СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ Российский патент 1995 года по МПК C30B33/04 C30B29/42 

Изобретение относится к технологии полупроводниковых соединений типа А^ШВ^У и может быть использовано при получении монокристаллов полуизолирующего арсенида галлия (АГП) с улучшенными параметрами.

Выпускаемые в промышленности монокристаллы АГП имеют ряд недостатков: неоднородность свойств по объему кристалла, достигающая 50% а в ряде случаев и выше; низкую стабильность параметров после термообработки; большую величину коэффициента оптического поглощения (α=1,5 ˙ 10^-2 см^-1) на длине волны λ= 10,6 мкм.

Широкое применение АГП в производстве электронных приборов, высокая степень интеграции приборов выдвигают более жесткие требования к качеству и геометрическим размерам (диаметр до 250 мм) монокристаллов. Улучшение параметров материала металлургическими способами в процессе выращивания монокристаллов в настоящее время практически не осуществимо.

Предлагаемый способ заключается в улучшении параметров АГП облучением нейтронами ядерного реактора и последующей термообработкой. Прототипом служит способ, заключающийся в том, что исходный нелегированный полуизолирующий арсенид галлия облучают быстрыми нейтронами (флюенсом Ф>7 ˙ 10¹⁷ см^-2) с последующей термообработкой в течение 30 мин при температуре до 800^оС.

Недостатки способа в том, что улучшить характеристики полуизолирующего арсенида галлия таким образом не удается. Большие флюенсы нейтронов приводят к усилению прыжковой проводимости и ухудшению параметров материала. Температура отжига низкая и не дает ожидаемого эффекта.

Предлагаемый способ отличается тем, что в качестве исходного можно использовать полуизолирующий арсенид галлия с любой степенью компенсации, а облучение вести только быстрыми нейтронами (Е>0,1 МэВ) с плотностью потока не более 5 ˙ 10¹² см^-2 ˙ с^-1 до флюенса Ф=(0,4-5,0) ˙ 10¹⁶ см^-2. Отсечь тепловые нейтроны можно, используя для облучения кадмиевые пеналы или другие известные способы. Необходимость ограничения плотности потока нейтронов вызвана сильным разогревом и возможным растрескиванием материала в процессе облучения.

Физический смысл происходящих в материале процессов заключается в следующем. В результате облучения быстрыми нейтронами в арсениде галлия возникают простые радиационные дефекты (пары Феркеля: атом в междоузлии и вакансия). С увеличением дозы облучения растет концентрация вводимых дефектов и повышается вероятность их взаимодействия (коагуляции) и образования более сложных радиационных дефектов (РД), так называемых областей разупорядочения (ОР). Образовавшиеся ОР служат геттерами для простых (точечных) дефектов, образовавшихся в кристалле в процессе облучения и на стадии выращивания. Последующая термообработка облученных образцов при температуре 850-900^оС приводит к распаду ОР и перемещению простых дефектов на поверхность и на стоки (термообработка при температурах меньше 850 и выше 900^оС и не дает ожидаемого эффекта). Тем самым происходит очистка матрицы от большого количества ростовых и других точечных дефектов. Оптическое поглощение в облученном и термообработанном материале на рабочей длине волны λ=10,6 мкм становится меньше, происходит так называемое просветление материала. Коэффициент поглощения уменьшается примерно в 2 раза и становится равным α=(5-7) ˙ 10^-3 см^-1. Такое явление имеет большое практическое значение в связи с широким применением оптических окон из полуизолирующего арсенида галлия в производстве мощных технологических лазеров.

Циклическая обработка образцов (облучение и термообработка) приводит также к значительному повышению однородности и термостабильности свойств материала. Неоднородность электрофизических и оптических (глубокий уровень Е/2) характеристик в объеме материала не превышает 5% Термическая обработка образцов при 900^оС в течение 8 часов не приводит к чувствительным изменениям параметров материала, в то время как в обычном (необлученном) материале термообработка при 900^оС в течение 30-40 мин уже приводит к значительным изменениям параметров.

Применение радиационно-модифицированного материала в производстве полупроводниковых приборов (СБИС, СВЧ и оптоэлектронные приборы и др.) открывает новые перспективы в микроэлектронике.

П р и м е р 1. В качестве исходного материала используют монокристаллический слиток полуизолирующего арсенида галлия электронного типа проводимости (ρ ≈ 1˙10⁸ Ом˙см), легированного хромом (N_Cr=3˙10¹⁶ см^-3), имеющего степень компенсации К=0,05. Оптическая неоднородность (по ЕL2) по диаметру слитка равна δ₁= 30% Неоднородность электрофизических характеристик, измеренных бесконтактным методом, равна δ₂ 25% Оптическую однородность измеряют на двух оптически полированных пластинах толщиной 5 мм, вырезанных с разных участков слитка, методом оптического пропускания с разрешающей способностью в направлении сканирования ≈200 мкм и погрешностью измерений, не превышающей 2-3%
Оптическое поглощение на длине волны λ=10,6 мкм измеряют на тех же пластинах. Коэффициент поглощения составляет α=1,9 ˙ 10^-2 см^-1.

Облучение нейтронами проводят в вертикальных каналах реактора ВВР-ц, используя кадмиевые пеналы для устранения тепловых нейтронов. Флюенс быстрых нейтронов (ϕ=5 ˙ 10¹²см^-2 ˙ с^-1, Е>0,1 МэВ) составляет 5 ˙ 10¹⁶ см^-2.

После спада наведенной активности до допустимого уровня облученные образцы нагревают в запаянных кварцевых ампулах с равновесным давлением паров мышьяка со скоростью 4^оС/мин до температуры 900^оС. Отжиг проводят в течение 20 мин, а последующее охлаждение ведут со скоростью 2^оС/мин до температуры 400^оС, далее охлаждают вместе с печью до комнатной температуры.

В результате получают полуизолирующий арсенид галлия ( ρ ≈ 2˙10⁸Ом ˙ см) электронного типа проводимости с оптической неоднородностью δ₁=5% и неоднородностью электрофизических свойств δ₂=4% Коэффициент поглощения на длине волны λ= 10,6 мкм составляет α=6,7 ˙ 10^-3 см^-1. Термообработка образцов при 900^оС в течение 8 ч не приводит к заметным изменениям электрофизических параметров материала.

П р и м е р 2. В качестве исходного материала используют монокристаллический слиток нелегированного полуизолирующего арсенида галлия электронного типа проводимости (ρ 8 ˙ 10⁷ Ом ˙ см), имеющего степень компенсации К= 0,35. Оптическая неоднородность по диаметру слитка равна δ₁=35% Неоднородность электрофизических характеристик, измеренных бесконтактным методом, δ₂= 50% Коэффициент поглощения на длине волны λ=10,6 мкм составляет α=1,7 ˙ 10^-2 см^-1.

Облучение быстрыми (ϕ=3 ˙ 10¹² см^-2 x x с^-1, Е>0,1 МэВ) нейтронами проводят в вертикальных каналах реактора ВВР-ц, используя кадмиевые пеналы. Флюенс нейтронов составляет 4 ˙ 10¹⁵ см^-2.

После спада наведенной активности образцы отжигают при температуре 850^оС в течение 20 мин при тех же скоростях нагрева и охлаждения, что в примере 1.

В результате получают полуизолирующий арсенид галлия (ρ=1,5 ˙ 10⁸Ом ˙ см) электронного типа проводимости с оптической неоднородностью δ₁=4,5% и неоднородностью электрофизических свойств δ₂=4% Коэффициент поглощения на длине волны λ=10,6 мкм составляет α=6 ˙ 10^-3 см^-1. Термообработка образцов при 900^оС в течение 8 ч не приводит к заметным изменениям электрофизических параметров.

Примеры проведения процессов приведены в таблице. В качестве исходного материала может быть использован как нелегированный, так и легированный хромом полуизолирующий арсенид галлия в виде монокристаллических слитков и эпитаксиальных пленок.

Предлагаемый способ позволяет получить монокристаллы полуизолирующего арсенида галлия с улучшенной оптической однородностью (δ₁ 5%), уменьшенным оптическим поглощением α=(5-7) ˙ 10^-3 см^-1 на длине волны λ=10,6 мкм и повышенной термостабильностью свойств.

Такой материал соответствует требованиям современной микро- и оптоэлектроники и пользуется большим спросом как на внутреннем, так и на внешнем рынке.

Использование: для получения монокристаллов полуизолирующего арсенида галлия (агп). Сущность изобретения: способ включает облучение монокристаллов быстрыми нейтронами, последующий нагрев и охлаждение. Облучению подвергают монокристаллы с различной степенью компенсации при плотности потока Φ=(0,4-0)·10¹⁶ см^-2. Отжиг проводят при температуре 850 900 °С в течение 20 мин при скорости нагрева и охлаждения 4°С/мин и 2°С/мин соответственно. Получают АГП с улучшенной оптической неоднородностью δ₁≅ 5%, уменьшенным оптическим поглощением α=(6-7)·10^-3 см^-1 на длине волны λ=10,6 мкм и повышенной термостабильностью свойств. 1 табл.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ путем облучения монокристаллов быстрыми нейтронами с последующим нагревом, отжигом и охлаждением, отличающийся тем, что облучению подвергают монокристаллы с различной степенью компенсации при плотности потока не более 5 · 10¹² см^-2 с^-1 до флюенса ф= (0,4-5,0)10¹⁶ см^-2, а отжиг проводят при 850-900^oС в течение 20 мин при скорости нагрева и охлаждения 4 град/мин и 2 град/мин соответственно.