Способ изготовления эпитаксиальных пленочных структур Советский патент 1982 года по МПК H01L21/205 

пой 60 А и арсенида галлия- алюминия

о

ТОЛ11ЦИНОЙ 10 А 1.

Периоды кристаллических решеток эпитаксиальиых слоев различаются не более чем на 0,3-0,5%.

Надостаток способа заключается в том, что СИ реализуем только на материалах с «идеально близкими кристаллическими структурами.

Этим способом в приципе невозможно из/готовление «сверхрешеток из одного материала на р-п переходах из-за флюктуации носителей тока в сверхтонких пленках, приводяш,их к размыванию потенциального барьера. Сложность подбора компонент гетероструктуры ограничивает возможность изготовления приборов с различными вольтамперными характеристиками. В изготовленных этим способом многослойных структурах, состоящих из разнородных материалов, возможны разрушаюш;ие прибор термические напряжения з кристаллических структурах с разными коэффициентами теплового р;асширения, так как температура эпитаксии и рабочая температура прибора существеиио отличаются. Многослойность же структуры необходима для согласования прибора с элементами радиочастотного тракта (единственным путем повышения сопротивления прибора при р азумных размерах контактных плош,адок является увеличение пар слоев гетероструктуры, т. е. ее толщины).

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления эпитаксиальных пленочных структур путем нанесения на монокристаллическую подложку неориентированной пленки, на которую затем наносят вторую иленку, эпитаксиальную подложке 2.

Этот способ, выбранный в качестве прототипа, заключается в осаждении на кремниевую пластинку заданной ориентации тонкого промежуточното слоя из диэлектрического материала и последующем эпитакси1альном выращивании на нем монокристаллической кремниевой пленки.

Промежуточный слой выполняют из двуокиси кремния и толщину этого слоя выбирают в пределах от 10 до 50 им. В случае, если промежуточный слой выполняют из иитрида кремния, толщина его составляет 10-500 нм.

Недостатками способа является то, что он неприемлем для изготовления многослойных структур -типа сверхрешеток и может быть реализов1ан лишь для небольшого класса материалов.

Основной недостаток известного способа связан с тем, что при реализации способа в качестве ориентирующих центров используются естественные дефекты ориентирующей монокристаллической подложки, а сплошные пленки о:бр|азуются на толщинах, сравнимых с междефектным расстоянием. Поскольку количество естественных дефектов в кристаллах, используемых в качестве ориентирующих подложек, не превышает 10 см--, то и получаемые этим способом пленки имеют толо

А, что неприемлемо для создания структур тяпа «сверхрешетки. Этот способ в принципе не допускает использования методов напыления пленок со СЕоростя 11и конденсации, достаточно

о

большими ( А/с) для Цолучения сплошных ориентированных сверхтонких 5 пленок.

Целью изо|бретеиил является получение многослойных структур и расширение класса используемых материалов.

Поставленная целг, достигается тем.

0 что в способе изготовления эпитаксиальных пленочных структур путем нанесения на г.юнокристаллическую подложку неориентированной пленки, на которую затем наносят вторую пленку, эпитаксиальную

.; иодло;кке, перед нанесением эпптаксиалькой пленки подложку с нанесенной на кее ориентированной пленкой облучают высокоэнергетическими частицами, преимущественно быстрыми ионами лазерной

0 плазки с энергией (1-5) 10 эВ.

Изобретение может быть реализовано на установке лазерного напыления или на других установках, например на установке с дискретным напылением или

5 с лолекулярными пучками, которые, однако, должны быть снабжены источниками высокоэнергетичных (10 эВ) частиц. В общем случае выбор той или иной установки определяется требованиями, предъявляемыми к толщине пленок и их электрофизическим свойствам.

Установка содержит два лазера, один из которых работает в режиме свободной генерации, а другой в режиме модулированной добротности с интенсивностью излучения на поверхности испаряемого материала не менеее 10 Вт/см. Второй лазер используется в качестве источника высокоэнергетичных частиц. Монокристаллическая подложка, на которую наносят компоненты гетероструктуры, и вращающийся столик, на котором размещены образцы напыляемых материалов, установлены в вакуумной камере. Режим работы установки

5 задается блоком управления.

Подложка представляет собой монокристалл или любую многослойную структуру, поверхность которой соответствует сечению монокристалла. Подложка и образцы напыляемых материалов могут бнть металлами, полупроводниками или диэлектриками. Один из образцов представляет собой любой из известных материалов, образз ющих аморфные или мелкодисперси5 онные поликристаллические, т. е. неориентированные, пленки. Постоянные решеток остальных материалов близки друг к другу. Сущность способа заключается в следующем. В зависимости от требуемой толщины неориентированной пленки первым или вторым лазером на ориентирующую подложку напыляют пленку из аморфного или мелкодисперсного полнкристаллического материала. Затем излучением второго лазера с интенсивностью Ю Вт/см из материала, постоянная решетки которого близка постоянной решетки подложки, создают плазменный факел, в котором присутствуют быстрые ионы с энергией (1-5) - 10 эВ. Эти ионы пронизывают неориектированную прослойку, образуя в подложке точечные дефекты типа вакансий, однозначно связанные с узлами кристаллической решетки и живущие в нриповерхиостном слое - Ш с. Кулоновские поля дефектов оказывают ориентирующее действие на рост пленки из 1 онденсата, поступающего на поверхность подлол ки вслед за потоком быстрых ионоз. Скорость поступления конденсата должна быть такой, чтобы за время существования дефектов обеспечить образование пленки толщиной монослоя. т. е. 105 А/с. В установке, использующей в качестве источника высокоэкер-гетичных частиц второй лазер с модулированной добротностью, конденсат поступает из медленной части плазменного ф акела, формируя таким образом в течение одного лазерного импульса на неориентированной пленке ориентированную монокристаллическую пленку толщиной (5-10) А. Необходимое для ориентированного роста эпитаксиальной пленки количество дефектов в подложке задают плотностью потока высокоэнергетичных частиц. Плотность потока высокоэнергетичных частиц можно регулировать, изменяя интенсивность лазерного излучения на поверхности образца. При необходимости толщину эпитаксиальной пленки увеличивают, напыляя на нее с помощью первого и второго лазера пленку из того же материала. При изготовлении многослойной структуры на нее снова наносят неориентированную пленку и т. д. Толщину пленок варьируют использованием на различных этапах изготовления гетероэпитаксиальных структур либо первым, либо вторым лазером. Однако после нанесения неориентированной пленки обязательно должно быть облучение ее потоком высокоэнергетичных частиц, источником которых в описанной установке является второй лазер, работающий в режиме модулированной добротности. Способ .позволяет изготовить многослойные структуры из ;монокристаллических металлических или лол т1розоднИКОвых ил.ч диэлектрических слоев с прослойками из аморфного или :мелкодисперсионного поликристаллического материала, а также лЮбую комбинацию .металлических, диэлектрических iH Л0v зпpoзoднiик0выx слоев при использовании веществ с одинаковым шагом (одинакозыми постоянными) кристаллических решеток. р}спользова,ние лазера с модулированной добротностью позволяет получить млогослойные структуры, состоящие из монокристаллических слоев порядка молослоя. Предлагаемым способом возможно изготовлять многослойные твердотельные приборы, в которых разделенные .неориентированными пленка ми барьерные .и проводящие слои выполнены из одного и того же материала. Возможность изготовления барьерных и проводящих слоев из одного и того же материала обусловлена зависимостью ширины запрещенной зоны Ец от юлщины L сверхтонких пленок: , -, 2OT-L где д - ширина запрещенной зоны массивного материала; т - эффективная масса .носителей тока; /i - .постоянная Планка. Многослойные периодические структуры, в которых барьерные и п,роводящие слои выполнены из одного материала, являются структураМ.И нового типа. Экспериментальные исследования этих структур выявили в оптических свойствах и вольтамперных характеристиках особенности, характерные для структур типа «сверхрешеток (традиционно под «сверхрешеткой понимают кристаллическую сгруктуру, состоящую из гетероэиитаксиальных слоев двух полупроводников с различными электрофизическими свойствами). Изготовлены и исследо.вамы структ)фы, проводящие слои которых выполнены из матер.иала группы (нал,ри:мер In, Sb) или из материала группы AiyBvi (РЬТе) толщиной 50-100 А, а барьерные слои - из того же материала толщиной 15А. В (Качестве материала для .неариентированных пленок в .различных структурах использовалксь углерод, теллур, селен и германий; толщина неориентированных пленок составляла 5-10А. Изготовлены и исследованы также структуры, представляющие собой систему эквидистантных монок;ристаллических слоев .из материалов групст AIV или AivBv и.-|И яз висмута, разделенные барьер.нЫМи слоЯМи из Неориентирова,нных пленок толщиной 5-15 А. Та;ким образом, предлагаемый способ позволяет изготовить зпитаксиальные йленочные icnpyiKTypH, в том числе н мноох)слой.ные периодические структуры на основе сверхтонких монокристаллических плеио:к, используя Кб ТОЛЬКО рязнородные материалы с одина|КОвы;ми «ристаллическимя ;р|е1шеткамя, но и практически любой одвн .материал как в качестве барьерного, так и проводящего слоев. Это яе только уирощает технологию изготовления приборов, ,но и позволяет создавать ириборы нового типа.

г

Формула изобретения

Способ изготовления эпитаксиальных пленочных структур яутем нанесения на моно; рвсталл:ичеокую подложку неориентироваЕН ОЙ лленки, на «ото1рую затем наносят вторую пленку, этштаксиальную подложке, отличающийся тем, что, с целью получения многослойных структур и: расши. класса используемых 1материалов, перед нанесением эийтаксиальной плении .подложку с нанесенной на нее неориентированной пленкой облучают высокознергетическими частицами, преимущественно быстрыми ионами лазерной плазмы с знерпией () -Ю эВ.

Источники йнформащии, принятые во вннмание при ЭКапертизе:

1.Chang L. L., Esaki L., Howard W. E. «The Growth of a GaAs -GaAlAsSuperlattce. Vac. See. Technol, 1973, 10, 11, p.,p. 11-16.

2.Патент ФРГ № 2535813, кл. Н 01 L. 21/20, ояублнк. 1976 (ирототип).