Газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений

«Металлоорганика» – широкий класс веществ, содержащих металл-углеродные (органометаллические соединения) или металл-кислород-углеродные связи (алкоксиды) и координационные соединения металлов с органическими молекулами. При комнатной температуре они в большинстве являются жидкостями, хотя некоторые из них даже при высокой температуре остаются твердыми. Эти вещества обычно имеют высокое давление паров и легко могут быть доставлены в зону реакции путем пропускания газа-носителя, например водорода или гелия, через жидкость или над твердым телом, которые играют роль источника.

Кристаллизация в процессе эпитаксии металлоорганических соединений (МОС) осуществляется при пропускании однородной газовой смеси реагентов с газами-носителями над нагретой подложкой в реакторе с холодными стенками. Используемые для роста полупроводниковых пленок гидриды при комнатной температуре являются газами и обычно применяются в качестве небольших добавок к Н₂. Эти металлоорганические и гидридные компоненты смешиваются в газовой фазе и пиролизуются в потоке Н₂. В результате реакции пиролиза, когда газообразные соединения разлагаются на компоненты на горячей поверхности с образованием твердого осадка, образуется стабильное твердое полупроводниковое соединение. Температура пиролиза составляет 600—800°С. Нагрев подложки и растущей пленки обычно создается мощным радиочастотным генератором с частотой порядка 450 кГц.

Пиролиз происходит в открытом реакторе при атмосферном или пониженном (~70 мм рт. ст.) давлении. Снижение давления газовой смеси при выращивании соединений позволяет эффективно управлять как градиентом изменения состава примесей, так и градиентом изменения состава основных компонент. Пониженное давление газовой смеси также ограничивает протекание паразитных реакций в газовой смеси. При пониженном давлении процесс выращивания ведется при значительно больших скоростях газового потока. Увеличение скорости газового потока в принципе позволяет получить более однородные слои. При пониженном давлении имеется возможность увеличивать скорость движения газов без увеличения потока массы холодного газа. Увеличение скорости потока в условиях атмосферного давления привело бы к охлаждению подложки.

Существуют реакторы, в которых поток газовой смеси направлен перпендикулярно поверхности подложки (чаще это реакторы вертикального типа), и реакторы, в которых поток газовой смеси движется вдоль поверхности либо под небольшим углом к ней (обычно это реакторы горизонтального типа). Пример реактора вертикального типа для получения материалов A^IIIB^V приведен на Рис. 2.2

Рис. 2.2 Схематическое изображение вертикального реактора газофазной эпитаксии МОС, используемого для роста легированных эпитаксиальных слоев Al_xGal_1-x As. 1 — кварцевый реактор; 2 — высокочастотный нагрев; 3 — подложка; 4 — держатель; 5 — термостабилизированные ячейки; 6—датчики потока; 7 — пневматические клапаны.

Многослойные, многокомпонентные эпитаксиальные структуры могут быть последовательно выращены в едином ростовом цикле. К реактору можно подключить несколько металлоорганических и гидридных источников. Химия технологического процесса определяет скорость роста, качество и чистоту кристалла, его электрические и оптические свойства, возможность управления составом. Для многих полупроводников типа A^IIIB^V результирующая реакция записывается в виде

A^III(CH₃)₃+B^VH₃ A^IIIB^V+3CH₄

В частности, такого типа реакция используется для получения GaAs и AlAs. С помощью аналогичных реакций можно вырастить тонкие пленки других бинарных, тройных и четверных соединений. Например, для роста Al_xGa_1-xAs обычно используется следующий процесс:

(1-x)[Ga(CH₃)₃]+x[Al(CH₃)₃]+AsH₃ Al_xGa_1-xAs+3CH₄

В этом случае состав эпитаксиальной пленки непосредственно определяется отношением парциальных давлений триметилгаллия и триметилалюминия в газовой фазе. Легирование растущего эпитаксиального слоя осуществляется путем введения в газовый поток соответствующего реагента. Для легирования соединений A^IIIB^V примесями р-типа обычно используют органометаллические реагенты: диэтилцинк и бисциклопентадиенилмагний, а для легирования примесями n-типа используют гидриды H₂Se и SiH₄. Органометаллические реагенты легко разлагаются при температуре роста, поэтому поступление примесей в растущий слой ограничивается диффузией через пограничный слой и поверхностной кинетикой. Увеличение скорости газового потока ускоряет рост эпитаксиального слоя. Увеличение парциального давления реагентов в газовом потоке также во всех случаях увеличивает скорость роста.

Рост многослойных структур осуществляется путем изменения газовой атмосферы в реакторе. Скорость, с которой осуществляется такое изменение, зависит от величины потока и геометрии реактора. При больших скоростях в потоке можно производить замену газа достаточно быстро и получать при этом резкие гетеропереходы. Время, необходимое для замены, определяется величиной потока. Поэтому резкость границ оказывается связанной со скоростью роста и, например при росте соединений A^IIIB^V, зависит от концентрации в газовом потоке через реактор реагента, содержащего элемент третьей группы. Экспериментальные данные по сверхрешетке GaAs-Al_xGa_1-xAs позволяют сделать вывод, что при использовании автоматизированных систем роста удается создавать сверхрешетки с толщиной слоев до 1.5 нм (в отдельных случаях до 0.7 нм), с высоким структурным совершенством. Изменение состава происходит практически на толщине одного монослоя. Для быстрого изменения состава газовой фазы у поверхности роста требуется оптимизация конструкции реактора для устранения размытия концентрационного фронта в газовом потоке из-за различных диффузионных процессов.

МЛЭ и газофазная эпитаксия из МОС являются хорошими методами выращивания сверхрешеток в системе GaAs-Al_xGa_1-xAs. Технологический процесс газофазной эпитаксии из МОС может быть воспроизведен в большом объеме, и в результате можно получить эпитаксиальные структуры большой площади. При этом могут быть достигнуты высокие скорости роста, удовлетворяющие требованиям промышленности при массовом производстве приборов. МЛЭ, скорее всего, будет доминировать в фундаментальных исследованиях квантово-размерных структур, а газофазная эпитаксия из МОС — в массовом производстве и исследовании приборов.

Дата добавления: 2014-01-11