Эпитаксиальные методы получения монокристаллических слоёв и плёнок

Все рассмотренные выше способы выращивания монокристаллов обеспечивают получение монокристаллов с однородными химическими,физическими,оптическими свойствами по всему объёму монокристалла ( метод зонной плавки даже специально используют для выравнивания концентрации примесей по длине кристалла ).

Однако весьма часто приходится решать обратную задачу : выращивать монокристалл с чередующимися слоями с различными свойствами (различным типом проводимости, различным химическим составом,с различным показателями преломления) . При этом выращенная структура должна оставаться монокристаллом,то есть иметь жёстко заданный ближний и дальний порядок пространственного расположения структурных элементов,образующих решётку ( атомов,ионов ),кристаллическая решётка во всём объёме кристалла должна быть одинаковой,а слои жестко очерчены и пространственно ограничены.Пример – полупроводниковые лазеры на гомопереходе в арсениде галлия GaAs ( рис. 3.9а ) , где имеются две области монокристалла с разным типом проводимости (дырочной,p-GaAs, и электронной,n-GaAs),разделённые пространственно ( граница раздела образует особую физическую структуру,p-n переход ),однако дальний порядок кристаллической решётки сохраняется во всём объёме монокристалла . Можно рассмотреть и ещё более сложную,многослойную полупроводниковую двойную гетероструктуру,так называемую ДГС типа GaAlAs ( рис .3.9б ).Здесь необходимо организовать пространственное чередование достаточно тонких ( микроны и доли микронов ) слоёв полупроводников не только различной проводимости,как в предыдущем примере,но и различного химического состава , то есть обладающих различной химической формулой,различными постоянными решётки,различными физическими свойствами ( показателем преломления,шириной запрещённой зоны ).Как видно из рисунка,в толще монокристалла периодически происходит резкое изменение типа кристалла – слой p-GaAs,за ним слой p-GaAlAs (тройной полупроводник другого химического состава),затем слой n-GaAs,опять слой GaAlAs,но уже донорного,n- типа, за ним слой донорного n-GaAs.При этом все слои должны быть жестко очерчены и пространственно ограничены,иметь заданную толщину и сохранять порядок кристаллической решётки во всём объёме кристалла. Обычные технологии выращивания монокристаллов,описанные выше,не позволяют создавать такие структуры.Для решения этой задачи и разработаны методы эпитаксии .

Эпитаксия – это ориентированное,направленное выращивание монокристаллических слоёв на монокристаллической подложке .Подложка при этом задаёт кристаллографическую ориентацию растущего монокристаллического слоя – наращивание монокристалла происходит по модели двумерного роста ( смотри рис. 2.9 ) – с угла подложки и далее ряд за рядом : так как энергия,высвобождаемая при встраивании частицы в угол,наибольшая,с угла и пойдёт рост слоя.И в дальнейшем частицы будут встраиваться в уже начатый ряд,образуя монокристаллическую решётку,повторяющую ориентацию подложки.Нарастив слой нужной толщины,можно изменить химический состав среды,из которой происходит рост кристалла ( например, перенести подложку в другой реактор ),и нарастить слой с другими свойствами.Этот процесс и называется эпитаксией,и главное здесь – сохранение единства кристаллической решётки.По способу организации роста монокристалла различают эпитаксию из жидкой фазы и эпитаксию из газовой фазы. Рассмотрим сначала (как наиболее простой и наглядный) метод эпитаксии из жидкой фазы на примере изготовления полупроводниковых лазеров на гомопереходе в арсениде галлия GaAs.

Сначала растят объёмный монокристалл n-GaAs ( легированный теллуром Te до концентрации доноров N_D≈ (1-5)*10¹⁸см^-3с заданной ориентацией кристаллографических осей.Кристалл режут на пластины – подложки толщиной 500 мкм,пластины шлифуют и полируют до толщины 300-200 мкм.Эпитаксию из жидкой фазы производят методом кристаллизации из раствора в расплаве : арсенид галлия GaAs растворяют в расплавленном металлическом галлии.Галлий – легкоплавкий металл ( температура плавления Т_пл = 29⁰ С;Т_кип = 2237⁰ С ),имеет низкое давление паров,то есть не испаряется в процессе роста кристалла,не образует твёрдых растворов в кристаллической решётке арсенида галлия,не смачивает графитовую лодочку и не реагирует с графитом при температурах Т⁰≈ 800 – 1200⁰ С. Температура плавления арсенида галлия Т_{пл GaAs} = 1280⁰C,а температура кристаллизации из раствора Т_крист = 900⁰С.Металлический галлий плавят и нагревают в потоке водорода до температуры Т⁰≈ 940⁰С.При этой температуре в расплавленном галлии растворяется арсенид галлия GaAs и необходимые легирующие примеси для создания нужной проводимости ( цинк Zn и теллур Te ). Далее нагреватель выключают,печь поворачивают горизонтально,раствор GaAs в расплавленном Ga покрывает подложку и при медленном остывании раствора на подложке идёт кристаллизация слоя – эпитаксия. В начальный момент,до начала кристаллизации,горячий раствор подтравливает поверхностный слой подложки ( удаляет дефекты полировки -грязь,царапины,механические дефекты и напряжения в поверхностном слое,что повышает качество наращиваемого слоя монокристалла ).Скорость роста эпитакcиального монокристаллического слоя GaAs регулируют изменением скорости остывания раствора.Чем меньше температура,тем меньше растворимость арсенида галлия GaAs в расплаве галлия Ga,что приводит к образованию пересыщенного раствора и кристаллизации избыточного арсенида галлия на подложке.Нарастив слой нужной толщины,лодочку наклоняют,раствор стекает.Пластину с нарощенным монокристаллическим слоем нужного состава вынимают,промывают,подшлифовывают при необходимости и переносят в другой реактор для выращивания очередного монокристаллического эпитаксиального слоя с другими необходимыми параметрами.Например,добавляя к раствору арсенида галлия GaAs раствор арсенида алюминия AlAs , получают соединение Ga_1-x Al_x As - тройной полупроводник галлия-алюминия арсенид.Этот процесс облегчается тем обстоятельством,что галлий и алюминий – элементы одной группы со сходными химическими свойствами,а арсенид алюминия AlAs имеет очень близкие к арсениду галлия параметры кристаллической решётки,что и делает возможным процесс эпитаксии.При этом арсенид алюминия является непрямозонным полупроводником (неизлучающим),однако добавление в кристаллическую решётку арсенида галлия до 40% арсенида алюминия приводит к уменьшению показателя преломления получающегося тройного соединения с 3,6 до 3,4 и к увеличению ширины запрещённой зоны, а образующаяся многослойная структура имеет специальное название - двойная гетероструктура, ДГС, и обладает уникальными генерационными свойствами .

Поток

водорода

Печь кварцевая H₂

трубчатая

Т⁰ 940⁰С Подложка

GaAs

Лодочка Ga расплав Наклон печи

графитовая

Рис.3.10. Эпитаксия из жидкой фазы – из раствора в расплаве.

Основной недостаток эпитаксии из жидкой фазы – трудно точно контролировать толщину слоя монокристалла и распределение примесей,особенно при необходимости наращивания тонких слоёв ( доли микрометров – десятки нанометров и менее ).От этого недостатка свободны методы эпитаксии из газовой фазы, например,с использованием реакции химического переноса – синтеза GaAs на подложке ( рис.3.11) .

Печь кварцевая трубчатая двухзонная “Холодная” зона

Поток водорода Т⁰ 850⁰ С Т⁰ 750⁰ С

Н₂

Иод I₂ Арсенид галлия Подложка GaAs

поликристаллический GaAs Рост монокристалла

“Горячая” зона

Рис.3.11. Эпитаксия из газовой фазы .

Процесс эпитаксии из газовой фазы происходит в двухзонной кварцевой трубчатой печи в потоке водорода H₂. В “горячей”зоне ( Т⁰ 850⁰ С ) расположены контейнеры с поликристаллическими иодом I₂ и арсенидом галлия GaAs. При температуре 850⁰ происходит испарение твёрдых иода и арсенида галлия и в парах протекает реакция с образованием газообразного иодида галлия по схеме :

GaAs + I₂ → GaI ↑ + As₄ ↑

Газообразные продукты реакции переносятся потоком водорода в “холодную“ зону ,где расположена монокристаллическая подложка из арсенида галлия с заданной ориентацией кристаллографических осей.В “холодной “ зоне при температуре 750⁰ С происходит обратная реакция по схеме

GaI + As₄ → GaAs ↓ + Ga I₃ ↑

При этом образующийся в ходе реакции арсенид галлия оседает на подложке,образуя монокристаллическую структуру по схеме двумерного роста ( рис.2.9 ),то есть происходит эпитаксиальный рост монокристалических слоёв заданной толщины ( толщина слоёв регулируется временем роста и концентрацией реагентов в потоке ). Вводя в горячую зону дополнительные реагенты,можно изменять состав растущих слоёв и их свойства.

Дата добавления: 2014-11-14; просмотров: 662; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!