СПОСОБ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ НИТРИДА ГАЛЛИЯ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ Советский патент 1996 года по МПК C30B25/02 C30B29/40 

Описание патента на изобретение SU1136501A1

Изобретение относится к способам выращивания эпитаксиальных слоев из газовой фазы и может быть использовано в электронной промышленности при создании светоизлучающих приборов на основе нитрида галлия, работающих во всей видимой области спектра.

Известен способ эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы с использованием системы хлористого галлия и аммиака в потоке газа-носителя H2, Ar на подложках корунда при температуре 720-950oC [1]
Существенным недостатком данного способа является малая толщина получаемых слоев из-за низкой скорости выращивания. При скорости выращивания 50 мкм/ч получены слои толщиной 200 мкм.

Кроме того, не удается воспроизводимо выращивать более "толстые" слои, однородные по качеству, вследствие неконтролируемой кристаллизации продукта на стенках реактора, что ведет к уменьшению скорости роста по длине реактора.

Наиболее близким к изобретению является способ эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы, включающий пропускание потока аммиака над источником металлического галлия и осаждение слоев на подложки [2]
Недостатком указанного способа также является малая толщина выращиваемых слоев.

Целью изобретения является увеличение толщины слоев. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы, включающем пропускание потока аммиака над источником металлического галлия и осаждение слоев на подложки, источник галлия располагают напротив подложек на расстоянии 2-5 мм, поток аммиака пропускают между ними со скоростью 25-50 л/ч и осаждение ведут при температуре 1170-1270oC и температуре источника на 10-50oC выше этой температуры.

В предложенном способе для выращивания слоев используют подложки из сапфира и карбида кремния, которые располагают в непосредственной близости от источника галлия в градиенте температур, перпендикулярном подложкам. При сближении источника и подложек на расстоянии 2-5 мм обеспечивается эффективная доставка галлия и атомарного азота к подложкам. При расстоянии между источником галлия и подложками менее 2 мм происходит неконтролируемое зародышеобразование, что ведет к поликристаллическому росту. При расстоянии более 5 мм возможен унос аммиаком галлия из зоны осаждения, в результате резко замедляется скорость роста.

При скоростях потока аммиака менее 25 л/ч скорость роста нитрида галлия невелика из-за недостатка в зоне роста активного азота и выделения свободного галлия на подложке, а при скоростях более 50 л/ч резко снижается массоперенос галлия к подложкам.При использовании температуры роста ниже 1177oC наблюдается поликристаллический рост нитрида галлия вследствие зарождения большого числа малоподвижных центров кристаллизации. Выращивание при температуре выше 1270oC происходит с интенсивным разложением растущих слоев и выделением свободного галлия на подложках даже с большими скоростями потока аммиака. Градиент температур, перпендикулярный подложкам, необходим для создания оптимальных условий переноса продуктов реакции взаимодействия галлия и аммиака к подложкам, контролируемого зарождения и роста кристаллов. Используя перепад температур между источником галлия и подложками менее 10oC, не удается выращивать гомогенные слои нитрида галлия с большой скоростью, а следовательно, и большой толщины. При перепаде температур более 50oC наблюдается интенсивное осаждение большого количества нитрида галлия на подложки, что ведет к поликристаллическому росту.

На фиг.1 представлена зависимость скорости роста нитрида галлия от расстояния между источником галлия и подложками. Кривая I получена при следующих условиях:
Скорость потока аммиака VNH3 25 л/ч;
Температура подложек (Тп) 1170oC;
Перепад температур между источником и подложками (ΔT)=10°C.
Кривая 2:
VNH3 35 л/ч, Тп 1220oC, ΔT=30°C.
Кривая 3:
VNH3 50 л/ч, Тп 1270oC, ΔT=50°C.
На фиг.2 приведено устройство, поясняющее реализацию способа. В горизонтальном кварцевом реакторе 1 находится материал (например, графит), являющийся одновременно нагревателем 2 и местом помещения источника металлического галлия 3. Сверху на канавку 4 кладутся подложки 5 с расстоянием до источника галлия 2-5 мм в зависимости от режимов выращивания. Очищенный аммиак пропускается между подложками и источником галлия. Расстояние между источником и подложками регулируется глубиной канавки.

Реактор с нагревателем помещают в высокочастотный индуктор 6, изготовленный таким образом, чтобы осевой градиент температур был минимальным, а радиальный перпендикулярен подложкам (направление градиента температур на фиг. 2 сверху вниз). Для изменения перепада температур между источником и подложками можно использовать шайбы 7 из материала нагревателя, которые помещаются сверху подложек. В реакторе создается вакуум не ниже 10-3 мм рт.ст. Далее система продувается потоком аммиака и проводится выращивание нитрида галлия при температурах 1170-1270oC, потоке аммиака 25-50 л/ч, перепаде температур 10-50oC.

Пример 1. Выращивание слоев нитрида галлия проводят на подложки из сапфира ориентации (1120), площадь каждой подложки 1 см2. Конструкция нагревателя, расположение подложек соответствуют описанному выше на фиг.2. Расстояние между источником и подложками 2 мм. Скорость потока аммиака составляет 25 л/ч. Температура подложек 1170oC. Перепад температур между источником и подложками (ΔT)10°C.. Скорость роста нитрида галлия 1,2 мм/ч. Получены слои толщиной 1 мм, объемом 100 мм3. Они были n-типа проводимости, имели концентрацию свободных электронов 3•1019 см-3, подвижность электронов 80 см2/с.

Пример 2. Подложки, ориентация, их расположение, как в примере 1. Расстояние между источником и подложками 3 мм. Скорость потока аммиака 35 л/ч. Температура подложек 1220oC. Перепад температур ΔT=30°C.. Скорость роста нитрида галлия составляла 1,9 мм/ч. Толщина полученных слоев 1,6 мм, объем 160 мм3, слои были n-типа проводимости с концентрацией свободных электронов 5•1019-3, подвижность 50 см2/с.

Пример 3. Подложки, ориентация, их расположение такие же, как в примере 1. Расстояние между источником и подложками 5 мм. Скорость потока аммиака 50 л/ч. Температура подложек 1270oС. Перепад температур ΔT=50°C.. Скорость роста 0,3 мм/ч. Толщина полученных слоев 0,9 мм, объем 90 мм3, слои были n-типа проводимости с концентрацией свободных электронов 8•1019 см-3, подвижностью электронов 30 см2/с.

Пример 4. Выращивание проводят на подложки гексагонального карбида кремния ориентации (0001) площадью 1 см2. Расположение подложек, поток аммиака, температура подложек, перепад температур такие же, как в примере 3. Расстояние между источником и подложками 2 мм. Скорость роста 2,3 мм/ч. Получены слои толщиной 2,1 мм, объемом 210 мм3 n-типа проводимости с концентрацией свободных электронов 6•1019 см-3, подвижностью 40 см2/c.

Таким образом, предлагаемый способ выращивания полупроводникового нитрида галлия позволяет увеличить толщину выращиваемых слоев более, чем в 10 раз по сравнению с известными способами, управлять процессом роста кристаллов. Причем по электрофизическим параметрам кристаллы не уступают слоям, полученным другими способами. Слои, выращенные предлагаемым способом, могут быть использованы в качестве подложек для гомоэпитаксиального роста нитрида галлия, а также для изготовления на их основе светодиодов с излучением во всей видимой области спектра.

Похожие патенты SU1136501A1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ НИТРИДОВ МЕТАЛЛОВ 3А ГРУППЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ 1996
  • Водаков Юрий Александрович
  • Мохов Евгений Николаевич
  • Рамм Марк Григорьевич
  • Роенков Александр Дмитриевич
  • Макаров Юрий Николаевич
  • Карпов Сергей Юрьевич
  • Рамм Марк Спиридонович
RU2097452C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ 2011
  • Макаров Юрий Николаевич
  • Курин Сергей Юрьевич
  • Хейкки Хелава
  • Чемекова Татьяна Юрьевна
  • Антипов Андрей Алексеевич
RU2479892C2
БУЛЯ НИТРИДА ЭЛЕМЕНТА III-V ГРУПП ДЛЯ ПОДЛОЖЕК И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 2001
  • Водоу Роберт П.
  • Флинн Джеффри С.
  • Брандз Джордж Р.
  • Редуинг Джоан М.
  • Тишлер Майкл А.
RU2272090C2
СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ТИПА III-V, УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАЦИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ, ЭПИТАКСИАЛЬНЫЙ СЛОЙ НИТРИДА МЕТАЛЛА, ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА НИТРИДА МЕТАЛЛА И ПОЛУПРОВОДНИК 2006
  • Фон Кенель Ганс
RU2462786C2
ПОДЛОЖКА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК И СЛОЕВ НИТРИДА ГАЛЛИЯ 2001
  • Айтхожин С.А.
RU2209861C2
Гетероэпитаксиальная структура с алмазным теплоотводом для полупроводниковых приборов и способ ее изготовления 2020
  • Занавескин Максим Леонидович
  • Андреев Александр Александрович
  • Мамичев Дмитрий Александрович
  • Черных Игорь Анатольевич
  • Майборода Иван Олегович
  • Алтахов Александр Сергеевич
  • Седов Вадим Станиславович
  • Конов Виталий Иванович
RU2802796C1
СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ НИТРИДА ГАЛЛИЯ ГЕРМАНИЕМ 2006
  • Колин Николай Георгиевич
  • Меркурисов Денис Игоревич
  • Бойко Владимир Михайлович
RU2354001C2
ПОДЛОЖКА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ НИТРИДА ГАЛЛИЯ 2007
  • Айтхожин Сабир Абенович
RU2369669C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНОКОЛОНЧАТОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ III-N 2019
  • Семенов Алексей Николаевич
  • Нечаев Дмитрий Валерьевич
  • Жмерик Валентин Николаевич
  • Иванов Сергей Викторович
  • Кириленко Демид Александрович
  • Трошков Сергей Иванович
RU2758776C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕЗАВИСИМОЙ ПОДЛОЖКИ ИЗ НИТРИДА III ГРУППЫ 2011
  • Мейер Бернд
  • Николаев Владимир
RU2576435C2

Иллюстрации к изобретению SU 1 136 501 A1

Реферат патента 1996 года СПОСОБ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ НИТРИДА ГАЛЛИЯ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

Способ эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы, включающий пропускание потока аммиака над источником металлического галлия и осаждение слоев на подложки, отличающийся тем, что, с целью увеличения толщины слоев, источник галлия располагают напротив подложек на расстоянии 2 - 5 мм, поток аммиака пропускают между ними со скоростью 25 - 50 л/ч и осаждение ведут при температуре 1170 - 1270oС и температуре источника на 10 - 50oС выше этой температуры.

Формула изобретения SU 1 136 501 A1

Способ эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы, включающий пропускание потока аммиака над источником металлического галлия и осаждение слоев на подложки, отличающийся тем, что, с целью увеличения толщины слоев, источник галлия располагают напротив подложек на расстоянии 2 5 мм, поток аммиака пропускают между ними со скоростью 25 50 л/ч и осаждение ведут при температуре 1170 1270oС и температуре источника на 10 50oС выше этой температуры.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1996 года SU1136501A1

ПОТРЕБЛЯЕМЫЙ ПИЩЕВОЙ ПРОДУКТ, СОДЕРЖАЩИЙ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЬ ПИЩЕВОГО ЖИРА (ВАРИАНТЫ), И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ (ВАРИАНТЫ) 2003
  • Джен Катрин
  • Артисс Джозеф Д.
RU2304400C2
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Ejder E
Growth and morfology of GaN
- J
of Crystal Growth, 1974, v.22, p.44-46.

SU 1 136 501 A1

Авторы

Водаков Ю.А.

Мохов Е.Н.

Роенков А.Д.

Даты

1996-11-20Публикация

1983-01-12Подача