Об использовании напряженности полупроводниковых слоев

Об использовании напряженности полупроводниковых слоев

Выпуск 14(6738) от 22 июля 2021 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

С момента изобретения транзистора множественные эпитаксиальные слои различных материалов формировались в рамках гетероструктур. Разработчики не раз пытались выйти за эти рамки, улучшая тем самым характеристики полупроводниковых материалов и приборов. Освоение процессов выращивания рассогласованных кристаллических слоев в сочетании с растущим спросом на отличные от кремния полупроводниковые материалы способно заметно ускорить прогресс в ряде областей, включая фотонику и оптоэлектронику.

Первоначально повсеместным правилом формирования гетероструктур (помимо ряда условий, связанных с химическими взаимодействиями) было то, что все слои должны быть согласованы по параметрам решеток, то есть иметь одну и ту же (или очень близкие значения) постоянную решетки. Интуитивно понятно, что твердые слои, выращенные иным образом, будут содержать внутренние напряженности, которые наверняка окажут в процессе выращивания эпитаксиальных слоев релаксирующий эффект, что приведет к неприемлемой плотности дислокаций несоответствия. Или, что еще хуже, эти напряженности срелаксируют позднее, при работе устройств в условиях высоких токов, напряжений или рабочих температур, что будет означать неприемлемо низкую надежность устройства и его скорый выход из строя. Таким образом, в основе полезных свойств полупроводниковых электронных и оптических устройств изначально лежали высококачественные, бездефектные монокристаллические полупроводниковые материалы.

Именно по этой причине развитие полупроводниковых лазеров на ранних этапах базировалось на использовании гетероструктур типа GaAs и AlGaAs. Гетероструктуры AlAs и GaAs имеют почти идентичные постоянные решетки, и слои сплава AlGaAs исключительно хорошо соответствуют параметрам решетки подложек GaAs при любом составе. Тем не менее требование соответствия параметров решеток считалось настолько важным, что были проведены эксперименты по добавлению в AlGaAs небольшого количества фосфора – чтобы гарантированно свести несоответствия параметров решеток к нулю.

Поскольку важность полупроводниковых лазеров с длиной волны 1500 нм для волоконно-оптических телекоммуникационных систем существенно возросла, потребовались новые материалы и подложки. Это привело к появлению новых подложек InP и различных тройных и четверных сплавов, таких как InGaAs и InGaAsP. Однако требование соответствия параметров решеток оставалось, а методы выращивания кристаллов для всех этих материалов отражали связанную с этим необходимую точность.

Смена парадигмы происходит не изолированно, а, как правило, в результате многочисленных технологических достижений. В случае сложных (составных) полупровод­никовых материалов, особенно для полупроводниковых лазеров, в конце 1970-х гг. произошли два крупных события. Во-первых, методы эпитаксиального выращивания составных полупроводниковых материалов стали гораздо более сложными, управляемыми и технологичными. Интересно, что почти одновременно появились два принципиально разных метода – молекулярно-пучковая эпитаксия (MBE) и химическое осаждение из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений (MOCVD). Оба метода быстро вошли в когорту основных технологических процессов выращивания эпитаксиальных структур и оба остаются жизнеспособными коммерческими процессами много десятилетий спустя. Ключ к обоим – возможность выращивания слоев большой площади и высокой однородности (воспроизводимости), а также достаточная точность и контроль выращивания нескольких очень тонких слоев с резкими границами раздела.

Вторым достижением в те же сроки стало внедрение полупроводниковых квантовых ям. До этого толщина слоев гетероструктур обычно составляла 100 нм или более. С улучшением методик выращивания кристаллов повсеместно стали использоваться слои толщиной менее 10 нм. Это позволило применить в полупроводниковых приборах новые физические концепции наподобие квантового удержания. На самом деле физика этого явления не была такой уж новой, и проблема частицы, заключенной в конечной потенциальной яме, является одной из основ классической квантовой механики. Но у этого метода возникло несколько реальных применений, коммерчески важных и широко распространенных – таких как полупроводниковые лазеры.

В дополнение к этим разработкам существовали важные потенциальные приложения, нерентабельные или недостижимые на практике из-за требований соответствия параметров решеток. Например, полупроводниковые лазеры с длинами волн 900–1100 нм были просто не реализуемы с использованием обычных материалов – при том что этот диапазон длин волн включает 1,06 мкм (подходит в качестве замены диода для Nd:YAG) и 980 нм (в качестве лазера накачки для стекловолокон, легированных эрбием). Аналогичная ситуация сложилась и с интегрированными электронными устройствами. Например, в кремниевых ИС рабочее быстродействие транзисторов частично ограничено подвижностью носителей заряда. Материалы с более высокой подвижностью зарядов, такие как сплав Ge и Si, представлялись очень полезными, но препятствием к их использованию было значительное несоответствие параметров решеток составных элементов.

Однако в последнее время правило соответствия параметров решеток для очень тонких слоев становится менее жестким, о чем свидетельствуют работы специалистов Техасского университета в Арлингтоне.

Рассмотрим два материала – InAs и GaAs, которые во многих отношениях похожи и имеют одинаковую структуру кристаллических решеток (с примесями цинка). При этом InAs имеет бóльшую постоянную решетки. Если попытаться вырастить толстый слой InGaAs на GaAs-подложке, большое рассогласование параметров решеток приведет к очень высокой плотности дислокаций несоответствия и формированию релаксированного кристалла. В случае же выращивания тонкого слоя возможно, что деформация, связанная с рассогласованием параметров решеток, будет упругой (т. е. когерентной, без дислокаций несоответствия) (рис. 1). Решетка InAs искажена – сжата в плоскости выращивания меньшей решеткой GaAs и вытянута в направлении, нормальном к плоскости, чтобы поддерживать почти постоянный объем (тетрагональное искажение) (рис. 2). Теперь не слишком напряженный слой может быть эффективно и надежно использован в электронном или фотонном устройстве.



Источник: EE Times

Рисунок 1. Если несоответствие решетки достаточно мало или слой достаточно тонок, слой будет искажаться, но оставаться когерентным. Если нет, то образуются неприемлемые дислокации несоответствия



Источник: EE Times

Рисунок 2. Разница в единичных ячейках может быть упругой, при этом ячейки подвергаются тетрагональному искажению (двухосное сжатие в плоскости, одноосное растяжение) при сохранении почти постоянного объема


Соотношение между толщиной слоя и величиной несоответствия параметров решеток, которое может быть упруго подстроено, зависит от свойств материала, таких как коэффициенты упругости, и называется критической толщиной.

Рассмотрим лазер с напряженным слоем, работающий на длине волны 980 нм. Можно изготовить лазер, взяв обычный GaAs полупроводниковый лазер и сделав активный слой InGaAs напряженным. Поскольку InAs имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем GaAs, добавление индия увеличивает длину волны излучения лазера, но также увеличивает рассогласование параметров решетки, что, в свою очередь, уменьшает критическую толщину. Для достижения длины волны 980 нм приходится балансировать состав индия и толщину слоя, чтобы определить диапазон практичной и стабильной работы этого лазера с напряженным слоем. В предшествующих экспериментах по надежности лазера разработчики уже делали именно это, используя напряженные слои с толщиной менее, равной и более критической толщины. Лазеры с толщиной слоя менее критической оказались по меньшей мере столь же надежными, как и сопоставимые ненапряженные стандартные GaAs-лазеры, длительность работы которых составляет многие тысячи часов. Однако при толщине напряженного слоя, равной или превышающей критическую толщину, лазеры быстрее выходят из строя и демонстрируют, как правило, неприемлемую частоту отказов.

В результате этих экспериментов и аналогичных работ на сплавах SiGe напряженные слои стали ключевым компонентом в наборе инструментов для проектирования как электронных, так и фотонных устройств. Напряженные тонкие слои сплавов SiGe используются в ИС для увеличения подвижности носителей заряда в каналах МОП-приборов.

Напряженные слои используются для 910/980/1060-нм лазеров с накачкой светоизлучающими диодами (СИД). Лазеры с длиной волны 980 нм – важный компонент волоконно-оптических усилительных ретрансляторов, легированных эрбием (EDFAS). Этот пример особенно интересен, поскольку системные требования для EDFAS в значительной степени зависят от лазеров с напряженным слоем, обладающих как высокой мощностью, так и исключительной надежностью. В телекоммуникационных лазерах на длинах волн 1550 нм компенсация деформации от чередующихся слоев со сжимающей и растягивающей деформацией может быть использована для доступа к более широкому диапазону в пространстве проектных решений многослойных приборов. Напряженные слои также обычно используются в активных областях голубых InGaN-лазеров и белого СИД-излучения.

Существуют и другие проблемы, связанные с гетероструктурными материалами, слишком разнородными для аккомодации упругих деформаций. Нитриды типа AIIIBV, включая GaN и InGaN, не имеют практичных подложек с сог­ласованными по параметрам решетками и обычно выращиваются на подложках с несогласованными параметрами решетки, таких как сапфир, карбид кремния или кремний. Результатом становится недопустимая релаксация деформации во время выращивания с образованием очень больших плотностей дислокаций несоответствия. Специалисты Техасского университета в Арлингтоне разработали остроумные решения, позволяющие заключать дислокации несоответствия в буферные слои значительно ниже активной области лазера или СИД. Интересно, что голубые полупроводниковые лазеры на основе нитрида или СИД, скорее всего, будут иметь и то и другое – активную структуру напряженного слоя, выращенную над структурой буферного слоя с ослабленным напряжением.

Полупроводниковые материалы с сильным рассогласованием параметров решеток могут быть использованы для формирования новых структур – полупроводниковых квантовых точек. Во время медленного выращивания таких материалов процесс быстро переходит от двумерного (слой) к трехмерному (островок) выращиванию. В результате получаются нанометровые квантовые точки из монокристаллического материала, выращенные на материале с рассогласованием параметров решеток или впоследствии встраиваемые в подобный материал. Эти квантовые точки обладают уникальными электронными и оптическими свойствами и, вероятно, будут играть определенную роль в кремниевой фотонике – интеграции фотонных компонентов на основе материалов групп AIIIBV в обычные кремниевые ИС.


Coleman James J. Strained Semiconductor Layers Shift the Paradigm. EE Times, June 15, 2021: https://www.eetimes.com/strained-semiconductor-layers-shift-the-paradigm/?utm_source=newsletter&utm_campaign=link&utm_medium=EETimesDaily-20210616&oly_enc_id=5245B7817912J8Z


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ