СПОСОБ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО НАРАЩИВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Советский патент 1996 года по МПК H01L21/208 

Изобретение относится к технологии полупроводниковых материалов и может быть использовано при получении приборных структур для микро- и оптоэлектроники с применением жидкостной эпитаксии.

Целью изобретения является получение непрерывного ряда твердых растворов (Si₂)_xGaAs_1-x на кремниевой подложке.

Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых твердых растворов (Si₂)_xGaAs_1-x может быть реализовано несколькими различными вариантами: сбрасыванием насыщенного при T_p раствора-расплава на смоченную при T_n подложку Si, погружением "холодной", смоченной при T_n подложки Si в насыщенный при T_p раствор-расплав, быстрым вдвигом подложки с раствором-расплавом под нагретый до T_p насыщенный раствор-расплав As в Ga. Наиболее простым и удобным в данном случае является последний вариант. Он не требует никаких конструктивных изменений в широко применяемых стандартных горизонтальных установках для жидкостной эпитаксии. Обычные графитовые кассеты сдвигового типа без каких-либо конструктивных изменений могут быть использованы для реализации этого способа.

Размещение кассеты в зоне реактора, где происходит резкое изменение температуры (обычно это край печи сопротивления), позволяет выдерживать насыщенный раствор-расплав As в Ga и подложку Si, смоченную раствором-расплавом As и Sn, при различных температурах. Расстояние, на котором необходимо их разместить, следует вычислить по формуле
L (T_p T_n)/grad T,
где grad T измеренный градиент температуры в зоне реактора, в которой размещают кассету.

П р и м е р 1. Способ реализован для выращивания полупроводниковых твердых растворов (Si₂)_xGaAs_1-x, состав которых изменяется от 1 мол. GaAs до 20 мол. GaAs. Температуры устанавливают: T_p 600^oC, T_n 300^oC. Толщина растворов-расплавов 300 мкм. Процесс проводят в стандартной сдвиговой кассете в кварцевом реакторе. Расстояние между смоченной подложкой Si и раствором-расплавом As и Ga при измеренном градиенте температуры grad T 100^oC/см устанавливают 3 см: L (T_p T_n)/grad T 300^oC/100^oC/см 3 см.

Формируют растворы-расплавы Ga + As и Sn + As. Для этого взвешивают 220 мг Ga, 0,5 г GaAs, 240 мг Sn и 4,6 мг As и размещают их в ячейках на расстоянии 3 см друг от друга.

Полированную подложку Si размером 1 х 1 см, прокипяченную в течение 5 мин в HF, а затем в изопропиловом спирте и высушенную на фильтровальной бумаге, размещают в специальном гнезде графитового слайдера, изолированном от расплава Sn + As. Кассету помещают в зоне градиента температур. Контроль температуры осуществляют при помощи хромель-алюмелевой термопары, расположенной вблизи ячейки с раствором-расплавом Ga + As.

Процесс проводят по следующей схеме: герметизируют реактор и продувают водородом, очищенным диффузией через палладиевый фильтр, в течение 30 мин при расходе газа 2 см/с; включают печь и после достижения в зоне раствора-расплава температуры T_p 600^oC выдерживают систему при постоянной температуре в течение 30 мин для гомогенизации обоих растворов-расплавов: смачивают подложку Si раствором-расплавом Sn + As; вдвигают подложку с раствором-расплавом Sn + As под раствор-расплав Ga + As; через 3 с выдвигают подложку из-под расплава; выключают печь и охлаждают реактор до комнатной температуры.

Выращенный таким образом слой твердого раствора (Si₂)_xGaAs_1-x имеет толщину приблизительно 8 мкм. Состав его изменяется в направлении, перпендикулярном поверхности подложки, от 1 мол. GaAs до 20 мол. GaAs, что подтверждается данными микрорентгеноспектрального анализа.

П р и м е р 2. Выращивают слой твердых растворов (Si₂)_xGaAs_1-x c изменением состава от 1 мол. GaAs до 60 мол. GaAs. При этом выбирают T_n 400^oC и Т_p 750^oC. Толщины растворов-расплавов составляют 100 мкм. Количество Ga, GaAs, Sn и As устанавливают 70, 1,3, 80 и 9,5 мг соответственно. Растворы-расплавы располагают на расстоянии 3,5 см. Далее процесс проводят по той же схеме, что и в примере 1, но выдержка растворов-расплавов после смешивания 2 с.

П р и м е р 3. Выращивают слой твердых растворов (Si₂)_xGaAs_1-x с изменением состава от 1 мол. до 90 мол. Устанавливают T_n 500^oC, T_p 850^oC, толщину растворов-расплавов 200 мкм, количество Ga, GaAs, Sn и As 140, 7,8, 160 и 20,2 мг соответственно. Растворы-расплавы располагают на расстоянии 3,5 мм. Далее процесс проводят по той же схеме, что и в примере 1, но выдержка растворов-расплавов после смешивания 4 с.

Полученные слои имеют толщину приблизительно 7 мкм, а состав, по данным микрорентгеноспектрального анализа, изменяют от 1 мол. до 90 мол. Величина пересыщения в растворе-расплаве по GaAs будет значительно превышать пересыщения по Si, если подложку Si, смоченную насыщенным при T_n раствором-расплавом As и Sn, привести в контакт с насыщенным при T_p раствором-расплавом As и Ga. В момент контакта на межфазной границе устанавливается некоторая средняя температура, величина которой зависит от различия между T_p и T_n объемов растворов-расплавов, физических свойств компонентов растворов-расплавов и подложек и т.д. Результатом этого является нагрев межфазной границы и охлаждение объема смешанного раствора-расплава. Во время нагрева происходит подтравливание подложки. Концентрация в растворе-расплаве в направлении, перпендикулярном подложке, уменьшается. Высокие скорости охлаждения раствора-расплава через небольшой промежуток времени приблизительно 0,1 0,2 с, несмотря на продолжающееся подтравливание подложки, создают пересыщения по Si вблизи межфазной границы.

В то же время величина пересыщения в растворе-расплаве по GaAs резко возрастает, так как к пересыщению, создаваемому за счет охлаждения системы, добавляется пересыщение, связанное с перемещением двух растворов-расплавов Sn + As и Ga + As. Пересыщение на межфазной границе, создаваемое по кремнию, в несколько раз меньше, чем по GaAs. Такое соотношение является необходимым для образования твердого раствора (Si₂)_xGaAs_1-x.

Немаловажное значение имеет и факт уменьшения концентрации Si в растворе-расплаве в направлении, перпендикулярном подложке. При сохранении равномерной концентрации остальных компонентов в растворе-расплаве это приводит к тому, что сначала кристаллизуются слои твердых растворов (Si₂)_xGaAs_1-x, обедненные по GaAs, а затем концентрация GaAs в слое твердого раствора плавно нарастает. Подобное изменение состава твердого раствора как раз и необходимо для получения переходных слоев при выращивании GaAs на подложках Si. Изменение состава твердого раствора в данном случае зависит не только от времени контакта относительно "холодной" подложки Si, смоченной насыщенным раствором-расплавом As в Sn, с раствором-расплавом As в Ga,но и от концентрации As в Sn, т.е. от T_n. Увеличение концентрации As в Sn приводит к большим пересыщениям в растворе-расплаве по GaAs и, следовательно, к более резким изменениям состава твердого раствора в сторону увеличения концентрации GaAs.

Из всех металлов-растворителей, используемых для эпитаксиального выращивания Si и GaAs, наиболее удобными для получения твердых растворов (Si₂)_xGaAs_1-x, являются Ga и Sn. Свинец и висмут, хотя и обладают близкими к Sn способностями растворять Si и As, не могут быть использованы для поставленной цели в связи с тем, что вплоть до температуры приблизительно 1000^oC практически не смешиваются с раствором-расплавом Ga + As. Другие металлы, такие, например, как Al или In, хорошо перемешиваются с галлием в широком температурном интервале, но имеют существенный недостаток - образуют соединения AlAs и InAs. В процессе кристаллизации происходит образование твердых растворов Al_xGa_1-xAs и Ga_xIn_1-xAs, которое делает практически невозможным получение твердых растворов (Si₂)_xGaAs_1-x.

На толщину и качество поверхности слоя большое влияние оказывают процессы массопереноса в растворе-расплаве. Для снижения из влияния перемешивание насыщенных растворов-расплавов Sn + As и Ga + As необходимо осуществлять на возможно меньшем расстоянии от поверхности подложки. Обычно зазор, в котором находится раствор-расплав, создают путем изготовления над подложкой на заданной высоте ограничивающей графитовой пластины. Минимальная толщина раствора-расплава, которая при этом может быть создана, составляет величину приблизительно 100 мкм. Меньшую толщину создать сложно, поскольку возникают значительные трудности с затеканием раствора-расплава в узкие щели. В то же время теоретические оценки, подтвержденные затем экспериментально, показывают, что толщина раствора-расплава, над подложкой более чем 300 мкм приводит уже к значительным потерям кристаллизуемого материала в объеме раствора-расплава. Из-за этого не только начинает резко снижаться величина пересыщения на границе кристаллизации, но и ухудшается качество поверхности слоев.

Из рассмотрения фазовых диаграмм состояния полупроводниковых соединений A³B⁵ и растворимости элементарных полупроводников IV группы в металлах следует, что наибольшей величины пересыщения в растворе-расплаве можно достичь, используя перемешивание двух насыщенных растворов-расплавов равных объемов. Поэтому в изобретении толщину насыщенного раствора расплава Sn + As над подложкой Si устанавливают равной толщине раствора-расплава Ga + As, а его площадь контакта с подложкой Si равной площади контакта раствора-расплава Ga + As с подвижным слайдером.

Изобретение позволяет получить новый полупроводниковый материал твердые растворы (Si₂)_xGaAs_1-x. Эти твердые растворы представляют интерес как с научной точки зрения для изучения свойств нового материала, так и с практической для использования в качестве переходных слоев при выращивании GaAs на подложках Si.

Изобретение относится к технологии полупроводниковых материалов и может быть использовано при получении приборных структур для микро- и оптоэлектроники с применением жидкостной эпитаксии. Целью изобретения является получение непрерывного ряда твердых растворов (Si₂)_xGaAs_1-x на кремниевой подложке. Приготовляют насыщенный раствор - расплав мышьяка в олове и наносят его тонким слоем на поверхность кремниевой подложки при первой температуре. Затем поверх первого расплава наносят слоем такой же толщины насыщенный раствор - расплав мышьяка в галлии с более высокой температурой. Подложка сначала подрастворяется в оловянном расплаве с последующим переходом к кристаллизации обогащенного кремнием эпитаксиального слоя. Условия реализации таковы, что создается чрезвычайно большое пересыщение по мышьяку, поэтому содержание арсенида галлия в кристаллизующемся слое твердого раствора быстро нарастает и на поверхности приближается к чистому арсениду галлия.

Способ эпитаксиального наращивания полупроводниковых твердых растворов путем приведения в контакт подложки с температурой T_n и раствора-расплава с температурой T_p при соотношении температур 100^oC ≅T_p T_n ≅800^oC, отличающийся тем, что, с целью получения непрерывного ряда твердых растворов (Si₂)_x GaAs_4-x на кремниевой подложке, предварительно наносят на поверхность подложки насыщенный при температуре T_n раствор-расплав мышьяка в олове слоем толщиной 100-300 мкм, после чего приводят его в контакт с насыщенным при температуре T_p раствором-расплавом мышьяка в галлии той же толщины.