Материал для эффективной генерации терагерцового излучения

Изобретение относится к фотопроводящим полупроводниковым материалам. Предложен фотопроводящий материал с высокой интенсивностью генерации терагерцового (ТГц) излучения. Материал предназначен для использования в системах импульсной и непрерывной (фотомиксинг) генерации ТГц излучения. Предложенный материал представляет собой фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs с мольной долей индия (х)≥30%, эпитаксиально выращенный на метаморфном ступенчатом буфере на подложке GaAs (100), причем фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs толщиной 1,0-1,5 мкм растет ненапряженным на подложке GaAs за счет использования метаморфного ступенчатого буфера, который позволяет варьировать состав индия в фотопроводящем слое вплоть до 100%. Техническим результатом изобретения является упрощение технологического процесса изготовления материала.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к фотопроводящим полупроводниковым материалам группы A3B5 с высокой интенсивностью генерации терагерцового (ТГц) излучения. Такие материалы могут быть использованы в системах импульсной и непрерывной (фотомиксинг) генерации ТГц излучения (от 0,5 до 5,0 ТГц) для устройств безопасности и противодействия терроризму в местах массового скопления людей и на транспорте.

Уровень техники

Системы для генерации и детектирования (ТГц) излучения, работающие как в импульсном, так и в непрерывном режимах, основаны на принципе взаимодействия оптического излучения с поверхностью фотопроводящей антенны. В основе такой антенны лежит фотопроводящий материал с высокой эффективностью преобразования оптического излучения в ТГц. Тонкие пленки на основе тройного соединения In_xGa_1-xAs (где х - мольная доля индия), выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) при пониженных температурах (low temperature grown - LT In_xGa_1-xAs), являются перспективным материалом для генерации широкополосного ТГц излучения в устройствах, работающих для диапазона накачки от 1030 до 1550 нм, для которого не подходит широко используемый «низкотемпературный GaAs» (LTG GaAs). Однако LT In_xGa_1-xAs обладает рядом недостатков по сравнению с LTG GaAs: а) относительно малое сопротивление (меньше 10³ Ом⋅см) и как следствие большой темновой ток и шум; б) сильное рассогласование по параметру кристаллической решетки с подложкой GaAs.

Одним из решений пункта (б) является использование решеточно-согласованных структур In_0.53Ga_0.47As/InP, подвергнутых имплантации ионов мышьяка, для окна прозрачности оптического волокна 1550 нм [J. Mangeney, A. Merigault, N. Zerounian, P. Crozat, K. Blary and J.F. Lampin. Continuous wave terahertz generation up to 2 THz by photomixing on ion-irradiated In_0.53Ga_0.47As at 1.55 μm wavelengths // Applied Physics Letters. - 2007. - V. 91. P. - 241102]. Однако ионная имплантация резко уменьшает сопротивление фотопроводящего материала In_0.53Ga_0.47As, которое изначально невелико.

Другим способом для оптимизации пунктов (а) и (б) являются структуры на основе решеточно-согласованных множественных квантовых ям In_0.53Ga_0.47As/In_0.52Al_0.48As, выращенных на подложках InP [US 9018646 В2. МПК H01L 27/15; H01L 31/09]. Их основной недостаток заключается в достаточно больших временах жизни неравновесных носителей заряда, и как следствие, ширина спектра генерации относительно невысока при использовании данных материалов в качестве источника ТГц излучения.

Кроме того, оба приведенных подхода требуют использования довольно хрупких подложек InP, что накладывает дополнительные технологические трудности при изготовлении указанных материалов. Кроме того, InP обладает низкими пробивными напряжениями, что крайне нежелательно при создании фотопроводящих антенн для генерации ТГц излучения.

Еще одним подходом является использование LT In_xGa_1-xAs, сильно легированного бериллием, со степенью легирования N_Be=2,6⋅10²⁰ см^-3 [D. Vignaud, J.F. Lampin, E. Lefebvre, M. Zaknoune, F. Mollot. Electron lifetime of heavily Be-doped In_0.53Ga_0.47As as a function of growth temperature and doping density // Applied Physics Letters. - 2002. - V. 80. - No. 22. - P. 4151]. При этом атомы бериллия обладают большой диффузионной длиной и эпитаксиальный рост такой структуры должен проходить при пониженной температуре, однако в этом случае сильно нарушается ее структурное качество. Кроме того, бериллий очень токсичен и 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]. Также поскольку бериллий имеет р-тип проводимости, это увеличивает содержание фоновой примеси p-типа в камере роста в МЛЭ, что создает трудности для эпитаксиального роста структур с n-типом проводимости.

Главной особенностью перечисленных материалов является тот факт, что они, по отдельности, позволяют оптимизировать тот или иной параметр, перечисленный в пунктах а) и б), однако в целом показывают очень разрозненную картину.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является материал, описанный в [С. Baker, I.S. Gregory, W.R. Tribe, I.V. Bradley, M.J. Evans, E.H. Linfield, M. Missous. High resistivity annealed low-temperature grown InGaAs with sub-500 fs carrier lifetimes // Applied Physics Letters. - 2004. - V. 85. - No. 21. - P. 4965]. В данной работе описывается нелегированный LT In_xGa_1-xAs толщиной 1.0 мкм с мольной долей индия (х)=0,3, выращенный методом МЛЭ при температуре 200°C на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией в плоскости (001). Недостатком данного материала является плохое структурное качество фотопроводящего слоя In_xGa_1-xAs и как следствие относительно невысокая интенсивность генерации ТГц излучения.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является получение материала In_xGa_1-xAs, выращенного методом МЛЭ, для систем импульсной и непрерывной (фотомиксинг) генерации ТГц излучения (от 0,5 до 5,0 ТГц), который мог бы заменить материал LT In_xGa_1-xAs. Для этого предлагаемый материал должен обладать удельным темновым сопротивлением (больше 10³ Ом⋅см) и интенсивностью генерации ТГц излучения, сравнимыми с аналогичными параметрами материала LT In_xGa_1-xAs. Техническим результатом является упрощение технологического процесса изготовления материала In_xGa_1-xAs для систем импульсной и непрерывной генерации ТГц излучения. Упрощение заключается в отсутствии необходимости проведения постростового отжига, поскольку фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs имеет высокое темновое сопротивление уже после проведения МЛЭ роста.

Технический результат достигается за счет того, что фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs выращивается без пониженной температуры на метаморфном ступенчатом буфере методом МЛЭ на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией в плоскости (100). Метаморфный буфер при этом позволяет получить ненапряженный фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs за счет плавного изменения параметра решетки при переходе от подложки к растущему слою. В результате, материал In_xGa_1-xAs получается структурно совершенным в отличие от LT In_xGa_1-xAs, что позволяет получить высокую интенсивность генерации ТГц излучения за счет дополнительного вклада фотоэффекта Дембера. Это достигается за счет того, что метаморфный буфер позволяет плавно изменять параметр кристаллической решетки растущего эпитаксиального слоя при переходе от подложки GaAs к фотопроводящему слою In_xGa_1-xAs. Таким образом, варьируя мольную долю индия x(InAs) в слое In_xGa_1-xAs (вплоть до 100% индия), возможно подбирать оптимальный состав фотопроводящего слоя под широкий диапазон оптической накачки от 1030 до 1550 нм. Кроме того, фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs, выращенный методом МЛЭ на метаморфном буфере, изначально обладает высоким темновым сопротивлением (больше 10⁴ Ом⋅см), а значит и высокими пробивными напряжениями и не требует проведения постростового отжига.

Осуществление изобретения

Изобретение заключается в том, что методом МЛЭ выращивается фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs с мольной долей индия (х)≥30%, толщиной от 1,0 до 1,5 мкм при температуре роста от 470 до 490°C. При этом:

1) фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs выращивается на ступенчатом метаморфном буферном слое (температура роста буфера составляет 400°C) на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией в плоскости (100). Метаморфный буфер состоит из последовательности семи слоев In_yAl_1-yAs с переменным составом индия (y), который варьируется в пределах от 0,10 до 0,46;

2) фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs выращен методом МЛЭ, он не легирован и не является напряженным за счет использования метаморфного буфера. Мольную долю индия (х) в фотопроводящем слое можно варьировать в пределах х=0,3-1,0 за счет использования метаморфного буферного слоя. При этом эпитаксиальный рост будет происходить на подложке GaAs.

Фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs может быть выращен методами молекулярно-лучевой эпитаксии либо газовой эпитаксии из металлоорганических соединений.

Материал для эффективной генерации терагерцового излучения с высокой интенсивностью, содержащий фотопроводящий слой In_xGa_-1xAs с мольной долей индия (х)≥30%, эпитаксиально выращенный на метаморфном ступенчатом буфере методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке GaAs с кристаллографической ориентацией в плоскости (100), отличающийся тем, что фотопроводящий слой In_xGa_1-xAs растет ненапряженным на подложке GaAs за счет использования метаморфного ступенчатого буфера, который позволяет варьировать состав индия вплоть до 100%; фотопроводящий слой не легирован; толщина фотопроводящего слоя подбирается под диапазон оптической накачки 1030-1550 нм.