(СН3)3); гидридных газов (АэНз, Б^); газов-носителей (Н2, (М2); конструкционных материалов (стали, кварца, графита) и подложек на качество ГС-МКЯ. Указано на необходимость обязательной сертификации

каждого нового испарителя с МОС путем выращивания тестовых структур с последующим анализом их электрофизических характеристик. Аналогично поступают и с гидридными газами. Особое внимание следует уделить арсину, для чего предложена его дополнительная двухстадийная очистка на цеолите и арсениде калия-натрия. Обсужден выбор конструкционных материалов.

Продемонстрировано улучшение однородности и производительности ГС-МКЯ при использовании реактора с вращающимся подложкодержателем. Проанализирован выбор оптимальных технологических режимов для работы на новом реакторе.

Пятая глава посвящена исследованию фотоэлектрических характеристик ГС-МКЯ, топологии и параметров ИК-ФП, изготовленных на их основе.

Представлены спектры ИК-фотопроводимости ГС-МКЯ с максимумом вблизи Л=9.6мкм (рис.1). Отмечено, что при низких температурах в спектре наблюдаются два пика. Наблюдаемые изменения в спектре фотопроводимости качественно объясняются тем фактом, что при низких температурах часть донорных уровней в запрещенной зоне активного слоя оказывается заполненной электронами, которые могут с этих уровней возбуждаться в континуум, давая свой вклад в фотопроводимость. Действительно, на рис.1 хорошо виден второй пик в более коротковолновой области, коррелирующий с глубиной залегания донорной примеси. Повышение температуры приводит к ионизации все большего числа доноров и указанный эффект проявляется все слабее.

Данное предположение было подтверждено исследованием спектров низкотемпературной катодолюминесценции этих же ГС-МКЯ.

1.0 0.8

Ч 0.6

<и

К ё

_г 0.4 0.2

0

5 6 7 8 9 10 И 12

X, МКМ

Изучены темновые вольт-амперные характеристики ГС-МКЯ при

Рис.1 Спектры фотопроводимости ГС-МКЯ ОаАэ/А1хСа,.хАз, измеренные при 7=40 К. Стрелками показаны порог фотовозбуждения и энергия фотоионизации доноров. I), В: 1 - 0.2, 2 - 0.5, 3 - 4.0; 1макс. нА: 1 - 2, 2 - 6, 3 - 5.

различных температурах. Отмечено, что при малых напряжениях темновой ток изменяется более, чем на 9 порядков при повышении температуры от ЗОК до 90К. При малых напряжениях (1/=1В) и более высоких температурах (7"=50К) зависимость темнового тока от температуры характеризуются энергией активации АЕ= 0.118п0.008эВ, что хорошо согласуется с данными по фотопроводимости и интерпретацией данных по катодолюминесценции. При больших

пу, эВ

0.24 0.20 0.18 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11

\ Ч

I АЕс ЬУ0 \\Ч

напряжениях и меньших температурах положения точек в координатах Аррениуоа сильно отклоняется от прямых. В этой области напряжений и температур преобладает туннельный механизм активации электронов, кроме этого в области сильных полей необходимо рассматривать насыщение скорости горячих электронов.

Изучены фотовольтаические спектры (ФВС) ГС-МКЯ при Т=300К (рис.2). Наличие МКЯ приводит к появлению дополнительного пика в спектре, обусловленного переходами между первым электронным уровнем размерного квантования и уровнем тяжелых дырок. Его

X, им

Рис.2 Типичные фотовольтаические спектры ГС-МКЯ СаАз/А^Са^Аэ (7=300К) приборного (1) и неудовлетворительного (2) качества.

положение сдвинуто в область высоких энергий по сравнению с объемным СаАэ и определяется как толщиной квантовой ямы, так и величиной барьера А1хСа;.хАз. Величина и внешний вид указанного пика зависят от количества, качества и идентичности МКЯ. Обнаружена корреляциямежду интенсивностью ФВС, а также его формой и приборными параметрами ИК-ФП, полученными из данных структур. Эта зависимость проявляется настолько явно, что позволяет отбраковывать заведомо неприемлемые ГС-МКЯ (рис.2).

Описана топология дискретных ФП-МКЯ и представлены их основные характеристики. Максимум спектральной чувствительности соответствовал Лр=8.7мкм. Темновой ток прибора составил /т=4Ю"8А, абсолютная чувствительность в максимуме спектра поглощения достигала 0.8А/Вт (при смещении 1/=2В и размерах ФП - 150x150 мкм), а обнаружительная способность - 2-Ю10Вт'1смГц1'2 при рабочей температуре 7=55-60К.

Впервые обнаружен волноводный эффект в ГС-МКЯ, выращенных на проводящих подложках СаАэ (рис.3). Его причиной является разность в коэффициентах оптического преломления между сильно легированной подложкой (~3-1018см"3) и слабо легированными барьерными слоями А1хСа?.хАз (~1-1016см'3). Показано, что волноводный эффект заметен при толщине преломляющего слоя аАэ ГС-МКЯ и СаАз/А1хОа?.хАз не менее 2ПЗмкм. Полученные результаты подтверждают возможность реализации волноводного распространения излучения, вводимого в ИК-ФП, изготовленного на проводящей подложке, что позволит наряду с повышением квантовой эффективности ФП значительно упростить конструкцию МКЯ и повысить ее технологичность.

В принципе, для оптического ограничения вместо проводящей можно использовать и полуизолирующую подложку с выращенным на ней

Рис.3 Спектр фоточувствительности ГС-МКЯ СаАэ/А^Са^Аз при 7=40К, выращенной на проводящей подложке СаАэ.

сильно легированным слоем, имеющим толщину, превышающую глубину проникновения поля электромагнитной волны (т.е. в несколько микрометров), хотя это и приведет к значительному увеличению общей толщины структуры. Заметим, что обсуждавшийся в настоящей работе эффект не наблюдался в экспериментах других исследователей, по-видимому, по той причине, что ими использовались ГС-МКЯ, выращенные на полуизолирующих подложках, а проводящий слой между МКЯ и подложкой не превышал обычно 1 мкм. В результате необходимого оптического ограничения не обеспечивалось.

Рассмотрена топология многоэлементных ИК-ФП, обсужден маршрут их изготовления и приведены основные их характеристики. Полученные ГС-МКЯ использовались для изготовлении ФПУ с Х-У адресацией формата 64x64 элемента. Прибор имел максимум спектральной чувствительности на длине волны Лр=8.7мкм, рабочую температуру 75К и обеспечивал среднюю обнаружительную способность 1.5-Ю10Вт"1смГц1'2. Динамический диапазон ФП-МКЯ составил 1000Д6.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен расчет оптимальной ГС-МКЯ СаАз/А^Са^Аэ для ИК-ФП на спектральный диапазон 8-И2мкм. Показано, что технологически целесообразным является использование барьерных слоев А^Са^Аэ с х=0.24+0.28 и толщиной активных слоев СаАэ (КЯ) /_г=35-*-50А. Указано на необходимость легирования КЯ до уровня Л/о,=2^3-1018см"3 при максимально низком фоновом донорном легировании барьеров.

2. Разработана установка МОСГФЭ, позволяющая получать ГС-МКЯ и обсужден выбор конструкционных и расходных материалов. Продемонстрировано улучшение однородности осаждаемых эпитаксиальных слоев, воспроизводимости и производительности процесса МОСГФЭ в результате автоматизации установки и перехода к реактору с вращающимся подложкодержателем (производительность возросла с 2 до 5 пластин 0 40мм при снижении разброса состава эпитаксиальных слоев А^Са^Аэ по поверхности осаждения с 2-5-3% до <1%).

3. На основе комплекса проведенных исследований выявлено влияние технологических условий на основные параметры эпитаксиальных слоев и разработана опытная технология получения ГС-МКЯ СаАэ/АМЗа^Аз для многоэлементных ИК-ФП на спектральный

диапазон 8-И 2мкм методом МОСГФЭ при пониженном давлении. Установлены оптимальные параметры процесса: 7= 973+1ОЗЗК, V////-100-200, Р=6500-И0500Па, скорость роста СаАэ 4+5А/с, разбаланс реактор/байпас 0+ +400Па, разбавление газового потока 18л/мин.

4. Изучены фотоэлектрические характеристики ГС-МКЯ СаАз/А1хСа,.хАз. Продемонстрирован спектр фотопроводимости с максимумом вблизи Л=9.6мкм. Определена энергия активации температурной зависимости темнового тока (Л£=0.118п0.008эВ). Найдена связь между формой и интенсивностью ФВС ГС-МКЯ при 7=300К и приборными параметрами изготовленных из них ИК-ФП и на основе этого предложен экспресс-метод предварительной сертификации ГС-МКЯ.

5. Представлены топология и маршрут изготовления дискретных и многоэлементных ФП-МКЯ. Темновой ток дискретного ФП составил /т=410"8А, абсолютная чувствительность достигала 0.8А/Вт (при смещении и= 2В и размерах ФП - 150x150 мкм) при рабочей температуре 7=55-60К. Изготовлено ФПУ с Х-У адресацией формата 64x64 элемента. Прибор имел максимум чувствительности на длине волны /р=8.7мкм, рабочую температуру 7=75К и обеспечивал среднюю обнаружительную способность 1.5-Ю10Вт'1смГц1/2. Динамический диапазон матрицы составил 1000Д6.

6. Впервые обнаружен и проанализирован волноводный эффект в ГС-МКЯ, сформированных на проводящих подложках СаАэ. Показана возможность его использования для повышения квантовой эффективности ФП при значительном упрощении конструкции и технологичности ГС-МКЯ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Gorbylev V. A, Zalevski I. D., Kulikov V. В., Petrov А. /., Chukichev M.V., Yunovich А. Е. Infrared photoconductivity and luminescence of multiple Quantum Wells GaAs/GasAIAs // Abstracts Booklet of First International Conference on Narrow Gap Semiconductors, University of Southampton, UK. July 1992. P. 122— 145.

2. Аветисян Г.Х., Куликов В.Б., Залевский И.Д., Кузнецов Ю.А. Фотопреобразователь на основе ПЗС-коммутатора и линейки фотоприемников со сверхрешетками // Труды III Международной Конференции по ПЗС, Геледжик, сентябрь 1992. С. 45-49.

3. Аветисян Г.Х., Залевский И.Д., Кузнецов Ю.А., Куликов В.Б. Фотоприемники на основе сверхрешеток // Электронная промышленность. 1993. № 6-7. С. 69-70.

4. Горбылев В.А., Залевский И.Д., Петров А.И., Чельный А.А., Аветисян Г.Х., Куликов В.Б., Чукичев В.М., Юнович А.Э. Инфракрасная фотопроводимость и люминесценция квантовых ям в многослойных гетероструктурах GaAs/GaAIAs // ФТП. 1993. Том. 27. вып. 9. С. 1453-1462.

5. Zalevsky I. D., Chelny A. A., Gorbylev V. A., Avetisyan G. Н., Kulikov V. В. The use of nitrogen as a carrier gas in LP-MOCVD for growth of GaAs, AIGaAs and Quantum Well Infrared Photodetectors Heterostructures // SPIE. Vol. 2397, San Jose, California, USA, February 1995. P. 733-744.

6. Gorbylev V. A., Kozikov S.A., Krigel V. G., Zalevsky I.D. AES Depth Profiling of the Quantum Wells in Heterostructures // Proceedings of IX Russian Symposium on Scanning Electron Microscopy and Analitical Methods of Solid's Investigations, Chernogolovka, May 1995. P. 96-97.

7. Avetisjan G.H., Kulikov V.B., Kotov V.P., Erkin A.K., Zalevsky I.D. Quantum Well Infrared Photodetectors array on a basis of GaAs/AIGaAs MQW grown by MOCVD // Proceeding of the Fifth Conference on Charge-Couple Devices and CCD Systems, Novy Svet, Crimea, Ukraine, SPIE. Vol. 2790,1-7 October, 1995. P. 30-37.

8. Залевский И.Д., Горбылев В.А. Камера для осаждения слоев методом МОС-гидридной эпитаксии // заявка № 95112214/20(021298), приоритет от 18.07.95, положительное решение на полезную модель.

9. Залевский И.Д., Кириленко Н.И., Коваленко М.В. Подложкодержатель // заявка №95112266/25(021312), приоритет от 18.07.1995г., положительное решение на изобретение.

10. Avetisjan G.H., Kulikov V.B., Zalevsky I.D., Kovalevsky V.V., Plotnikov A.F. The waveguide effect in quantum well infrared photodetectors // SPIE. Vol. 2694. San-Jose, California, USA, Jan. 1996. P. 82-88.

11. Gorbylev V.A., Kozikov S.A., Krigel V.G., Zalevsky I.D. AES characterization of QWIP heterostructures // Proc. ECASIA'95, Montreux, Switzerland, H.J. Mathieu, B. Reihl, D. Briggs, Willey & Sons, Chichester and New York, V. 280. 1996. P. 84.

12. Куликов В.Б., Аветисян Г.Х., Залевский И.Д. Гибридная фоточувствительная схема // Патент Российской Федерации №2125321 от 20.01.99, приоритет от 10.04.97, заявка №97105722

13. Залевский И.Д., Булаев П.В., Мармалюк A.A., Падалица A.A., Куликов В.Б., Кригель В.Г. Выращивание квантоворазмерных структур AIGaAs/GaAs для фотоприемников, работающих в спектральном диапазоне 8-12мкм, методом МОС-гидридной эпитаксии // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 1999. № 3. С. 8-11.

Подписано в печать ¿9. ¡О. 1999 г. Формат 60x90/16 Печать офсетная. Бумага офсетная. Усл. печатных листов 1.0. Заказ /С-Ос, . Тираж 80 экз.

ИПЦ МГАТХТ им. М.В. Ломоносова, Москва, пр-т. Вернадского, 86.