Способ получения антимонида галлия с большим удельным электрическим сопротивлением Российский патент 2017 года по МПК H01L21/205 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления антимонида галлия с большим удельным электрическим сопротивлением, применяемым в производстве полупроводниковых приборов.

Одними из наиболее перспективных материалов для оптоэлектронных приборов, работающих в спектральном диапазоне 4,2-0,8 мкм, являются материалы на основе антимонида галлия (GaSb), т.к. твердые растворы на его основе перекрывают широкий спектральный диапазон от 4,20 мкм до 0.80 мкм. Но активное производство оптоэлектронных приборов на основе данного материала ограничено отсутствием технологии промышленного изготовления GaSb с большим (свыше 200 Ом⋅см при Т=77 К) удельным электрическим сопротивлением.

Обычно GaSb, преднамеренно нелегированный, вне зависимости от технологии его получения, обладает низким удельным электрическим сопротивлением и имеет p-тип проводимости, обусловленный дефектами кристаллической решетки, а именно наличием вакансий атомов сурьмы (Sb) и увеличенным содержанием атомов галлия (Ga) на местах атомов Sb в кристаллической решетке. Использование GaSb с низким удельным электрическим сопротивлением не позволяет изготавливать интегральные схемы на таких подложках, а в оптоэлектронных приборах (фотоприемниках) сложно изготавливать структуры с толстой областью объемного заряда (p-i-n, n-i-p), что приводит к увеличению электрической емкости и понижению рабочей частоты прибора.

В настоящее время круг технологий, позволяющих получить преднамеренно нелегированный антимонид галлия с высоким удельным электрическим сопротивлением, весьма ограничен.

Так, авторами выявлен один источник информации, в котором описан способ получения преднамеренно нелегированного антимонида галлия с высоким удельным электрическим сопротивлением [Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, Е.А. Куницина, Я.А. Пархоменко, Д.А. Васюков, Ю.П. Яковлев «Роль свинца при выращивании твердых растворов Ga_1-XIn_XAs_YSb_1-Y методом жидкофазной эпитаксии», Физика и технология полупроводников, 2001, т.35, вып. 8, стр. 941-947] методом жидкофазной эпитаксии. Указанный способ выбран в качестве ближайшего аналога.

Данный способ включает выращивание антимонида галлия на подложке из антимонида галлия методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе свинца, как нейтрального растворителя, содержащего атомы галлия и сурьмы, при этом обеспечено превышение атомов сурьмы по отношению к атомам галлия, в результате чего удалось сместиться по диаграмме состояния Ga-Sb в область нестехиометрических составов, обогащенных сурьмой. В этом случае уменьшается число вакансий Sb и уменьшается концентрация свободных носителей. Было достигнуто удельное электрическое сопротивление материала слоев порядка 400 Ом⋅см при Т=77 К. Принципиальным недостатком жидкофазной эпитаксии является низкая производительность и высокая неоднородность материала по площади, что препятствует использованию этого способа в производстве.

Задачей изобретения является разработка способа промышленного изготовления на подложках из антимонида галлия слоев антимонида галлия с большим удельным электрическим сопротивлением.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления антимонида галлия с большим удельным электрическим сопротивлением, включающем выращивание антимонида галлия методом эпитаксии на подложке из антимонида галлия, при этом процесс эпитаксиального выращивания ведут при обеспечении превышения содержания атомов сурьмы по отношению к содержанию атомов галлия, согласно изобретению процесс выращивания антимонида галлия осуществляют методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений при температуре в диапазоне от 550 до 620°С при обеспечении превышения содержания атомов сурьмы по отношению к содержанию атомов галлия в газовой фазе в 20-50 раз.

Авторам заявляемого изобретения удалось получить преднамеренно нелегированный GaSb методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (ГФЭ МОС) в условиях, характеризующихся превышением в газовой фазе количества атомов сурьмы по отношению к количеству атомов галлия.

При таких условиях роста атомы сурьмы встраиваются в кристаллическую решетку GaSb и частично замещают атомы галлия, что приводит к уменьшению концентрации вакансий сурьмы и, следовательно, к уменьшению концентрации свободных носителей. При изменении соотношения атомов Ga и Sb в газовой фазе изменяется тип проводимости выращенного GaSb и концентрация носителей тока в нем.

Технологические параметры заявляемого способа были подобраны опытным путем и, как показали эксперименты, при проведении процесса газофазного эпитаксиального наращивания GaSb при температурах в диапазоне от 550 до 620°С и при обеспечении превышения содержания атомов сурьмы по отношению к содержанию атомов галлия в газовой фазе в 20-50 раз получены слои преднамеренно нелегированного GaSb с удельным электрическим сопротивлением более 400 Ом⋅см (Т=77 К).

При отличных от найденных параметрах роста не удается получить качественный GaSb с большим удельным электрическим сопротивлением.

При температуре ниже 550°С и соотношении содержания атомов Sb и Ga в газовой фазе менее 20 получаемый GaSb имеет р-тип проводимости, а при соотношении содержания атомов Sb и Ga в газовой фазе более 50 получаемый GaSb имеет большое количество кристаллографических дефектов и его электрофизические характеристики не могут быть измерены.

При температуре выше 620°С при соотношении атомов Sb и Ga в газовой фазе в диапазоне от 20 до 50 наблюдается возникновение большого количества кристаллографических дефектов.

С помощью ГФЭ МОС осуществляют выращивание как материала GaSb, так и приборных структур GaSb при достаточно высоком структурном совершенстве и хорошей однородности одновременно на большом количестве подложек значительной площади. При этом современное оборудование ГФЭ МОС способно обеспечить воспроизводимое наращивание однородных многослойных структур GaSb с прецизионным контролем толщины, состава и уровня легирования слоев с хорошей резкостью гетерограниц.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является создание способа промышленного изготовления GaSb с большим удельным электрическим сопротивлением.

Способ реализуют следующим образом.

Используют реактор, обеспечивающий проведение ГФЭ МОС.

Получают преднамеренно нелегированный антимонид галлия методом ГФЭ МОС в потоке водорода на подложке из антимонида галлия при температуре от 550 до 620°С, при этом обеспечивают превышение содержания атомов сурьмы по отношению к содержанию атомов галлия в газовой фазе в 20-50 раз. Суммарная скорость потока водорода через реактор составляет 0,1-0,3 м/мин.

В результате, как показывают исследования, получают высокоомный, имеющий удельное электрическое сопротивление более 400 Ом*см при температуре Т=77 К нелегированный антимонид галлия, электрические свойства которого близки к свойствам полуизолятора.

Ниже приведены примеры реализации способа.

Пример 1.

Получали нелегированный антимонид галлия методом ГФЭ МОС в потоке водорода на подложке из антимонида галлия площадью ~20 см² при температуре 560°С, при этом обеспечивали превышение содержания атомов сурьмы по отношению к содержанию атомов галлия в газовой фазе в 25 раз.

В результате, как показали исследования, получили преднамеренно нелегированный антимонид галлия, имеющий удельное электрическое сопротивление 410 Ом⋅см при температуре Т=77 К, обладающий высокой структурной однородностью (с отклонением параметров не более 1%.).

Пример 2.

Получали нелегированный антимонид галлия методом ГФЭ МОС в потоке водорода на подложке из антимонида галлия площадью ~20 см² при температуре 600°С, при этом обеспечивали превышение содержания атомов сурьмы по отношению к содержанию атомов галлия в газовой фазе в 40 раз.

В результате, как показали исследования, на подложке получили преднамеренно нелегированный антимонид галлия, имеющий удельное электрическое сопротивление порядка 420 Ом⋅см при температуре Т=77 К, обладающий высокой структурной однородностью (с отклонением параметров не более 1%).

Пример 3.

Получали нелегированный антимонид галлия методом ГФЭ МОС в потоке водорода на 6 подложках из антимонида галлия, каждая площадью ~20 см², при температуре 620°С, при этом обеспечивали превышение содержания атомов сурьмы по отношению к содержанию атомов галлия в газовой фазе в 50 раз.

В результате, как показали исследования, на подложках получили преднамеренно нелегированный антимонид галлия, имеющий удельное электрическое сопротивление порядка 440 Ом⋅см при температуре Т=77 К, обладающий хорошей структурной однородностью (с отклонением параметров не более 1%).

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления антимонида галлия с большим удельным электрическим сопротивлением, применяемым в производстве полупроводниковых приборов. В способе изготовления антимонида галлия с большим удельным электрическим сопротивлением, включающем выращивание антимонида галлия методом эпитаксии на подложке из антимонида галлия, при этом процесс выращивания антимонида галлия осуществляют методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений при температуре в диапазоне от 550 до 620°С при обеспечении превышения содержания атомов сурьмы по отношению к содержанию атомов галлия в газовой фазе в 20-50 раз. Техническим результатом изобретения является создание способа промышленного изготовления GaSb с большим удельным электрическим сопротивлением.

Способ получения антимонида галлия с большим удельным электрическим сопротивлением, включающий выращивание антимонида галлия методом эпитаксии на подложке из антимонида галлия, при этом процесс эпитаксиального выращивания ведут при обеспечении превышения содержания атомов сурьмы по отношению к содержанию атомов галлия, отличающийся тем, что процесс выращивания антимонида галлия осуществляют методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений при температуре от 550 до 620°C при обеспечении превышения содержания атомов сурьмы по отношению к содержанию атомов галлия в газовой фазе в 20-50 раз.