Спосіб виготовлення гетеропереходу на основі шаруватого напівпровідника

Заявляемое техническое решение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для изготовления и исследования фотодиодов, фотоприемников, фотопреобразователей, солнечных элементов и т.п. Известен способ изготовления гетероперехода площадью в пределах от единиц до десятка квадратных миллиметров на основе слоистого полупроводника (Бакуменко В.Л. и Чишко В.Ф. Электрические свойства оптических контактов слоистых полупроводников. ~ ФТП. том 11, в. 10, 1977, с. 2000 -2002), включающий использование слоистых полупроводниковых материалов nlnSe, p-in2Sе, p-GaSe, и изготовление к ним металлических контактов вакуумным напылением индия без дополнительной термической обработки. Электрические свойства полученного таким способом гетероперехода определяются объемными свойствами приводимых в соприкосновение материалов лишь в том случае, если удается получить омические контакты. Однако, специфика химических связей и кристаллическое строение слоистого полупроводника не позволяют получить к нему надежные омические контакты, и технология их изготовления до настоящего времени представляет собой нерешенную проблему. Из-за наличия замкнутых химических связей улучшить свойства контактов стандартным легированием невозможно, так как легирование слоистых полупроводников электрически активными примесями осуществить не удается. Напыление контактного металла производится в дорогостоящей вакуумной установке только на верхний слой слоистого пюлупроводника и поэтому полученный таким образом электрический контакт не является механически прочным. Необходимость помещения безкорпусных гетеропереходов в вакуумную установку требуе т особых мер предосторожности для предохранения их от случайных механических повреждений. В качестве прототипа выбран способ изготовления гетеропереходов InSe и GaSe (Бэкуменко В.Л., Ковалюка З.Д., Курбатова Л.Н., Тагаева В.Г. иЧишко В.-Ф.) Исследование гетеропереходов InSe-GaSe, приготовленных посадкой на оптический контакт. -ФТП, том 14, в.6, 1980, с. 11151119), включающий приготовление соответствующи х монокристаллических образцов толщиной порядка 200 мкм скалыванием, и посадкой на оптический контакт, причем контактирующие поверхности естественных сколов не нуждаются в обработке. Площадь изготавливаемых гетеропереходов была от единиц до десятка мм 2. Метод посадки на оптический контакт заключается в том, что оптические детали приводятся в соприкосновение поверхностями, обработанными до высокого класса чистоты, и затем, либо притираются, либо оставляются на время под нагрузкой. Однако этот способ, как и способ, описанный в работе В.Л. Бакуменкои В.Ф. Чишко, обладает теми же недостатками, т.е. специфика химических связей и кристаллическое строение слоистых полупроводников не позволяют получить надежные омические контакты к ним, а технология изготовления качественных омических контактов до настоящего времени представляет собой нерешенную проблему. Поскольку из-за наличия замкнутых химических связей легирование слоистых полупроводников электрически активными примесями осуществить не удается, то улучшить свойства контактов стандартным легированием невозможно. Напыление контактного металла производится в дорогостоящей вакуумной установке и контактная площадка образуется только на верхнем слое пластины слоистого полупроводника, поэтому электрический контакт полученный этим способом не япляется механически прочным, надежным, малошумящим и омическим. Электрические и фотоэлектрические свойства полученных гетеропереходов, не определяются всецело объемными свойствами приводимых в соприкосновение материалов, а определяются свойствами ненадежного контактного узла. Кроме того, необходимость помещения безкорпусных гетеропереходов в вакуумную установку требует особых мер предосторожности для предохранения их от случайных механических повреждений. В совокупности все операции этого способа изготовления контактного узла к гетеропереходу требует доста точно большого промежутка рабочего времени. Все известные авторам способы изготовления гетеропереходов на основе слоистых полупроводников обладают тем общим недостатком, что они не обеспечивают увеличения соотношения сигнал-шум в гетеропереходе из-за замкнутости химических связей на поверхности слоистых полупроводников и их кристаллического строения, что не позволяло изготовить надежные малошумящие омические контакты к гетеропереходу. Предлагаемый способ изготовления гетеропереходов на основе слоистых полупроводников решает задачу увеличения на два порядка соотношения сигнал-шум в изготовленном гетеропереходе путем создания прочной связи контакта формируемой области с металлом, наносимым на место расположения контакта после предварительного разрыва лазерными импульсами замкнутых химических связей во всем объеме слоистого полупроводникового материала, и решает также задачу упрощения технологии изготовления гетеропереходов с надежными ма-лошумящичи омическими контактами к ним. Максимальное увеличение соотношения сигнал-шум в изготовленном гетеопереходе достигается тем, что слоистый полупроводник в месте предполагаемого расположения электрического контакта облучают одиночным импульсом технологического лазера, причем плотность энергии технологического лазера определяют по формуле: Е = 1,2 Епор, где Е плотность энергии лазерного импульса; Епор - плотность энергии лазера, необходимая для расплавления поверхности слоистого полупроводника. Если плотность энергии меньше чем 1,2 Епор , то лазерное излучение не разрушает слоистый полупроводник на требуемую глубину, а облучать слоистый полупроводник лазерным импульсом с плотностью энергии больше чем 1,2 Епор нецелесообразно так как при этом эффект не увеличивается. На предполагаемое место расположения контакта наносят металл с соответствующей работой выхода, путем осаждения меди из водного раствора CuSO4 с помощью вытеснения меди иглой, изготовленной из индия. Медь, обладая большим коэффициентом диффузии, легко диффундирует вглубь созданных лазером дефектов и обеспечивает тем самым не только механическую прочность контактного узла, но и выравнивает приконтактные барьеры за счет установления термодинамического равновесия границы раздела медьслоистый полупроводник. Далее производят отслаивание по плоскостям спайности монокристаллических пластин или пленок слоистого полупроводника для нанесения их на подложку изготавливаемого гетероперехода. Гетеропереход изготавливают с помощью механического прижима монокристаллической пластины или пленки слоистого полупроводника к подложке, создавая тем самым прямой оптический контакт, и нанесения электрических контактов в месте облучения слоистого полупроводника одиночным импульсом технологического лазера. Возможность получения прямого оптического контакта монокристаллической пленки типа GaSe с подложкой обеспечивается высокой пластичностью слоистых пленок, а также наличием идеальной зеркальной поверхности. В виде подложки могут служить стекло, кварц полупроводники и др. Изготовленный гетеропереход выдерживают в течение 15-20 сут при комнатной температуре для обеспечения полной диффузии контактного металла в слоистый полупроводник. Наши исследования показали, что выдержка гетероперехода при комнатной температуре не менее 1520 сут на два порядка увеличивает соотношение сигнал-шум гетероперехода за счет существенного уменьшения сопротивления контактного у, ла. Дальнейшая выдержка гетероперехол не изменяет свойств омических контактов поэтому соотношение сигнал-шум неменяется. Выдержка гетероперехода менее чем 1 сут не приводит к полной омичности контактов. При использовании прозрачных лазе; ному излучению полупроводниковых мате риалов типа GaSe облучение технологичес ким лазером производят перпендикулярно слоям до образования визуально наблюдае мой впадины или отверстия. При использовании непрозрачных лазер ному излучению полупроводниковых матера алов типа InSe облучение технологически! лазером производят параллельно к слоям добразования визуально наблюдаемого оплав ленного участка. После изготовления гетероперехода медным контактам индмем или токопроводящим клеем припаиваются электроды и тонкой проволоки, а готовый прибор помещается в соответствующий корпус и фикси руется диэлектрическим клеем для предохранения от случайных механически: повреждений. Площадь изготовленных та ким образом гетеропереходов была от единиц до нескольких десятков мм 2. На фиг.1 показана зависимость сопро тивления контактного узла медь-моноселе нид галлиямедь от расстояния между контактными выводами после временной выдержки 20 сут при комнатной температу ре; на фиг.2 зависимость, показывающая улучшение свойств контактного узла медь моноселенид галлия-медь от времени вы держки при комнатной температуре; на фиг.3 - вольт-амперная характеристика нео свещенного гетероперехода InSe-GaSe по еле временной выдержки при комнатной температуре 20 суток: кривая I соответству ет гетеропереходу с контактами, изготов ленными при помощи лазерной методики кривая 2 соответствует гетеропереходу ( контактами из индия. На фиг.4 показань спектры фотолюминесценции при Т = 4,2 К кривая I - гетеропереход InSe-GaSe при возбуждении со стороны GaSe; кривая 2 - подложка из чистого InSe. В процессе изучения влияния взаимодействия лазерного излучения определенной мощности со слоистыми полупроводниками авторами предполагаемого изобретения установлено, что в зоне воздействия импульса лазера образуются дефекты к разрываются химические связи в объеме слоистого полупроводника на такую глубин у, которая определчется интенсивностью потока излучения, поглощаемого кристаллом. Следует также отметить, что замкнутость химических связей на поверхности слоистых полупроводников препятствует деградации приборов, изготовленных из них, а высокая пленарная подвижность дефектов способствует их радиационной устойчивости. Изготовленные предложенным способом гетеропереходы на основе слоистых полупроводников могут найти применение в Институте физики полупроводников НАН Украины, Черновицком Отделении полупроводникового материаловедения ИПМ НАН Украины, а также в НИИ ПФ (Москва) и в Институте физики г. Баку. Авторам неизвестны зарубежные фирмы, занимающиеся данной проблемой. Пример 1. Изготовление омического контактного узла к слоистому полупроводнику GaSe. Исходный монокристаллический слиток слоистого полупроводника был разрезан алмазной пилой перпендикулярно слоям на шайбы толщиной 5 мм. Путем скалывания по плоскостям спайности при помощи лезвия была изготовлена монокристаллическая пластина с плоскопараллельными гранями толщиной 1 мм и площадью 5 х 10 мм 2. Через маску из зеркальной фольги, имеющую шесть отверстий диаметром 0,2 мм каждое, расположенный линейно с периодом 1 мм монокристаллическая пластина облучалась одиночным импульсом лазера ГОС-301. Плотность потока подбиралась так, чтобы в месте предполагаемого контакта образовался визуально наблюдаемый дефектный участок в виде отверстия. На этот участок из водного раствора CuSО4 осаждалась медь методом вытеснения ее из раствора иглой из индия. Полученные описанным методом контакты становятся омическими после выдержки образца не менее, чем 15-20 суток при комнатной температуре и, в дальнейшем, своих свойств не изменяют. Измерения величины сопротивления контактного узла к GaSe ко компенсационным методом (фиг.1) показали, что обычные индиевые контакты согласно известным способам-аналогам имеют сопротивление не менее 105 Ом, тогда как в нашем случае оно находится на уровне 10 Ом. Проведенная проверка подтвердила надежность и омичность контактного узла. Пример 2. Далее производилось изготовление гетеропереходов GaSe-lnSe: Исходные монокристаллические слитки слоистых полупроводников GaSe и InSe были разрезаны алмазной пилой пергтендикулярно слоям на шайбы толщиной 5 мм. Путем скалывания по плоскостям спайности при помощи лезвия были изготовлены монокристаллы-заготовки с плоскопараллельными гранями толщиной 1 мм. Через маску из зеркальной фольги, имеющую отверстие 0,5 мм, пластина слоистого полупроводника облучалась одиночными импульсами лазера ГОС-301. Плотность потока подбиралась так чтобы в месте предполагаемого контакта образовался визуально наблюдаемый дефектный участок. Для прозрачного лазерному излучению полупроводникового материала GaSe облучение технологическим лазером производят перпендикулярно к слоям до образования визуально наблюдаемой впадины или отверстия. Для непрозрачных лазерному излучению полупроводниковых материалов типа InSe облучение технологическим лазером производят параллельно к слоям до образования визуально наблюдаемого оплавленного участка. На образованный дефектный участок из водного раствора CuSO4 осаждалась медь методом вытеснения ее из раствора иглой из чистого индия. Одной плоскостью скола полученные заготовки закреплялись на предметном столике бинокулярного микроскопа МБС-9. От верхней плоскости скола при помощи липкой ленты и лезвия отслаивалась монокристаллическая пластина InSe толщиной примерно 200 мкм и пленка GaSe толщиной примерно 5 мкм (ярко выраженная слоистость монокристаллов GaSe и InSe позволяет таким образом получать плоскопараллельные монокристаллические пленки, обладающие совершенной зеркальной поверхностью и толщиной от сотен микрон до нескольких десятков ангстрем). Свободная монокристаллическая пленка слоистого полупроводника GaSe закрепляется на подложке из InSe и механически прижимается к ней, таким образом изготавливается прямой оптический контакт "монокристаллическая пленка GaSe-подложка (InSe)", т.е. гетеропереход. После изготовления гетероперехода к медным контактам индием или токопроводящим клеем припаивались электроды из тонкой проволоки, а готовый прибор помещался в соответствуюц(ий корпус и фиксир-вался диэлектрическим клеем для предохранения от случайных механических повреждений и выдерживался 20 сут при комнатной температуре для обеспечения полной диффузии контактного металла (меди) в слоистые полупроводники. Проведенные исследования фотолюминесценции изготовленных гетеропереходов позволили сделать следующее заключение. Вид низкотемпературных (4,2К) спектров фотолюминесценции существенно зависит от наличия примесей и самых малых остаточных пластических де формаций. Образцы, специально подверженные пластическим деформациям, имеют хуже разрешенный и более сложный спектр фотолюминесценции. Относительная интенсивность длинноволновых полос фотолюминесценции явно изменяется при переходе от образца к образцу. Аналогичным образом изменяются спектры фотолюминесценции при наличии неконтро-лированных или специально введенных примесей. Спектр фотолюминесценции изготовленных нами гетеропереходов n-lnSe p-GaSe при возбуждении со стороны GaSe приведен на фиг.4. Уширение и сдвиг фотолюминесценции в длинноволновую область обусловлены наличием сильного приконтактного электрического поля. Вид спектра изготовленного гетероперехода свидетельствует о его высоком качестве.