Полупроводниковый прибор

 

Использование: в полупроводниковых приборах, у которых активная область сформирована из гетероэпитаксиальных пленок, выполненных из широкозонных нитридных соединений типа А^IIIB^V. Сущность изобретения: полупроводниковый прибор включает монокристаллическую сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности, содержащей направление на которой расположена гетероэпитаксиальная слоистая структура, состоящая из, по меньшей мере, одного буферного подслоя и одной полупроводниковой пленки, выполненной из соединения Ga_1-xAl_xN, где 0≤х≤1, и электроды, буферный подслой выполнен из материала, кристаллическая структура которого относится к кубической сингонии с параметром элементарной кубической ячейки "а", выбранным из условия где n - числа 3, 4, 6, 8 10, при этом поверхность подслоя содержит направление <112>, параллельное направлению поверхности подложки. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к твердотельной электронике, а именно к полупроводниковым приборам, используемым для выпрямления, усиления, генерирования или переключения электромагнитных колебаний, способным работать при повышенных уровнях мощности и температуре, а также для приема и генерирования видимого и ультрафиолетового диапазона длин волн.

Известны полупроводниковые приборы, например диоды, транзисторы, фотоприемники, светодиоды, гетеролазеры, включающие монокристаллическую подложку, активную область из осажденных на подложку гетероэпитаксиальных полупроводниковых пленок, внутри или на поверхностях которых происходят физические эффекты, необходимые для действия прибора, и электроды [1].

В последние годы интенсивно исследуются и разрабатываются полупроводниковые приборы, у которых активная область сформирована из гетероэпитаксиальных пленок, выполненных из полупроводниковых широкозонных материалов соединений типа А^IIIB^V, а именно нитридов галлия, алюминия и твердых растворов на их основе: Ga₁-_xA1_xN, Ga₁-_xIn_xN. Полупроводниковые нитридные соединения типа A^IIIB^V благодаря большой ширине запрещенной гоны (от 2,5 эВ до 6,2 эВ при 300К), хорошей теплопроводности, термической и химической стойкости являются в настоящее время базовыми материалами для создания различного типа полупроводниковых приборов высокотемпературной и высокомощной твердотельной электроники, а также гетеролазеров, светодиодов и фотоприемников видимого и ультрафиолетового диапазона длин волн [2].

Одной из основных проблем создания полупроводниковых приборов на основе гетероэпитаксиальных пленок нитридных соединений типа А^IIIB^V является плохая воспроизводимость рабочих параметров, быстрая их деградация из-за большой концентрации дефектов кристаллической структуры пленок, формирующих активную область. Большая концентрация дефектов в этих пленках обусловлена большим рассогласованием параметров кристаллических решеток сопрягаемых плоскостей подложки и полупроводниковой пленки. У используемых в настоящее время монокристаллических подложек для выращивания гетероэпитаксиальных пленок (0001) GaN рассогласование составляет: для (0001) Аl₂O₃ 16%, для (111) MgAl₂O₄ 9,5%, для (0001) SiC 3,5%. Для уменьшения рассогласования при выращивании на (0001) Al₂O₃ используется гетероэпитаксиальный буферный подслой, который располагается между рабочей поверхностью подложки и полупроводниковой пленкой. Этот гетероэпитаксиальный буферный подслой изготавливается из материалов с кристаллической структурой типа вюртцита: ZnO, GaN, AlN.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является полупроводниковый прибор [3]. Он включает монокристаллическую сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности (0001), расположенную на ней гетероэпитаксиальную слоистую структуру из: а) буферного подслоя оксида цинка, толщиной 500 предназначенного для уменьшения величины рассогласования кристаллических решеток в плоскостях (0001) подложки и гетероэпитаксиальных полупроводниковых пленок из нитридных соединений А^IIIB^V, которые составляют активную область этого полупроводникового прибора - светодиода; б) n-эмиттерной пленки из GaN, легированного кремнием, обладающей n-типом проводимости, толщина пленки 3 мкм, в) тонкой (толщиной 20 ) активной пленки из нелегированного твердого раствора In₀, ₀₅Ga₀, ₉₅N, г) р-эмиттерной пленки из GaN, легированного магнием, обладающей р-типом проводимости, толщиной 1 мкм. На части поверхности эмиттерных слоев напылены омические контакты из Ti/Al для n-типа GaN и Ni/Au для р-типа GaN. При пропускании тока в прямом направлении потоки неравновесных носителей заряда инжектируются из n- и р-эмиттерных пленок в тонкий активный нелегированный слой In₀, ₀₅Ga₀, ₉₅N, где благодаря излучательной рекомбинации дырок и электронов происходит генерация излучения.

Недостатком этого полупроводникового прибора являются плохая воспроизводимость рабочих параметров, быстрая деградация характеристик из-за большой концентрации дефектов кристаллической структуры гетероэпитаксиальных полупроводниковых пленок, формирующих активную область светодиода. Гетероэпитаксиальный буферный подслой изготовлен из ZnO, материала той же кристаллической структуры типа вюртцита, что и материалы полупроводниковых пленок GaN и In₀, ₀₅Ga₀, ₉₅N, из которых сформирована активная область излучателя. Рассогласование параметров плоских гексагональных сеток соприкасающихся плоскостей (0001) ZnO и (0001) GaN действительно мало: 2,3%. Но, к сожалению, рассогласование параметров соприкасающихся плоскостей (0001) ZnO и (0001) Al₂O₃ составляет 14%. Такое большое рассогласование при гетероэпитаксии на поверхности (0001) Al₂O₃ материалов гексагональной сингонии, относящихся к структурному типу вюртцита, связано с тем, что сопрягающиеся плоскости (0001) Al₂O₃ и (0001) вюртцита развернуты друг относительно друга на 30^o вокруг направления [0001]. Причина этого разворота заключена в том, что в плоскости (0001) Al₂O₃ направлением наиплотнейшей упаковки атомов одного типа являются направления а в плоскости (0001) вюртцита такими направлениями являются Согласно критерию о взаимной параллельности плотноупакованных атомами одного сорта направлений в сопрягающихся плоскостях при гетероэпитаксии направление Аl₂O₃ параллельно вюртцита. Период трансляции вдоль Al₂O₃ равен 2,747 а у ZnO - 3,25 поэтому и большое рассогласование.

Из-за большого рассогласования гетероэпитаксиальная буферная пленка (0001) ZnO может расти на (0001) Аl₂O₃ только по "островковому" (трехмерному) механизму роста. А такой механизм роста, как известно, позволяет получать только пленки со структурой "мозаичного" монокристалла, состоящего из отдельных зерен с большим количеством межзеренных границ и высокой концентрацией структурных дефектов. Естественно, что выращенные на такой буферной пленке полупроводниковые тонкие слои также имеют структуру "мозаичного" монокристалла с большим количеством межзеренных границ и высокой концентрацией дефектов.

Так как соприкасающиеся плоскости (0001) Al₂O₃ и (0001) вюртцита развернуты друг относительно друга на 30^o вокруг направления [0001], то плоскости естественного скола Al₂O₃ и вюртцита также развернуты вокруг направления [0001] на тот же угол 30^o. Это создает большие технологические трудности при изготовлении конкретного типа полупроводникового прибора - лазера на основе гетероструктур из нитридных соединений типа А^IIIB^V, так как гетеролазер содержит резонатор Фабри-Перо, образованный зеркалами из плоскостей естественного скола полупроводниковых пленок, формирующих активную зону излучателя.

Задачей изобретения является создание полупроводникового прибора с повышенной воспроизводимостью рабочих характеристик и увеличенным сроком службы.

Технический результат достигается тем, что у полупроводникового прибора, включающего монокристаллическую сапфировую подложку, с ориентацией рабочей поверхности, содержащей направление на которой расположена гетероэпитаксиальная слоистая структура, состоящая из, по меньшей мере, одного буферного подслоя и одной полупроводниковой пленки, выполненной из соединения Ga₁-_xAl_xN, где (0≤x≤l), и электроды, буферный подслой выполнен из материала, кристаллическая структура которого относится к кубической сингонии с параметром элементарной кубической ячейки "а", выбранным из условия где n - числа 3, 4, 6, 8, 10, при этом поверхность подслоя содержит направление <112>, параллельное направлению <1100> поверхности подложки.

Подслой может быть выполнен из материала с кристаллической структурой типа α-Fe, с параметром элементарной ячейки "а" в диапазоне от 3,15 до 3,60 Между буферным подслоем и полупроводниковой пленкой может быть расположен второй гетероэпитаксиальный буферный подслой, выполненный из материала с кристаллической структурой типа NaCl, с параметром элементарной ячейки "а" в диапазоне от 4,20 до 4,80 Подслой может быть выполнен из материала с кристаллической структурой типа шпинели, с параметром элементарной ячейки "а" в диапазоне от 8,40 до 9,60 По меньшей мере, один буферный подслой может быть выполнен из проводящего материала и выполнять функции электрода.

Достижение технического результата основано на следующих соображениях.

Как известно, для нитридов галлия и алюминия характерен политипизм. Они могут кристаллизоваться как в гексагональной, так и в кубической модификации. Гексагональная структура GaN и A1N имеет структуру типа вюртцита, а кубическая модификация этих материалов - структуру типа цинковой обманки. У этих типов структур элементарные ячейки отличаются лишь последовательностью плотноупакованных плоскостей, и параметры решетки гексагональной элементарной ячейки с большой точностью связаны с параметром их политипной элементарной кубической ячейки для одного и того же соединения соотношением . Так как плотноупакованные плоскости (0001) и (111) политипов одного и того же соединения имеют одинаковую симметрию и параметры плоской сетки, то мы остановимся только на случае, когда на гетероэпитаксиальный буферный подслой кубической структуры осаждена гетероэпитаксиальная пленка, например, со структурой типа вюртцита.

Как мы уже отмечали выше, большое рассогласование параметров сопрягающихся плоскостей (0001) Al₂O₃ и (0001) вюртцита, например (0001) GaN, обусловлено их разворотом вокруг [0001] на 30^o. Мы обратили внимание на тот факт, что, если устранить причину разворота этих плоскостей на 30^o, то рассогласование станет значительно меньшим. Действительно, длина двух трансляций вдоль Al₂O₃ равна 2•2,747 = 5,494 и практически (с точностью до 0,5%) совпадает с длиной трансляции вдоль GaN, равной 5,52 а длина двух трансляций вдоль Al₂O₃, равная 2•4,76 = 9,52 также практически (с точностью до 0,5%) равна длине трех трансляций вдоль GaN, 3,189•3 = 9,56 Для устранения разворота мы предлагаем использовать буферный (промежуточный) подслой (или несколько подслоев) из такого материала кубической сингонии, который при гетероэпитаксии на (0001) Al₂O₃ имеет ориентацию поверхности {111}, и при этом расположенное в этой поверхности {111} направление типа <112> параллельно направлению типа Аl₂О₃, лежащему в плоскости (0001) Al₂O₃. При дальнейшем гетероэпитаксиальном наращивании материала со структурой вюртцита на поверхности {111} материала кубической сингонии выполняются следующие ориентационные соотношения: параллельны а) плоскости {111} кубической решетки и (0001) вюртцита и б) направления <112> кубической решетки и вюртцита, а также направления <110> кубической решетки и вюртцита. То есть если использовать в качестве материала буферного подслоя некоторые материалы кубической сингонии, то можно получить следующие ориентационные соотношения: (0001) Аl₂O₃//{111}_куб//(0001)вюртцита
В этом случае практически отсутствует рассогласование параметров поверхностей сапфировой подложки и полупроводниковой пленки.

Кроме того, оказываются параллельными плоскости Аl₂O₃ и вюртцита, т. е. оказываются параллельными плоскости естественного скола сапфировой подложки и полупроводниковых пленок со структурой вюртцита, формирующих активную область конкретного полупроводникового прибора - гетеролазера. Это очень важно для изготовления лазеров.

Поэтому если изготовить буферный подслой, согласно данному изобретению, из материала с кристаллической структурой, относящейся к кубической сингонии, с параметром элементарной ячейки "а", при котором длина трансляции вдоль направлений <112> в этой ячейке будет очень близка к значениям, кратным длинам трансляций вдоль направлений в подложке и полупроводниковой пленке, то можно добиться практически полного согласования параметров плоских сеток соприкасающихся плоскостей, например (0001) Al₂O₃ и {111} буферного подслоя, с одной стороны, и { 111} буферного подслоя и (0001) пленки со структурой вюртцита, например, GaN, с другой стороны.

Тогда параметр элементарной кубической ячейки материала буферного подслоя "а" можно определить из соотношения

где 2,747 - период трансляции вдоль Аl₂O₃, а n - целое число, отсюда

Так как значения параметров элементарных гексагональных ячеек нитридов Ga и А1, а также используемых при создании полупроводниковых приборов твердых растворов нитридов металлов Ga, In и А1 находятся в диапазоне от 3,11 до 3,25 и, практически, отсутствуют материалы с параметром элементарной кубической ячейки "а", меньшим 2,5 и большим 13 то, согласно изобретению, целесообразно использовать в качестве материала буферного подслоя материал кубической сингонии с параметром элементарной кубической ячейки "а", численное значение которого находится в пределах от а=1,05.n до 1,20.n где n - числа 3, 4, 6, 8, 10. При значениях n, равных числам 5, 7, 9, у поверхности (111) буферного подслоя величины трансляций вдоль направлений <112> и <110> не кратны величинам трансляций вдоль соответствующих направлений и полупроводниковой пленки. Эти значения не позволяют достигнуть желаемого результата.

В таблице (см. в конце описания) приведены пределы численных значений (в Ангстремах) параметра элементарной кубической ячейки "а" при различных значениях "n" для материалов кубической сингонии, рекомендуемых, согласно данного изобретения, в качестве материала буферного подслоя.

Отметим, что и в случае осаждения гетероэпитаксиальной полупроводниковой пленки с политипной структурой типа цинковой обманки, материал гетероэпитаксиального буферного подслоя, согласно данному изобретению, также выбирается из указанных выше условий.

Таким образом, выполнение, согласно данному изобретению, гетероапитаксиального буферного подслоя из материала с кристаллической структурой, относящейся к кубической сингонии и параметром элементарной кубической ячейки "а", выбранным из условия

где n - числа 3, 4, 6, 8, 10, при этом поверхность подслоя должна содержать кристаллографическое направление типа <112>, которое параллельно направлению <1100>, расположенному в плоскости поверхности сапфировой подложки, позволяет:
1. Достигнуть практически полного согласования параметров плоских сеток сопрягающихся плоскостей, например (0001) подложки и {111} буферного подслоя, с одной стороны, и {111} буферного подслоя и (0001) полупроводниковой пленки со структурой вюртцита, например, GaN, или {111} для той же пленки, но с политипной структурой цинковой обманки, с другой стороны. Это позволяет создать условия для "послойного" (двухмерного) механизма роста гетероэпитаксиальной буферной пленки на подложке, а затем и такого же механизма роста полупроводниковой пленки на поверхности буферного подслоя и, таким образом, значительно повысить структурное совершенство гетероэпитаксиальных полупроводниковых пленок соединения типа Ga₁-_xAl_xN, где 0≤x≤l, из которых формируется активная область полупроводникового прибора, а следовательно, значительно улучшить воспроизводимость его рабочих характеристик и увеличить срок его службы.

2. Устранить 30^o разворот плоскостей естественного скола сапфировой подложки и полупроводниковой пленки со структурой вюртцита. Это важно для технологии изготовления конкретного полупроводникового прибора - гетеролазера, так как он содержит резонатор Фабри-Перо, образованный зеркалами из плоскостей естественного скола гетероэпитаксиальных полупроводниковых пленок.

Гетероэпитаксиальный буферный подслой может быть выполнен из материала кубической сингонии с кристаллическими решетками различного типа, такими как, например, α-Fe, NaCl, сфалерита, перовскита, шпинели, граната. Материалом буферного подслоя могут быть диэлектрики, такие, например, как ВаСеО₃, MgО, In₂CdO₄ или Na₂MoO₄, электропроводящие материалы, такие как, например, нитриды и карбиды ниобия, гафния, скандия, титана, твердые растворы на их основе, а также металлы: ниобий, тантал.

Буферный подслой, выполненный из проводящего материала, может дополнительно выполнять функции одного из электродов полупроводникового прибора.

Гетероэпитаксиальная слоистая структура может содержать не один, а несколько буферных подслоев. Например, буферные подслои из ниобия и его нитрида, или один подслой из того же ниобия, а другой подслой из нитрида гафния.

Монокристаллическая сапфировая подложка может иметь ориентацию рабочей поверхности не только (0001), но и другую ориентацию, которая содержит направление типа Это поверхности, повернутые от базовой поверхности (0001) вокруг направления на некоторый угол, значения которого находятся в диапазоне от 0^o до 90^o. Это поверхности типа где 1 - действительное число. Примерами таких поверхностей сапфира являются плоскости типа на которых, как и на базовой плоскости (0001) Аl₂О₃, могут быть выращены гетероэпитаксиальный буферный подслой из материала кубической сингонии с ориентацией поверхности {111} и гетероэпитаксиальные полупроводниковые пленки из соединения Ga₁-_xAl_xN со структурой вюртцита, ориентации (0001), и/или их политипы со структурой цинковой обманки, ориентации {111}.

Для изготовления полупроводниковых приборов, например, таких как гетеролазеры, светодиоды, полевые транзисторы, у которых активная область представляет собой многослойную полупроводниковую гетероструктуру с "квантовыми точками", "квантовыми нитями", могут использоваться подложки с несингулярными (низкосимметричными), в частности "вицинальными", рабочими поверхностями. Такие поверхности не являются атомно-гладкими и могут быть представлены в виде ступенчатой поверхности, ограненной плоскостями с малыми миллеровскими индексами. На таких поверхностях, при определенных условиях, в результате самоорганизующегося процесса роста возможно получение "квантовых точек" и "квантовых нитей". Согласно данному изобретению могут быть использованы сапфировые подложки и с рабочей несингулярной поверхностью, содержащей направление которая также принадлежит к семейству
Поверхность буферного подслоя, выращенного на такой рабочей поверхности сапфировой подложки, также несингулярная плоскость. Она принадлежит к семейству плоскостей, содержащих направление типа <112>. При этом направление <112>, расположенное в поверхности подслоя, параллельно рабочей поверхности подложки. А поверхность полупроводниковых пленок, осажденных на несингулярную поверхность подслоя, принадлежат к семейству и их направление типа параллельно <112> поверхности подслоя.

Пример 1 выполнения конкретного полупроводникового прибора - гетеролазера с длиной волны генерируемого излучения 0,4 мкм, структура которого представлена на фиг.1. Согласно изобретению полупроводниковый лазер содержит: 1 - сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности (0001), содержащей направление расположенную на ней гетероэпитаксиальную слоистую структуру из: 2 - буферного подслоя, толщиной 500 который, согласно изобретению, выполнен из ниобия, материала кубической сингонии, с кристаллической структурой типа α-Fe, с параметром элементарной ячейки а=3,30 , находящимся в диапазоне от 3,15 до 3,60 , при n=3, ориентации (111), при этом лежащее в поверхности {111} Nb направление <112> параллельно направлению рабочей поверхности подложки, 3 -полупроводниковой пленки нитрида галлия, толщиной 3 мкм, n-типа проводимости, легированной кремнием, 4 - полупроводниковой пленки In₀, ₀₅Ga₀, ₉₅N, толщиной 0,1 мкм, n-типа проводимости, легированной кремнием, 5 - полупроводниковой пленки Al₀, ₀₈Ga₀,₉₂, толщиной 0,5 мкм, n-типа проводимости, легированной кремнием, 6 - полупроводниковая пленка GaN, толщиной 0,1 мкм, n-типа проводимости, легированная Si, 7 - активная область лазера, представляющая собой гетероструктуру из In₀, ₁₅Ga₀, ₈₅N - In₀, ₀₂Ga₀, ₉₈N с тремя "квантовыми ямами". Эта гетероструктура содержит три пленки из In₀, ₁₅Ga₀, ₈₅N, легированного Si, толщиной 35 каждая, которые являются квантовыми ямами. Между этими пленками расположены две более широкозонные пленки из In₀, ₀₂Ga₀,₉₈, легированного Si, каждая толщиной в 70 8 - полупроводниковая пленка из Аl₀, ₂Gа₀, ₈N, легированного Mg, р-типа проводимости, толщиной 200 9 - полупроводниковая пленка из GaN, легированного Mg, толщиной 0,1 мкм, 10 - полупроводниковая пленка из Al₀, ₀₈Ga₀, ₉₂N, легированного Mg, р-типа проводимости, толщиной 0,5 мкм, 11 - полупроводниковая пленка из GaN, легированного магнием, р-типа проводимости, толщиной 0,3 мкм. Позицией 12 обозначен электрод из Ni/Au для получения омического контакта к GaN р-типа проводимости, 13 - электрод Ti/Al для получения омического контакта к GaN n-типа проводимости.

Пленка 6 из n-GaN, толщиной 0,1 мкм, и пленка 9 из p-GaN такой же толщины являются оптическими волноводами. Пленки 5 и 10 из Al₀, ₀₈Ga₀, ₉₂N n- и р-типа проводимости соответственно являются эмиттерными слоями. При приложении постоянного электрического напряжения к электродам 12 и 13 в прямом направлении из эмиттерных пленок 5 и 10 в активную область лазера 7 инжектируются неравновесные носители заряда, при излучательной рекомбинации которых генерируется излучение синего света.

Гетеролазер содержит резонатор Фабри-Перо (на фигуре не показан), образованный зеркалами из плоскостей естественного скола гетероэпитаксиальных полупроводниковых пленок. Эти зеркала покрыты четвертьволновыми диэлектрическими слоями из ТiO₂-SiO₂.

Гетероэпитаксиальные полупроводниковые пленки 3, 4 и 11 (см. фиг. 1) являются вспомогательными. Они служат для обеспечения большей однородности плотностей тока, снижения внутренних механических напряжений, уменьшения дефектов и других центров рекомбинации непосредственно на границах гетеропереходов активной области лазера.

Пример 2. Полупроводниковый прибор - гетеролазер по примеру 1, но между 2 - буферным подслоем из ниобия, и 3 - полупроводниковой пленкой из GaN, расположен дополнительно второй буферный подслой толщиной 1000 из нитрида ниобия, материла с кристаллической структурой типа NaCl, с параметром элементарной ячейки а=4,40 находящимся в пределах от 4,20 до 4,80 ориентации {111}, при этом лежащее в плоскости {111} NbN направление <112> параллельно направлений поверхности подложки.

Пример 3. Полупроводниковый прибор - гетеролазер по примеру 1, но между 2 - буферным подслоем из ниобия, и 3 - полупроводниковой пленкой из GaN, расположен дополнительно второй буферный подслой толщиной 1000 из нитрида гафния, материала с кристаллической структурой типа NaCl, с параметром элементарной ячейки а= 4,50 находящимся в пределах от 4,20 до 4,80 ориентации { 111}, при этом лежащее в плоскости {111} HfN направление <112> параллельно направлению <1100> поверхности подложки.

Пример 4. Полупроводниковый прибор - гетеролазер по примеру 1, но подложка 1 имеет ориентацию рабочей
поверхности содержащую направление и 2 - буферный подслой, толщиной 1000 выполнен из нитрида ниобия, материала с кристаллической структурой типа NaCl, с параметром элементарной ячейки а=4,40 находящимся в пределах от 4,20 до 4,80 ориентации {111}, при этом лежащее в плоскости {111} HfN направление <112> параллельно направлению расположенному в рабочей поверхности подложки.

Пример 5. Полупроводниковый прибор - гетеролазер по примеру 1, но сапфировая подложка 1 имеет в качестве рабочей поверхности несингулярную "вицинальную" поверхность ориентации содержащую направление поверхность буферного подслоя из ниобия 2 также представляет собой несингулярную плоскость, содержащую направление <112>, параллельное поверхности подложки, и поверхности полупроводниковых пленок 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 (фиг.1) также являются несингулярными плоскостями из семейства у которых расположенные в них параллельны <112> поверхности буферного подслоя, и 7 - активная область лазера представляет собой гетероструктуру из In₀, ₁₅Ga₀, ₈₅N - In₀, ₀₂Ga₀, ₉₈N с "квантовыми точками".

Пример 6. Полупроводниковый прибор - гетеролазер по примеру 1, но буферный подслой изготовлен, согласно изобретению, из фосфида бора, материала с кристаллической структурой типа сфалерита и параметром элементарной ячейки а= 4,53 который находится в пределах от 4,20 до 4,80 Толщина буферной пленки 500 ориентация (111), и лежащее в поверхности {111} направление <112> параллельно направлению расположенному в рабочей поверхности сапфировой подложки.

Пример 7. Полупроводниковый прибор - гетеролазер по примеру 1, но буферный подслой выполнен, согласно изобретению, из In₂Cd0₄, материала с кристаллической структурой типа шпинели и параметром элементарной ячейки а=9,11 находящимся в пределах от 8,40 до 9,6 Толщина буферного подслоя 800 ориентация { 111} , и расположенное в {111} поверхности подслоя направление <112> параллельно направлению рабочей поверхности подложки.

Пример 8. Полупроводниковый прибор - гетеролазер по примеру 1, но буферная пленка выполнена, согласно изобретению, из твердого раствора In₀, ₇Gа₀, ₃СdO₄, материала с кристаллической структурой типа шпинели, с параметром элементарной ячейки а=8,98 находящимся в пределах от 8,40 до 9,6 Толщина буферного подслоя 800 ориентация {111}, и расположенное в {111} поверхности подслоя направление <112> параллельно направлению рабочей поверхности подложки.

Пример 9. Полупроводниковый прибор - светодиод, содержащий монокристаллическую сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности (0001), содержащей направление на которой размещена гетероэпитаксиальная слоистая структура из двух буферных подслоев: одного, выполненного из тантала, материала с кристаллической структурой α-Fe и параметром решетки а= 3,30 ориентации {111}, и расположенное в {111} Та направление <112> параллельно направлению лежащему в рабочей поверхности подложки, и второго подслоя, выполненного из ТаС, материала с кристаллической структурой типа NaCl и параметром элементарной ячейки а=4,45 находящимся в пределах от 4,20 до 4,80 толщина подслоя 800 ориентация поверхности буферного подслоя { 111} , и лежащее в этой поверхности направление <112> параллельно направлению рабочей поверхности подложки; полупроводниковой пленки A1N толщиной 1 мкм, полупроводниковой пленки GaN, легированного Si, n-типа проводимости, толщиной 2 мкм; полупроводниковой пленки из нелегированного In₀, ₄₅Ga₀, ₅₅N, толщиной 30 , полупроводниковой пленки Al₀, ₂Ga₀, ₈N, легированного Mg, р-типа проводимости, толщиной 0,1 мкм, полупроводниковой пленки GaN, легированного Mg, р-типа проводимости, толщиной 0,5 мкм, и электроды из Ni/Au на части поверхности пленки GaN, р-типа проводимости, и Ti/Al на части поверхности пленки GaN, n-типа проводимости.

Активная область светодиода содержит трехслойную (двойную) гетероструктуру с одной квантовой ямой из тонкой, 30 пленки In_{0 45}Ga₀, ₅₅N, заключенной между широкозонными слоями: пленкой GaN n-типа, толщиной 1 мкм, и пленкой Al₀, ₂Ga₀, ₈N, р-типа, толщиной 0,1 мкм.

При приложении электрического напряжения к электродам в прямом направлении в активной области светодиода генерируется зеленый свет (0,5-0,55 мкм).

Пример 10. Полупроводниковый прибор - светодиод по примеру 9, но гетероэпитаксиальная структура содержит один барьерный подслой, изготовленный, согласно изобретению, из Sm₂О₃, материала с кристаллической структурой типа Tl₂О₃, с параметром элементарной ячейки а=10,93 находящимся в пределах от 10,50 до 12,00 Толщина подслоя 800 ориентация поверхности буферного подслоя { 111} , и лежащее в этой поверхности направление <112> параллельно направлений рабочей поверхности подложки.

Пример 11. Полупроводниковый прибор - светодиод по примеру 10, но барьерный подслой изготовлен, согласно изобретению, из Y₃Al₅O₁₂, материала с кристаллической структурой граната, с параметром элементарной ячейки а=12,00 Величина параметра ячейки а=12,00 находится на верхнем пределе допустимых согласно изобретению значений при n=10. Ориентация поверхности подслоя { 111}, лежащее в этой поверхности направление <112> параллельно направлению рабочей поверхности подложки.

Пример 12. Полупроводниковый прибор-фотодиод ультрафиолетового диапазона длин волн. Структура фотодиода представлена на фиг.2. Фотодиод содержит 1 - монокристаллическую сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности (0001), содержащей направление <1100>, на которой размещена гетероэпитаксиальная слоистая структура из: 2 - барьерного подслоя, выполненного, согласно изобретению, из ниобия, материала с кристаллической структурой α-Fe и параметром решетки а=3,30 толщиной 0,5 мкм, ориентации поверхности {111}, лежащее в этой плоскости {111} Nb направление <112> параллельно направлению рабочей поверхности подложки, 3 - второго барьерного подслоя, расположенного на части поверхности подслоя 2, выполненного, согласно изобретению, из нитрида титана, материала с кристаллической структурой типа NaCl, с параметром решетки а=4,23 величина параметра "а" находится на нижнем пределе допустимых значений "а" при n=4, толщиной 0,2 мкм, ориентация поверхности подслоя {111}, лежащее в {111} TiN направление <112> параллельно направлению расположенному в рабочей поверхности подложки; 4 - полупроводниковой пленки GaN, n-типа проводимости, толщиной 0,1 мкм, 5 - полупроводниковой пленки GaN, p-типа проводимости, толщиной 0,1 мкм. На части поверхности пленки GaN, р-типа проводимости 5, сформирован 6 - омический контакт из Ni/Au. Барьерный подслой 2 из электропроводящего материала - ниобия - дополнительно выполняет функцию одного из электродов фотодиода, 7 - алюминиевый контакт к подслою из ниобия.

Пример 13. Полупроводниковый прибор - полевой транзистор. Структура полевого транзистора представлена на фиг.3. Он содержит 1 - монокристаллическую сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности (0001), включающей направление На этой поверхности расположена гетероэпитаксиальная слоистая структура из 2 - буферного подслоя, толщиной 500 выполненного, согласно изобретению, из ниобия, материала с кристаллической структурой α-Fe и параметром решетки а=3,30 находящимся в диапазоне от 3,15 до 3,60 ориентации {111}, в поверхности {111} Nb лежит направление <112>, параллельное расположенному в рабочей поверхности подложки, 3 - полупроводниковая пленка из GaN, легированного Si до концентрации n=10¹⁷ см^-3, с подвижностью электронов м=350 см². в^-1. с^-1. Толщина пленки GaN 0,6 мкм. На частях поверхности полупроводниковой пленки GaN - 3 нанесены пленки из Ti, толщиной 25 и Аu, толщиной 1500 из которых сформированы два омических контакта - два электрода: 4 - исток и 6 - сток. Между 4 - истоком и 6 - стоком на части поверхности полупроводниковой пленки 3 расположен третий электрод 5 - затвор. Этот затвор 5 представляет собой барьер Шоттки, который сформирован из пленки серебра.

Пример 14. Полупроводниковый прибор - транзистор с высокой подвижностью электронов. Структура транзистора представлена на фиг.4. Он содержит сапфировую подложку 1 с ориентацией рабочей поверхности (0001), содержащей направление на которой расположена гетероэпитаксиальная слоистая структура из: 2 - буферного подслоя, толщиной 400 выполненного, согласно изобретению, из ниобия, материала с кристаллической структурой α-Fe и параметром решетки а= 3,30 находящимся в диапазоне от 3,15 до 3,60 ориентации { 111} , в поверхности { 111} лежит направление <112>, параллельное лежащему в рабочей поверхности подложки; 3 - второго буферного слоя из нитрида гафния, материала с кристаллической структурой типа NaCl, с параметром элементарной ячейки а= 4,50 толщиной 3000 находящимся в диапазоне от 4,20 до 4,80 ориентации (111), в поверхности подслоя расположено направление <112>, параллельное , лежащему в рабочей поверхности подложки; 4 - полупроводниковой пленки GaN, n-типа проводимости, толщиной 0,3 мкм, на частях поверхности этой полупроводниковой пленки GaN размещены два омических электрода: исток 5 и сток 8, выполненные из металлических пленок Ti, толщиной 25 и Аu, толщиной 1500 На части поверхности полупроводниковой пленки GaN - 4, между электродами 5 - исток и 8 - сток, расположена полупроводниковая пленка из Al₀, ₁₄Ga₀, ₈₆N - 6, толщиной 0,1 мкм, на части поверхности которой расположен третий электрод транзистора - затвор 7, представляющий собой барьер Шоттки, сформированный из металлической пленки сплава TiW. В этом транзисторе используются свойства двухмерного электронного газа, образованного на границе полупроводниковой гетероструктуры GaN-Al₀, ₁₄Ga₀, ₈₆N.

Пример 15. Полупроводниковый прибор - полевой транзистор. Структура транзистора представлена на фиг.5. Он включает сапфировую подложку - 1, с ориентацией рабочей поверхности (0001), содержащей направление на которой расположена гетероэпитаксиальная слоистая структура из: 2 - барьерного подслоя, толщиной 2000 выполненного, согласно изобретения, из ниобия, материала с кристаллической структурой α-Fe, с параметром элементарной ячейки а=3,30 находящимся в диапазоне от 3,15 до 3,60 с ориентацией поверхности { 111} , в которой расположено направление <112>, параллельное поверхности подложки; 3 - второго подслоя, толщиной 0,1 мкм, из нитрида гафния, материала с кристаллической структурой типа NaCl, с параметром решетки а=4,50 ориентации поверхности подслоя {111}, в ней лежит направление <112>, параллельно поверхности подложки; 4 - полупроводниковой пленки GaN, n-типа проводимости, толщиной 0,3 мкм. На частях поверхности пленки GaN - 4 расположены два омических электрода: 5 - исток и 6 - исток, выполненные из металлических пленок Тi, толщиной 25 и Аu, толщиной 1500 Затвором этого транзистора является Шоттки-барьер, сформированный из материалов буферных подслоев 3 - нитрида гафния и 2 - ниобия. Подключение к затвору осуществляется через электрод 7, выполненный из алюминиевой пленки, толщиной 0,2 мкм, и ниобиевый подслой 2.

Технико-экономические преимущества настоящего изобретения основаны на увеличении срока службы полупроводникового прибора, повышении стабильности и воспроизводимости рабочих характеристик при массовом производстве из-за существенного улучшения кристаллического совершенства гетероэпитаксиальных полупроводниковых пленок, образующих активные слои.

Анализ, проведенный заявителями, показал, что изобретение удовлетворяет условиям патентоспособности "новизна", а также "изобретательский уровень", поскольку основано на новых знаниях, установленных самими заявителями. Они касаются закономерностей взаимных ориентаций сопрягаемых плоскостей буферного подслоя материала кубической сингонии и рабочей поверхности сапфировой подложки, с одной стороны, и поверхностей подслоя и полупроводниковой пленки, с другой стороны. Анализ уровня техники не позволяет сделать вывод об известности причинно-следственной связи "отличительные признаки - достигаемый технический результат". Промышленная применимость обоснована подробным изложением сущности изобретения в описании и приведенными примерами реализации.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый прибор, включающий монокристаллическую сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности, содержащей направление на которой расположена гетероэпитаксиальная слоистая структура, состоящая из, по меньшей мере, одного буферного подслоя и одной полупроводниковой пленки, выполненной из соединения Ga_1-xAl_xN, где 0≤х≤1, и электроды, отличающийся тем, что буферный подслой выполнен из материала, кристаллическая структура которого относится к кубической сингонии с параметром элементарной кубической ячейки "а", выбранным из условия

где - n - числа 3, 4, 6, 8 10,
при этом поверхность подслоя содержит направление <112>, параллельное направлению поверхности подложки.

2. Полупроводниковый прибор по п. 1, отличающийся тем, что подслой выполнен из материала с кристаллической структурой типа α-Fe, с параметром элементарной ячейки "а" в диапазоне от 3,15 до 3,60
3. Полупроводниковый прибор по п. 2, отличающийся тем, что между буферным подслоем и полупроводниковой пленкой расположен второй гетероэпитаксиальный буферный подслой, выполненный из материала с кристаллической структурой типа NaCl, с параметром элементарной ячейки "а" в диапазоне от 4,20 до 4,80
4. Полупроводниковый прибор по п. 1, отличающийся тем, что подслой выполнен из материала с кристаллической структурой типа шпинели, с параметром элементарной ячейки "а" в диапазоне от 8,40 до 9,60
5. Полупроводниковый прибор по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один буферный подслой выполнен из проводящего материала и выполняет функции электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6