Способ получения низколегированного слоя GaAs методом жидкофазной эпитаксии Российский патент 2020 года по МПК H01L21/208 

Изобретение относится к области микроэлектронной техники, а более конкретно, к способам выращивания полупроводниковых слоев арсенида галлия методами жидкофазной эпитаксии.

В настоящее время основным материалом полупроводниковой электроники является кремний. Однако, существует целый класс приборов, работающим на высоких частотах и в экстремальных условиях, где одновременно требуется высокая скорость переключения, низкое падение прямого напряжения, возможность работы при высоких температурах, а также радиационная стойкость. В этом случае кремний, как материал, уже не способен обеспечить требуемые параметры. Поэтому закономерен интерес к разработке приборов на более широкозонных материалах, позволяющих решать указанные задачи, в том числе к арсениду галлия.

Электрофизические свойства арсенида галлия, такие как прямозонная структура, высокая подвижность электронов, малое время жизни неосновных носителей заряда, высокое кристаллическое совершенство позволяют реализовать целый ряд уникальных приборов, в частности эффективные быстродействующие фотоприемники и силовые полевые транзисторы с управляющим p-n переходом - JFET (Junction-Field-Effect-Transistors). В конструкции этих приборов всегда присутствует низколегированный слой n-типа, свойства которого главным образом и определяют электрофизические параметры конечного прибора. Данный слой должен одновременно обеспечивать низкое последовательное сопротивление, высокое пробивное напряжение и малую емкость, причем первый параметр находится в очевидном противоречии со вторым и третьим. Отсюда вытекает основное требование к этому слою - концентрация носителей заряда должна находиться в узком диапазоне значений (2-5)⋅10¹⁴ см^-3. Кроме того, для обеспечения высоких пробивных напряжений (600 В и выше) низколегированный слой n-типа должен иметь достаточную протяженность (не менее 30 мкм) с однородным распределением концентрации носителей заряда по толщине слоя.

Известно техническое решение (RU, патент №2445724, опубл. 20.03.2012), в котором использован метод компенсации мелких примесей в арсениде галлия примесью хрома. Сущность изобретения состоит в следующем: для повышения напряжения переключения в структуре диода создают дополнительную полуизолирующую область с высоким значением удельного сопротивления 10⁸-10⁹ Ом см. Такая область с высоким удельным сопротивлением может быть создана диффузией хрома в арсенид галлия.

Также известен способ выращивания структур (p+-i-n+-GaAs) (Айзенштат Г.И., Вилисова М.Д., Другова Е.П., и др. - Детекторы рентгеновского излучения на эпитаксиальном арсениде галлия. / ЖТФ. 2006. Т. 76. №8. стр. 46-49.) методом газофазной эпитаксии. Активный слой i-типа с удельным сопротивлением ρ≈10⁸ Ом⋅см создавали путем совместного легирования серой и хромом. Легирование хромом проводили либо одновременно с серой в процессе эпитаксии, либо после выращивания структуры путем последующей диффузии хрома.

Однако, использование полуизолирующего слоя с высокими значениями удельного сопротивления 10⁸-10⁹ Ом см, что соответствует концентрации носителей заряда n≈1⋅10⁷ см^-3, не отвечает цели настоящего изобретения, т.к. при обеспечении высоких значений пробивного напряжения наблюдаются крайне высокие значения последовательного сопротивления. Это не позволяет выполнить необходимые требования как для JFET в части обеспечения низких значений Rd_SOn, так для фотоприемника в части быстродействия.

Известна технология (D.A. Stevenson, P.I.Ketrush, S.C. Chang and A. Borshchevsky. - The Influence of Ti and Zr additions on GaAs Liquid Phase Epitaxial Growth. / Appl. Phys. Lett., vol 27, no. 9, pp 832-834, November 1980.) получения низколегированного слоя арсенида галлия n-типа, использующая добавки примеси титана в раствор-расплав на основе галлия, для очистки последнего от фоновых примесей. Применение данной технологии, позволяет снизить концентрацию электронов в эпитаксиальном слое до уровня 1.1⋅10¹⁵ см^-3 Однако, этого недостаточно для выполнения заданных требований к концентрации электронов - (2÷5)⋅10¹⁴ см^-3.

Наиболее близким к заявляемому, техническим решением является (RU, патент 2488911, опубл. 27.07.2013) способ единовременного получения p-i-n структуры GaAs, имеющей р, i и n области в одном эпитаксиальном слое, включающий нагрев исходной шихты до образования насыщенного раствора-расплава ее компонентов, взаимодействие раствора-расплава с

компонентами для получения заданного состава раствора-расплава, осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя GaAs, имеющего p-i-n структуру, удаление подложки, покрытой слоем GaAs, имеющего p-i-n структуру, из-под расплава, причем компонентные составы растворов-расплавов для выращивания GaAs p-i-n структуры формируют в обезвоженной атмосфере путем предварительного введения в исходную шихту в определенных количествах, как минимум, двух дополнительных твердых компонентов, представляющих собой диоксид кремния SiO₂ и оксид галлия (III) с последующим нагревом этой многокомпонентной шихты до температуры начала эпитаксии и выдержкой при этой температуре заранее установленное время.

Недостатком известного способа является наличие одновременно р, i и n области в одном эпитаксиальном слое, т.к. в этом случае при обеспечении высоких значений пробивного напряжения наблюдаются крайне высокие значения последовательного сопротивления.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа выращивания протяженного низколегированного слоя арсенида галлия n-типа без изменения типа проводимости и с однородным распределением носителей заряда по толщине слоя методом жидкофазной эпитаксии.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в одновременном обеспечении низкого последовательного сопротивления, высокого пробивного напряжения и малой емкости в конечных приборах.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ

получения низколегированного слоя GaAs методом жидкофазной эпитаксии. Разработанный способ включает составление исходной шихты, загрузку галлия, компонентов шихты и подложек GaAs в графитовое ростовое устройство, а затем в реактор, нагрев содержимого реактора в обезвоженной атмосфере с последующим отжигом в такой же атмосфере, осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя GaAs, удаление подложки, покрытой слоем GaAs из-под раствора-расплава, при этом в шихту добавляют, по меньшей мере, диоксид кремния и олово.

Предпочтительно весовые концентрации дополнительных легирующих компонентов в исходной шихте находятся в пределах:

- для Sn - 0.005-0.01 вес.%;

для SiO₂ - 0.007-0.015 вес.%.

при этом соотношение между концентрациями названных легирующих компонентов составляет:

C(SiO₂): C(Sn)=l-1.5.

В основу предлагаемого способа положен эффект зависимости коэффициента распределения примесей из жидкой в твердую фазу от температуры выращивания при жидкофазной эпитаксии арсенида галлия. Арсенид галлия является двухкомпонентным соединением и имеет две кристаллические подрешетки - галлия и мышьяка. Легирующие примеси могут находиться в разных подрешетках и обеспечивать разный тип проводимости в зависимости от типа примеси. Олово в эпитаксиальных слоях арсенида галлия, выращенных методом ЖФЭ, входит в подрешетку галлия и обеспечивает n-тип проводимости. При этом, олово в растворах-расплавах на основе галлия - неактивно, поэтому не вступает в реакции с компонентами раствора-расплава и фоновыми примесями. Вводя в жидкую фазу определенное количество только примеси олова, можно получить устойчивую концентрацию электронов на уровне (1.5÷2.5)⋅10 см^-3. Однако, такие значения концентрации электронов в эпитаксиальном слое слишком высоки для обеспечения требуемых значений пробивного напряжения и емкости, что не позволяет обеспечить необходимые параметры конечных приборов. Кроме того, коэффициент распределения примеси олова из жидкой в твердую фазу по мере снижения температуры эпитаксиального процесса уменьшается, что для протяженных слоев более 30 мкм приводит к снижению концентрации электронов от начала к концу слоя в 5-10 раз. Для общего уменьшения концентрации электронов и минимизации изменения этого параметра по толщине слоя предложено комплексное легирование двумя компонентами - оловом и диоксидом кремния (SiO₂).

Диоксид кремния взаимодействует с галлием в растворе-расплаве с образованием двух дополнительных компонентов:

SiO₂+2Ga=Ga₂O+SiO.

Кислород из Ga₂O встраивается в подрешетку мышьяка в эпитаксиальном слое, обеспечивая также n-тип проводимости как и олово, однако, в отличие от олова, коэффициент распределения примеси кислорода из жидкой в твердую фазу по мере снижения температуры эпитаксиального процесса растет, что приводит к повышению концентрации электронов от начала к концу слоя.

SiO₂ создает в эпитаксиальных слоях арсенида галлия, выращенных ЖФЭ, глубокие уровни р-типа HL2 и HL5 (Л.С. Берман, В.Г. Данильченко, В.И. Корольков, Ф.Ю. Солдатенков. Глубокоуровневые центры в нелегированных слоях p-GaAs, выращенных методом жидкофазной эпитаксии. / ФТП, 2000, т. 34, вып. 5, стр. 558-561), тем самым снижая исходную концентрацию электронов. Таким образом, дозированием содержания SiO₂ в растворе-расплаве можно управлять концентрацией электронов в эпитаксиальном слое. В результате, можно достичь стабильно низкой концентрации электронов (2÷5)⋅10¹⁴ см^-3 по всей толщине эпитаксиального слоя, что и является целью настоящего изобретения.

Таким образом, предложенный метод легирования, позволяет получить два основных технических результата:

- Получить низкую концентрацию электронов в эпитаксиальном слое на уровне (2÷5)⋅10¹⁴ см^-3.

- Обеспечить этот диапазон концентрации электронов на всем протяжении эпитаксиального слоя при его толщине не менее 30 мкм.

Пример 1.

Процесс выращивания низколегированного слоя арсенида галлия n-типа проводимости с однородным распределением электронов по толщине слоя для формирования области стока JFET.

Предварительно взвешивали компоненты исходной шихты, количества которых соответствует предложенной пропорции между Sn и SiO₂:

- Sn - 0.008 вес.%;

- SiO₂ - 0.012 вес.%.

Содержание в растворе-расплаве арсенида галлия определяли из расчета диаграммы состояния Ga-As. Проводили загрузку галлия, компонентов шихты и подложек GaAs n⁺-типа проводимости в графитовую кассету прокачного типа с вертикальным расположением подложек. Зазор между подложками был выбран 2.5 мм. В кварцевом реакторе в атмосфере водорода с точкой росы около -80°С выполняли предварительный отжиг расплавов галлия с дополнительными примесями (гомогенизацию) для растворения всех компонентов шихты в расплавах и образования растворов-расплавов требуемого состава в течение 120 минут при температуре 820°С и потоке водорода через реактор 3 л/мин, после чего систему охлаждали до температуры 800°С, при которой раствор-расплав приводили в контакт с подложками GaAs n⁺-типа проводимости и начинали кристаллизацию эпитаксиального слоя, путем принудительного охлаждения ростовой системы со скоростью около 0.7°С/мин, до температуры 730°С, после чего эпитаксию прекращали, а систему охлаждали до комнатной температуры. Графитовую кассету разгружали, полученные структуры химически отмывали от остатков раствора-расплава по стандартной технологии. Затем проводили измерение толщины эпитаксиального слоя методом электрохимического окрашивания и значений концентрации носителей заряда по глубине слоя C-V методом с использованием послойного химического травления слоя. Шаг травления составлял 3 мкм. Толщина слоя составила 33 мкм. По всей толщине слоя наблюдался n-тип проводимости. Профиль распределения концентрации электронов представлен на чертеже, из которого видно, что все значения концентрации (2.5÷4.2)⋅10¹⁴ см^-3 находятся в требуемых пределах, необходимых для изготовления области стока JFET.

Изобретение относится к области микроэлектронной техники, а более конкретно к способам выращивания полупроводниковых слоев арсенида галлия методами жидкофазной эпитаксии. Способ включает в себя составление исходной шихты, загрузку галлия, компонентов шихты и подложек GaAs в графитовое ростовое устройство, а затем в реактор, нагрев содержимого реактора в обезвоженной атмосфере с последующим отжигом в такой же атмосфере, осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя GaAs, удаление подложки, покрытой слоем GaAs из-под раствора-расплава. В шихту добавляют, по меньшей мере, диоксид кремния и олово. Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в одновременном обеспечении низкого последовательного сопротивления, высокого пробивного напряжения и малой емкости в конечных приборах. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения низколегированного слоя GaAs методом жидкофазной эпитаксии, включающий составление исходной шихты, загрузку галлия, компонентов шихты и подложек GaAs в графитовое ростовое устройство, а затем в реактор, нагрев содержимого реактора в обезвоженной атмосфере с последующим отжигом в такой же атмосфере, осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя GaAs, удаление подложки, покрытой слоем GaAs из-под раствора-расплава, отличающийся тем, что в шихту добавляют, по меньшей мере, диоксид кремния и олово.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что весовые концентрации дополнительных легирующих компонентов в исходной шихте находятся в пределах:

- для Sn - 0.005-0.01 вес. %;

- для SiO₂ - 0.007-0.015 вес. %,

при этом соотношение между концентрациями названных легирующих компонентов составляет:

C(SiQ₂):C(Sn)=1-1.5.