Эпитаксиальное наращивание арсенида индия из газовой фазы.

Газотранспортные процессы, в основе которых лежат обратимые химические реакции, широко применяются для получения эпитаксиальных структур полупроводниковых соединений А³В⁵. Основными достоинствами процесса получения эпитаксиальных слоев арсенида индия из газовой фазы в проточной системе являются:

простота конструктивного оформления процесса;

низкое пересыщение вещества над растущим кристаллом;

сравнительно невысокие температуры кристаллизации, возможность предотвращения загрязнения материалом контейнера;

возможность управления процессом роста изменением скорости потока и концентрации транспортирующего агента;

широкие возможности легирования слоев различными примесями;

возможность автоматизации процесса;

осуществление непрерывного процесса;

возможность получение многослойных структур и заданной морфологии.

Суммарные реакции, наиболее часто используемых для осаждения эпитаксиальных слоев арсенида индия и переноса компонентов, в общем виде мощно представить следующим образом:

 

4InГ₃+As₄+6H₂«4InAs+12HГ;------(8)

3As+2InГ₃+3/2H₂«3AsГ+2In+3HГ,----------(9)

3AsГ+2In«2InAs+AsГ₃;------(10)

In+As«InAs;------------(11)

2InAs+3Г₂«InГ₃+As₂;------(12)

2InAs+H₂O«In₂O+As₂+H₂;------(13)

 

где Г - галоген. Арсенид индия в виде эпитаксиальных слоев получают методами транспортных реакций либо синтезом из элементов, либо пересублимацией соединения. Для переноса чаще всего используют галоиды (трихлориды элементов III и V групп, хлористый водород) и воду. Галоидные системы (хлоридные, йодидные) имеют преимущества перед системой H₂O-H, поскольку хлор и йод являются нейтральными примесями для арсенида индия.

 

Система In-AsCl₃-H₂.

Достоинствами системы можно считать:

малое число исходных компонентов в системе;

устранение предварительного получения InAs, используемого в качестве источника;

возможность глубокой очистки AsCl₃ ректификацией;

получение хлористого водорода и мышьяка высокой степени чистоты восстановлением AsCl₃ водородом.

Реактор имеет три зоны нагрева, причем печь сконструирована таким образом, что источник индия можно наблюдать во время процесса.

Водород барботирует через испаритель с хлористым мышьяком при температуре 20^ОС, и смесь AsCl₃+H₂ поступает в печь.

В зоне 1 печи протекает реакция:

2AsCl₃+3H₂ ® 6HCl+1/2As₄.------(14)

В зане 2 пары мышьяка взаимодействуют с индием. Смесь газов поступает в зону источника индия и проходят реакции:

2In+2HCl ® InCl+H₂;------(15)

In+As₄ ® 4InAs.------------(16)

Взаимодействие источника индия с газовой смесью происходит до насыщения индия мышьяком. Когда индий полностью насыщается мышьяком, на поверхности расплава образуется пленка арсенида индия, при этом избыточный мышьяк поступает в реактор и конденсируется на холодных стенках реактора вне печи. В течении периода насыщения индия мышьяком подложка находится вне реактора. Продолжительность насыщения определяется количеством индия, его температурой и скоростью поступления пара мышьяка к поверхности индия. При использовании не полностью насыщенного источника индия состав газовой фазы в зоне осаждения непостоянен.

При выращивании арсенида индия n-типа в системе In-AsCl₃-H₂ в газовый поток вводится смесь H₂S+H₂. Концентрацией H₂S определяется уровень легирования. Для получения пленок р-типа используется элементарный цинк и кадмий, вводимые в виде легирующей добавки из испарителя с отдельной зоной нагрева.

 

Система In-HCl-AsH₃-H₂.

Принципиальными технологическими преимуществами гидридов являются следующие:

летучие ковалентные гидриды можно получать из всех наиболее важных в полупроводниковой технике элементов;

свойства гидридов позволяют успешно применять очистку, основанную на трех фазовых переходах (жидкость- пар, твердое- пар, твердое- жидкость), а также эффективные методы газовой очистки (сорбции, ионного обмена);

содержание основного элемента в гидриде выше, чем в любом другом соединении;

гидриды имеют малую реакционную способность по отношению к конструкционным материалам.

Недостатками гидридов являются их высокая токсичность и взрывоопасность.

При выращивании эпитаксиальных слоев этой системы мышьяк при комнатной температуре находится в газообразном состоянии, что обеспечивает постоянство состава газовой фазы и гибкость процесса легирования.

xIn+HCl xInCl+(1-x)HCl+x/2H₂,------(17)

где х - мольная доля HСl участвующая в реакции (сильно зависит от температуры). Следует отметить, что реакция протекает не до конца, т.е. химическое равновесие не наступает. Наиболее вероятной причиной наблюдаемого отклонения от химического равновесия является геометрия установки и значительные скорости потока газа. Гидриды элементов V группы, в том числе и AsH₃, термически неустойчивы при температурах, обычно используемых при выращивании эпитаксиальных слоев. Основные реакции осаждения следующие:

 

3InCl+1/4As₄+1/2H₂ «InAs+HCl.(18)

При получении эпитаксиальных слоев арсенида индия с помощью системы In-HCl-AsH₃-H₂ является гибким методом наращивания. Качество слоев, полученных с помощью этой системы, обычно эквивалентно или даже превосходит качество слоев, полученных с участием других систем и методов, за исключением хлоридной системы In-AsCl₃-H₂.

 

Система InAs-SiCl₄-H₂.

Эпитаксиальные пленки арсенида индия высокой чистоты можно получать с использованием в качестве транспортирующего агента тетрахлорид кремния.

Водород, насыщенный тетрахлоридом кремния, при температуре -30С^О, подается во внутреннюю трубку реакционной камеры. Продукты разложения (водород, хлористый водород и дихлорид кремния) вместе с остатком тетрахлорида кремния поступают во внешнюю реакционную трубу, где взаимодействуют с первым источником арсенида индия. При этом на источнике растет пористая пленка кремния и образуется хлорид индия мышьяк. На втором источнике, предназначенном для полного восстановления хлоридов кремния, также осаждается небольшое количество кремния. Эпитаксиальное наращивание пленок арсенида индия проводится на одноименные подложки, расположенные за вторым  источником. Этот процесс можно представить следующим

Последовательным решением:

в реакционной камере

SiCl₄ ® SiCl₂+2HCl,------------(19)

с источник арсенида индия

2InAs+ SiCl₄+ SiCl₂®2Si+2InCl+1/4As₄,(20)

2InAs+SiCl₄®4InCl+As₄,------------(21)

на подложке

2InCl+As₂+H₂®2InAs+HCl.------(22)

Тетрахлорид кремния как транспортный агент в газотранспортных реакциях имеет преимущество перед другими хлоридами:

может быть получен особо высокой степени чистоты;

имеет высокое парциальное давление при относительно невысоких температурах;

не дает донорных уровней в эпитаксиальном слое.

 

Пиролиз МОС.

Значительный интерес представляют реакции металлоорганических соединений. Процессы такого рода проводятся при низких температурах, что существенно повышает чистоту, синтезируемого соединения, кроме того синтез многих МОС носит избирательный характер, а так как целый ряд примесей, влияющих на электрофизические параметры полупроводниковых материалов, не образуют аналогичных соединений, то уже в процессе самого синтеза МОС происходит очистка от нежелательных примесей до уровня 10^-5-10^-6 вес %.

Основными реакциями, приводящими к образованию арсенида индия при участии МОС, можно назвать следующие:

термическое разложение индивидуального МОС по схеме

R_nInAs®InAs+nRH------(23)

разложение происходит в атмосфере водорода;

реакции элементоорганических производных, имеющими подвижный водород по схеме

 (C₂H₅)₃In+AsH₃®InAs+3C₂H₆;------(24)

совместное разложение двух или более МОС или гидридов, приводящее к образованию твердых растворах на их основе.

В качестве источников индия и мышьяка для выращивания эпитаксиальных структур используются метил- и этил производные, эфираты триметил индия. Последние соединения в сравнении с триметилиндия более технологичны, так как менее реакционно способны и удобнее как в процессе очистки, так и при проведении процесса эпитаксиального наращивания.

Как правило, процесс осаждения термическим разложением МОС осуществляется в атмосфере водорода. Возможно проведение процесса также в смеси водорода и азота или только в азоте.

В зависимости от условий проведения процесса термического разложения арсенид индия может быть получен как в виде порошка, так и в виде эпитаксиально выращенных слоев.

Одним из преимуществ метода является легкость проведения легирования в процессе эпитаксиального наращивания. С этой целью применяют широкий ассортимент алкильных соединений элементов.

Из рассмотренных диаграмм парциальных давлений для хлоридного, хлоридно-гидридного метода и пиролиза триметилиндия с арсином в водороде следует, что максимальную область осаждения арсенида индия имеет система (CH₃)₃In-(CH₃)₃As-H₂, минимальную система In-AsCl₃-AsH₃-H₂. Из этого следует, что с учетом ограничений связанных с кинетикой, процесс получения эпитаксиальных структур арсенида индия с использованием МОС менее критичен к температуре, давлению и концентрации реагентов, а осуществление этого процесса возможно в более широком диапазоне, чем в случае хлоридного метода.

Важным вопросом с точки зрения развития метода получения эпитаксиальных структур арсенида индия с использованием МОС является возможность загрязнения слоев углеродом. Термодинамическим анализом процесса получения арсенида индия по реакции

(CH₃)₃In+AsH₃®InAs+3CH₄------(25)

показано, что переход углерода в слои арсенида индия за счет вторичных превращений углеводородов (метана, этана, этилена) в присутствии избытка арсина и водорода невозможно.

Получение эпитаксиальных полупроводниковых структур с использованием МОС открывает возможности стимулирования процессов газофазного выращивания под воздействием электромагнитного поля, лазерного и ультрафиолетового облучения.

Основными особенностями и преимуществами метода являются:

простота конструкции реактора с одной высокотемпературной зоной;

более низкая температура процесса, что уменьшает эффект самолегирования, улучшает профиль распределения концентрации по толщине слоя;

возможность независимой регулировки исходных компонентов, что обеспечивает возможность получения эпитаксиальных слоев с любым заданным профилем распределения концентрации носителей заряда по толщине слоя;

отсутствие травящих агентов (HСl) в системе позволяет осуществлять рост эпитаксиальных слоев на гетероподложках;

возможность получать субмикронные эпитаксиальные слои (0.2-0.8 мкм), величина переходной области подложка-слой составляет 0.03-0.1 мкм.

 

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: