СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО СЛОЯ ПОЛУПРОВОДНИКА III-НИТРИДА НА ЧУЖЕРОДНОЙ ПОДЛОЖКЕ Российский патент 2002 года по МПК H01L21/20 H01L21/36 C30B25/02 

Изобретение относится к способам изготовления полупроводниковых приборов, точнее к способам эпитаксиального наращивания, а именно получения слоя полупроводника III-нитрида (GaN, A1N, InN) на чужеродной подложке путем газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений (МОС), и может найти применение при создании полупроводниковых лазеров, светодиодов, ультрафиолетовых фотоприемников, высокотемпературных диодов, транзисторов и т. п. В методе газофазной эпитаксии с использованием МОС рост слоя III-нитрида происходит из потоков металлоорганического (триметилгаллий (TMG), триэтилгаллий (TEG), триметилалюминий (ТМАl) и т.д.) соединения и аммиака (NH₃), как правило, на сапфировой подложке, либо на подложках SiC, Si в две стадии (стадия образования буферного слоя и стадия непосредственно эпитаксиального роста).

Известен способ получения полупроводника III-нитрида методом двухстадийного эпитаксиального роста, например GaN [1], в котором на сапфировой подложке вначале создают буферный слой толщиной при низкой (480-550^oС) температуре, а затем температуру повышают до 1025^oС и выращивают основной слой. В этом способе потоки аммиака и триметилгаллия постоянны как при образовании буферного слоя, так и в процессе эпитаксии основного слоя. Этот способ позволяет получать эпитаксиальные слои полупроводников III-нитридов, однако его недостатком является высокая (10⁹-10¹⁰ см^-2) плотность дефектов и дислокации в эпитаксиальном слое.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ получения эпитаксиального слоя GaN методом газофазной эпитаксии из МОС в импульсном режиме [2]. В этом способе на чужеродной подложке (SiC) производят выращивание слоя в две стадии: вначале образование буферного слоя GaN и проводящего слоя Al_0,2Ga_0,8N при высокой температуре (1000^oС) и при постоянных потоках TEG, TMA1 и NH₃, затем - основного слоя GaN при температуре 950^oС. Основной слой выращивается при потоках TEG и аммиака, причем поток аммиака имеет прерывистый (импульсный) характер: в течение 8 с поток постоянный, в течение 5 с поток аммиака отсутствует, затем этот цикл многократно повторяется.

Достоинством этого способа является то, что он позволяет осуществить более выгодные условия роста в направлении, параллельном поверхности подложки (скорость роста в направлении, параллельном поверхности в 4 раза больше, чем в направлении, перпендикулярном поверхности подложки), что приводит к получению более качественного эпитаксиального слоя (качество слоя на 15% выше, чем в слоях, выращенных по способу-аналогу).

Недостаток известного способа состоит в том, что образование буферного слоя происходит при постоянных потоках аммиака и TEG, a поскольку атомы азота обладают очень небольшой подвижностью на подложке (на несколько порядков меньше) по сравнению с атомами Ga, то зарождение буферного слоя происходит в условиях избытка атомов Ga, что создает большое количество дефектов (из-за избытка Ga) и дислокации. Рост основного слоя при импульсной подаче аммиака позволяет, по-видимому, обеспечить условия более оптимальные для перемещения атомов азота по поверхности растущего слоя, чем при постоянном потоке аммиака, что и позволяет получить более качественные эпитаксиальные слои по сравнению с аналогами.

Предлагаемый способ решает задачу улучшения качества эпитаксиального слоя полупроводника III-нитрида на чужеродной подложке за счет снижения плотности дефектов и дислокации.

Задача решается тем, что в способе получения эпитаксиального слоя полупроводника III-нитрида на чужеродной подложке путем газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, состоящей из стадии образования буферного слоя и стадии эпитаксиального роста, с использованием потоков металлоорганического соединения и аммиака, один из которых поступает в импульсном режиме на стадии эпитаксиального роста, упомянутый импульсный режим осуществляют по потоку металлоорганического соединения на обеих стадиях, причем длительность импульса t_n (с) на стадии образования буферного слоя определяется из соотношения:
t_n=r_crn^-2/3/v₁,
на стадии эпитаксиального роста t_e(c) из соотношения:
t_e=h/v₂,
а длительность Δt(c) интервалов между импульсами удовлетворяет соотношениям
Δt>t₁,Δt>t_e,
где n - порядковый номер импульса (1,2,...);
r_сr - критический радиус зародыша на чужеродной подложке,
v₁ - скорость образования слоя на стадии образования буферного слоя,
h - начальная высота неоднородности рельефа поверхности эпитаксиального слоя,
v₂ - скорость роста слоя на стадии эпитаксиального роста,
Уменьшение плотности дефектов и дислокации несоответствия достигается выбором качественно новых условий как образования буферного слоя, так и последующего эпитаксиального роста слоя. Для образования буферного слоя на чужеродной подложке необходимо преодолеть достаточно высокий энергетический барьер, что требует большой степени пересыщения встраиваемых в поверхность как атомов III-группы, так и атомов азота. По мере образования центров новой фазы (полупроводника III-нитрида) на поверхности чужеродной (например, сапфировой) подложки это пересыщение в известных методах по-прежнему остается высоким (при постоянных потоках металлоорганического соединения и аммиака), что приводит к образованию множества мелких зародышей новой фазы, которые быстро смыкаются, образуя сплошной практически аморфный слой III-нитрида. Образование более крупных кристаллических областей полупроводника III-нитрида в буферном слое происходит уже при повышении температуры до 1025-1050^oС (отжиг буферного слоя). Если дальнейший рост эпитаксиального слоя (как в способе-прототипе) происходит при постоянном потоке МОС и пульсирующем потоке аммиака, то поскольку поверхностная диффузия атомов азота существенно меньше, чем поверхностная диффузия атомов III-группы и улет атомов азота с поверхности растущего слоя при высоких температурах существенен, пульсирование по потоку аммиака влияет на качество растущего слоя в слабой степени.

В предлагаемом способе условия как образования буферного слоя, так и эпитаксиального роста основного слоя улучшаются, во-первых, за счет импульсного режима подачи МОС, во-вторых, за счет изменения этого импульсного режима по выявленным авторами определенным законам как на стадии образования буферного слоя, так и на стадии эпитаксиального роста. Выбор условия пульсирования потоком МОС позволяет уменьшить концентрацию атомов третьей группы и уменьшить количество дефектов, связанных с избытком этих атомов при зарождении буферного слоя. Выбор условия длительности импульса потока металлоорганического соединения на чужеродную подложку t_n=r_crn^-2/3/v₁ обусловлен тем, что величина этого потока, с одной стороны, должна быть достаточна для зарождения слоя, а с другой стороны, поток должен уменьшаться импульсно по определенному закону ~ n^-2/3, чтобы не смогло накопиться избыточное количество атомов третьей группы и чтобы вероятность образования новых зародышей была мала, а вероятность укрупнения уже возникших зародышей была велика. Так как дальнейший рост зародышей лимитируется переходом атомов через межфазную границу, то при затухающем потоке атомов МОС на поверхность подложки, если степень затухания ~ n^-2/3, для всех атомов создаются условия для образования новых зародышей. Это приводит к росту островков и получению буферного слоя с более кристаллическими центрами новой фазы, что при дальнейшем отжиге создает более качественный буферный слой. Выбор условия длительности импульса t_e= h/v₂ обусловлен тем, что необходимо обеспечить условия роста, снизив поток МОС (импульсная поставка), причем длительность импульсов в этой стадии эпитаксиального роста определяется начальной высотой ступени неоднородности рельефа поверхности слоя (вначале это будет высота неровности буферного слоя) - h. Выбор интервала Δt времени между импульсами длительностью Δt>t_n, n=1 обусловлен тем, чтобы обеспечить полное снятие пересыщения и обеспечить перемещение атомов азота по поверхности подложки и встраивание их в центры новой фазы за время отсутствия потока МОС. Выбор интервала времени Δt>t_e обусловлен тем, чтобы обеспечить снятие пересыщения и перемещение атомов азота по поверхности эпитаксиального слоя за время отсутствия потока МОС.

Способ осуществляют следующим образом. Чужеродную подложку (например, сапфир) подготавливают стандартным способом (травление, промывка, просушка) для эпитаксии и помещают в реактор для газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений. Устанавливают определенные из известных литературных данных [1] потоки МОС, аммиака, водорода, задают температуру образования буферного слоя и его толщину, температуру эпитаксии основного слоя и определяют скорости v₁, v₂, r_сr при этих условиях. Вычисляют длительность импульса t_n, нагревают подложку до температуры образования буферного слоя, осуществляют контакт подложки с постоянным потоком аммиака и импульсным потоком МОС с длительностью импульса t_n= r_сrn^-2/3/v₁ и интервалом между импульсами Δt>t₁, Δt>t_e. После образования слоя заданной толщины прекращают поток МОС, измеряют величину неоднородности рельефа поверхности буферного слоя, нагревают буферный слой до температуры эпитаксии и осуществляют контакт буферного слоя с импульсным потоком МОС с длительностью импульса t_e=h/v₂ и интервалом между импульсами Δt>t_e, Δt>t₁. После завершения выращивания эпитаксиального слоя производят выключение потока МОС и систему охлаждают до комнатной температуры.

Пример 1
Проводили получение слоя GaN на сапфировой (0001) подложке в две стадии (вначале образовали буферный слой GaN при температуре 525^oС, затем выращивали эпитаксиальный слой при температуре 1050^oС) на установке эпитаксии из металлорганических соединений "Epiquip" в горизонтальном реакторе с индуктивным нагревом. Процесс проводился в атмосфере водорода, в качестве газов-реагентов использовались триметилгаллий и аммиак. Типичная скорость роста при образовании буферного слоя была а при эпитаксиальном росте при этом поток триметилгаллия составлял 36•10^-3 мол/мин и 121•10^-3 мол/мин соответственно, а поток аммония - 0.09 мол/мин, критический радиус зародыша GaN на сапфировой подложке [3]. Для выполнения поставленной задачи определяли длительность импульса t_n по потоку триметилгаллия на стадии образования буферного слоя t_n=r_crn^-2/3/v₁: n=1 t₁=20c, n= 2 t₂=13c, n=3 t₃=10c, n=4 t₄=8c, n=5 t₅=7c, n=6 t₆=6c, n=7 t₇=5c, n=8 t₈= 5c, n=9 t₉=5c, n=10 t₁₀=4c, n=11 t₁₁=4c, n=12 t₁₂=3c.

За первые 10 импульсов общей длительностью 82 с образовали слой примерно толщиной и он был уже сплошным. Остальные (до заданного нами слоя) растили практически при постоянных импульсах t₁₂-t₄₀ длительностью 3с в течение еще 30 импульсов. Интервалы между импульсами были Δt>t₁= 20 c. После образования буферного слоя температуру поднимали до температуры эпитаксиального роста 1050^oС и осуществляли импульсный режим по потоку триметилгаллия с длительностью импульса t_e=h/v₂, где h - начальная высота неоднородности рельефа поверхности эпитаксиального слоя, определенная методом лазерной рефлектометрии (аналогичные данные были получены авторами работы [3]).

t_e= 20/1,8 = 11c.

Интервалы между импульсами были Δt>t_e, Δt>t₁, Δt>20c.
После выращивания эпитаксиального слоя процесс прекращали, подложку охлаждали и определяли качество полученного слоя.

Аналогичным способом можно получать слои других полупроводников III-нитридов (A1N, InN) на чужеродной подложке.

Пример 2
То же, что в примере 1, но интервалы между импульсами Δt<t₁ и Δt<t_e.
Оказалось, что качество слоя, полученного в этом случае было хуже, чем качество слоя, полученного в прототипе.

Качество эпитаксиальных слоев оценивалось методами фотолюминесценции, атомно-силовой микроскопии (АСМ), рентгеновской дифракции. Оказалось, что в случае примера 1:
- интенсивность краевой фотолюминесценции GaN слоя, выращенного по предлагаемому способу, в 2,9 раза выше, чем по способу-прототипу при одинаковых уровнях возбуждения;
- сравнение и анализ АСМ изображений участков поверхности площадью 200 х 200 нм² показали, что разница между максимумом и минимумом рельефа в 3 раза меньше в слое, выращенном по предлагаемому способу, чем по способу-прототипу, и составляла величину
- сравнение дифракционных кривых слоев, выращенных по предлагаемому способу и по способу-прототипу, показало, что плотность дислокации в 10 раз ниже в слое, полученном при осаждении в предлагаемом импульсном режиме.

В случае примера 2 качество полученного слоя было ниже качества слоя, выращенного по способу-прототипу.

Таким образом, данный способ позволяет получать эпитаксиальные слои полупроводников III-нитридов на чужеродной подложке более высокого качества, чем все известные способы.

ЛИТЕРАТУРА
1. S. C. Jain, M. Willander, J. Narayan, and R. Van Overstraeten. III-nitrides: Growth, characterization, and properties. J. Appl.Phys., v.87, N. 3, pp. 968-1008 (2000).

2. R. S. Qhalid Fareed, J.W. Yang, Jianping Zhang, Vinod Adivarahan, Vhnamra Chaturvedi, and M. AsifKhan. Vertically faceted lateral overgrowth ofGaN on SiC with conducting buffer layers using pulsed metalorganic chemical vapor deposition. Appl. Phys. Lett. v.77, N15, pp. 2343-2345 (2000).

3. K. Lorenz, M. Gonsalves, Wbok Kim, and S. Mahajan. Comparative study of GaN and A1N nucleation layers and thir role in growth of GaN on sapphire by MOCVD. Appl. Phys. Lett, v.77, N21, pp. 3391-3393 (2000).

Использование: при изготовлении полупроводниковых приборов, а именно в способах получения слоя полупроводника III-нитрида (GaN, AlN, InN) на чужеродной подложке путем газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений (МОС). Применение: при создании полупроводниковых лазеров, светодиодов, ультрафиолетовых фотоприемников, высокотемпературных диодов, транзисторов. Сущность изобретения: при получении эпитаксиального слоя полупроводника III-нитрида на чужеродной подложке путем газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, состоящей из стадии образования буферного слоя и стадии эпитаксиального роста, с использованием потоков МОС и аммиака, осуществляют импульсный режим по потоку МОС на обеих стадиях, причем длительность импульса t_n(с) на стадии образования буферного слоя определяется из соотношения t_n= r_crn^-2/3/v₁, на стадии эпитаксиального роста t_e(с) из соотношения t_e=h/v₂, а длительность Δt(c) интервалов между импульсами удовлетворяет соотношениям Δt>t₁, Δt>t_e, где n - порядковый номер импульса (1,2,...); r_cr - критический радиус зародыша на чужеродной подложке, v₁ - скорость образования слоя на стадии образования буферного слоя, h - начальная высота неоднородности рельефа поверхности эпитаксиального слоя, v₂ - скорость роста слоя на стадии эпитаксиального роста, Технический результат изобретения заключается в улучшении качества эпитаксиального слоя за счет снижения плотности дефектов и дислокаций.

Способ получения эпитаксиального слоя полупроводника III-нитрида на чужеродной подложке путем газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, состоящей из стадии образования буферного слоя и стадии эпитаксиального роста с использованием потоков металлоорганического соединения и аммиака, один из которых поступает в импульсном режиме на стадии эпитаксиального роста, отличающийся тем, что упомянутый импульсный режим осуществляют по потоку металлоорганического соединения на обеих стадиях, причем длительность импульса t_n (с) на стадии образования буферного слоя определяется из соотношения
t_n=r_crn^-2/3/v₁,
на стадии эпитаксиального роста t_e (с) из соотношения
t_e=h/v₂,
а длительность Δt(c) интервалов между импульсами удовлетворяет соотношениям
Δt>t₁, Δt>t_e,
где n - порядковый номер импульса (1,2,...);
r_cr - критический радиус зародыша на чужеродной подложке,
v₁ - скорость образования слоя на стадии образования буферного слоя,
h - начальная высота неоднородности рельефа поверхности эпитаксиального слоя,
v₂ - скорость роста слоя на стадии эпитаксиального роста, у