Спосіб виготовлення фоточутливої гетероструктури на основі in4se3

Спосіб виготовлення фоточутливої гетероструктури на основі In4Se3, який включає рідиннофазну епітаксію шару In4Se3 на монокристалічну напівпровідникову підкладку з розчину-розплаву In4Se3-InBi та лазерне опромінення, який відрізняється тим, що рідиннофазну епітаксію In4Se3 3 му інтенсивність випромінювання змінюється в межах І0 = 10-250кВт/см2 [2]. При оптимальних режимах лазерного опромінювання, при яких зберігається твердофазний стан епітаксійних шарів, покращуються як структурна однорідність в області гетеромережі, так і електрофізичні й фотоелектричні характеристики гетероструктури на основі In4Se3. Недоліком вище згаданого способу є те, що спектральний діапазон фоточутливості виготовленої гетероструктури достатньо вузький і обмежується з боку коротких довжин хвиль значеннями = 1,0 1,1мкм. Спадання в цій області кривої фоточутливості пов'язане з процесами рекомбінації на гетеромежі при освітленні з боку широкозонного матеріала Іn4(Sе3)1-х(Те3)х, оскільки гетеромежа при переході від Іn4(Sе3)1-х(Те3)х через проміжні склади твердого розчину до In4Se3, має значну ширину порядку кількох мікронів. Центрами рекомбінації є кластери іншої фази (In2Se3, In5Se6), що утворюється при лазерному опроміненні епітаксійного шару в режимі модульованої добротності. Наявність таких фаз підтверджується як структурними дослідженнями, так і вимірюванням вольт амперних та вольт-фарадних характеристик [2]. Також гетеромежа має недостатню прозорість для ІЧ-випромінювання з причини наявності притаманних Іn4(Sе3)1-х(Те3)х протяжних дефектів у вигляді прошарків In. Всі ці обставини знижують сигнал фотовідгуку гетероструктури, а також відношення сигнал/шум. Недоліком згаданого способу є також неможливість здійснити через малу розбіжність параметрів ґратки матеріалів гетероструктури, важливу для нанотехнології ван-дерваальсівську епітаксію, яка підвищує ефективність і параметри фоточутливих елементів (наприклад, фотоприймачі на квантових точках і на квантових ямах). Завданням запропонованої корисної моделі є забезпечення оптимального режиму рідиннофазної епітаксії і лазерного опромінення фоточутливої гетероструктури на основі In4Se3 для удосконалення структури шару в області гетеромежі та розширення спектрального діапазону фоточутливості в область коротких довжин хвиль до 0,8мкм і збільшення сигналу фотовідгуку. Зазначене завдання розв'язується тим, що рідиннофазну епітаксію In4Se3 проводять на підкладку з монокристалічного германію в інтервалі температур Т=793-778К зі швидкістю охолодження системи vt=0,2К/хв., а лазерне опромінення епітаксійного шару проводять в два етапи, на першому з яких застосовують до 10 імпульсів тривалістю =1с і шпаруватістю q=2 4, отриманих в режимі модульованої добротності при інтенсивності випромінювання 1-10 кВт/см2, а на другому 10 20 імпульсів, отриманих в режимі вільної генерації, тривалістю =1 мс та інтенсивністю 1525 кВт/см2 з рівномірним розподілом енергії променя по опроміненій поверхні. Відповідність критерію "новизна" запропонованому способу забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з відомих об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано рішення, 50924 4 принципово нове для способів виготовлення фоточутливих гетероструктур на основі In4Se3, яке полягає в тому, що рідиннофазну епітаксію In4Se3 проводять на підкладку з монокристалічного германію в інтервалі температур Т=793-778К зі швидкістю охолодження системи vt=0,2К/хв., а лазерне опромінення епітаксійного шару проводять в два етапи, на першому з яких застосовують до 10 імпульсів тривалістю =1с і шпаруватістю q=2 4, отриманих в режимі модульованої добротності при інтенсивності випромінювання 110кВт/см2, а на другому - 10 20 імпульсів, отриманих в режимі вільної генерації, тривалістю =1мс та інтенсивністю 15-25кВт/см2 з рівномірним розподілом енергії променя по опроміненій поверхні. Тому ознаки, що не зустрічаються ні в одному з аналогів "рідиннофазну епітаксію In4Se3 проводять на підкладку з монокристалічного германію в інтервалі температур Т=793-778К зі швидкістю охолодження системи vt=0,2К/хв., а лазерне опромінення епітаксійного шару проводять в два етапи, на першому з яких застосовують до 10 імпульсів тривалістю =1с і шпаруватістю q=2 4, отриманих в режимі модульованої добротності при інтенсивності випромінювання 1-10кВт/см2, а на другому - 10 20 імпульсів, отриманих в режимі вільної генерації, тривалістю =1мс та інтенсивністю 15-25кВт/см2 з рівномірним розподілом енергії променя по опроміненій поверхні" забезпечує заявленій корисній моделі необхідний винахідницький рівень. Промислове використання корисної моделі не вимагає великих витрат, спеціальних матеріалів та технології, його реалізація можлива на виробництвах України і за її межами. Запропонований спосіб здійснюється наступним чином. Фоточутлива гетероструктура In4Se3 Ge формується за допомогою рідиннофазної епітаксії нарощуванням шару In4Se3 з розчинурозплаву In4Se3-InBi на підкладку з монокристалічного германію. Епітаксійне нарощування проводиться в інтервалі температур Т=793-778К зі швидкістю охолодження системи vt=0,2К/хв. в атмосфері спектрально чистого водню в графітовій касеті за стандартною методикою рідиннофазної епітаксії, яка описана в [3]. Розчин-розплав для процесу епітаксії попередньо виготовляється шляхом сплавлювання в графітовому тиглі наважки ІnВі з монокристалічним In4Se3 до насичення при температурі Т=793К. В якості підкладки використовується пластина з монокристалічного германію ртипу з концентрацією носіїв р=2.1016см-3 і питомим опором =(3-4).10-1Ом.см, яка вирізається у кристалографічному напрямку [111], шліфується і полірується. Вибір підкладки з Ge зумовлений тим, що дифузія Ge в приграничну до підкладки область епітаксійного шару In4Se3 підвищує прозорість гетеромежі для ІЧ-випромінювання. Це пояснюється тим, що домішка Ge в кристалах In4Se3 поводить себе як така, що підвищує прозорість кристалу в ІЧ-області і його фоточутливість [4]. Крім того, значна розбіжність постійних ґратки In4Se3 і Ge забезпечує режим ван-дер-ваальсівської епітаксіі, при 5 який на гетеромежі формуються наноструктуровані області (квантові точки, квантові дроти), що сприяють підвищенню ефективності та параметрів фоточутливого елемента. Підкладка і розчинрозплав завантажуються в графітову касету, яка встановлюється в ампулу з кварцу, заповнену воднем, і підігрівається пічкою. Шляхом нахилу ампули з касетою при температурі епітаксії Те=793К розчин-розплав зливається на підкладку з Ge, система охолоджується зі швидкістю vt=0,2К/хв. і при цьому нарощується епітаксійний шар In4Se3 товщиною до 7-12мкм, а при досягненні температури декантації ТД=778К зворотним поворотом ампули на 180° розчин-розплав видаляється з підкладки. Виготовлену рідиннофазною епітаксією гетероструктуру In4Se3-Ge розміщують у вакуумований до 1.10-5мм.рт.ст. робочий об'єм і опромінюють з боку епітаксійного шару імпульсним випромінюванням мілісекундної тривалості, яке генерується лазером на ітрій-алюмінієвому гранаті (YAG). При цьому опромінення проводять в 2 етапи, на першому з яких застосовують до 10 імпульсів тривалістю =1с і шпаруватістю q=2 4 при інтенсивності випромінювання 1.10кВт/см2, отриманих в режимі модульованої добротності, а на другому 10 20 імпульсів, отриманих в режимі вільної генерації, тривалістю =1мс та інтенсивністю 1525кВт/см2. Опромінення проводять при рівномірному розподілі енергії променя по опроміненій поверхні, що досягається розфокусуванням променя в діаметрі до d=2 4мм. Перший етап опромінення сприяє покращенню структурної і фазової однорідності епітаксійного шару In4Se3, а на другому етапі відбувається релаксація центрів рекомбінації і стабілізація наноструктурованих утворень за рахунок дії в області гетеромежі термопружних напруг зі збереженням твердої фази епітаксійного шару, що було встановлено структурними дослідженнями на растровому електроному мікроскопі. На Фіг.1 для гетероструктури In4Se3-Ge, отриманої запропонованим способом, наведено спектральні характеристики фоточутливості до (крива 1) і після (крива 2) лазерного опромінення, а також для порівняння - характеристика для гетероструктури In4Se3-Іn4(Sе3)1-х(Те3)х (крива 3), одержаної відомим способом [2]. 50924 6 З аналізу спектральних кривих фоточутливості, виміряних за стандартною методикою, випливає, що спектральний діапазон фоточутливості виготовленої гетероструктури (крива 1) розширюється в короткохвильову область до 0,7 0,8мкм (Фіг.) порівняно з кривою (3). Після лазерного опромінення (крива 2) значення фотовідгуку підвищується майже в два рази порівняно з неопроміненою гетероструктурою (крива 1), що можна пов'язати зі збільшенням прозорості шару In4Se3 біля гетеромежі і підвищенням його фоточутливості за рахунок дифузії із підкладки в шар домішки Ge та її стабілізації лазерним опроміненням. Ретельне вивчення поперечних сколів гетероструктури In4Se3-Ge в растрових електронних мікроскопах РЕМ-100У (Україна) і Zeiss EVO 50 (Німеччина) дозволило зробити висновок про присутність наноструктурованих утворень в області гетеромежі шару In4Se3, які виникають внаслідок ван-дер-ваальсівської епітаксіїна початкових етапах росту. Виготовлені гетеро структури є стабільними протягом більше п'яти років. Всі ці дані свідчать про актуальність способу, що пропонується, як для звичайної технології фотодетекторів ІЧ діапазону, так і для гетероструктурної нанотехнології. Джерела інформації: 1. Балицький О.О. Взаємодія GaSe при молекулярно пучковій епітаксії з підкладкою In4Se3 // Журнал фізичних досліджень. - 2005. - т.9, №6. - С 265-267. 2. Melnychuk T.A, Strebegev V.N. Vorobets G.I. Laser synthesis of thin films and layers of In4Se3, In4Te3 and modification of their structure. // Applied Surface Science, V.254 (2007) P. 1002-1006. 3. Андреев В.М., Долгинов Л.М., Третьяков Д.Н. Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов. - М.: Сов. радио, 1975. 328с. 4. Гертович Т.С., Гринева С.И., Грицюк Б.М., Огородник А.Д., Столярчук О.Т., Товстюк К.Д. Получение монокристаллов In4Se3, пригодных для изготовления оптических фильтров. // УФЖ. 1982. - 27, №8. - С. 1191-1194. 7 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 50924 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601