Способ гетероэпитаксиального наращивания слоев твердого раствора на основе арсенида индия-алюминия

Способ гетероэпитаксиального наращивания слоев твердого раствора на основе арсенида индия-алюминия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение служит для изготовления оптоэлектронных приборов на основе эпитаксиальных структур4соединений типа АзВ5, полученных жидкофазной эпитаксией. Сущность: при изготовлении эпитаксиальных слоев арсенида-антимонида индияалюминия а люминий вводят в состав ростового раствора-расплава в виде гомогенного сплава с сурьмой. Источником мышьяка служит арсенид индия. Приготовленный раствор - расплав содержит все компоненты четверного соединения, в количестве , соответствующем точк е ликвидуса. Наращивание осуществляют из пересыщенного раствора-расплава на арсенидо-индиевой подложке. Разработанная методика приготовления раствора-расплава обеспечивает высокую однородность слоев по составу и воспроизводимость их характеристик . 1 табл.

СО)ОЗ СОВЕТСКИХ

СОПИАЛ ИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,, Ы2„„1785048 А1 (5))5 Н 01 (21/208

ГОСУДАРСТВЕН)ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР

)ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

НИЯ РЯ,СФС

97ЕНТН9 тВ(ни

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 2

1. (21) 4849742/25 таксиальных структур соединений типа (22) 19.07.90 . - .. АзВ5, полученных жидкофазной эпитаксией. (46) 30.12.92. Бюл..М 48 " Сущность: при изготовлении эпитаксиаль(71) Физико-технический институт им. ных слоев арсенида-антимонида индия А.Ф.Иоффе . - . алюминия алюминий вводят в состав (72) А.M.Ëèòâàê, К.Д.Моисеев, Н,А.Чарыков ростового рвствора-расйлава в виде гомои Ю.П.Яковлев генного сплава с.сурьмой. Источником (56) V,Dewinter, М.Pollack, А.Srivastava, мышьяка служит арсенид индия. ПриготовV.ZyskInd, — Ч.Electron. Mater., 1985, vol. 14, ленный раствор — расплав содержит все. N- 6, р. 729. - ., компоненты четверного соединения, в колиК.Nakajima, К.Akita. — V.Electrochem. честве, соогветствувщем точке ликвидуса.

Soc., 1983, vol..130, N. 9. р. 1927,, Наращивание осуществляютиэ пересыщен(54) СПОСОБ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНОГО. ного раствора-расплава на арсенидо-индиНАРАЩИВАНИЯ СЛОЕВ ТВЕРДОГО PAC- - евой подложке. Разработанная методика

ТВОРА НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ИНДИЯ- приготовления раствора-расплава обесАЛЮМИНИЯ:, . печивает высокую однородность слоев. (57) Изобретение служит для изготовления по составу и воспроизводимость их харакоптоэлектронных приборов на основе эпи- теристик. 1 табл.

Изобретение относится к области полупроводниковой технологии и может быть использовано для изготовления структур на основе твердых растворов соединений

)и)-xAIxAs)-ySby.

В последние годы появилась необходимость в таких структурах, т.к. они важны для, созданий датчиков для волоконно-оптических линий связи, имеющих минимум дисперсионных потерь для длины волйы 2.55 "= 0,05. мкм при комнатной температуре, .Известен способ гетероэпитаксиального выращивания слоев полупроводников

А В, например In-Ga-As-Sb, за счет контак3 5 . та переохлажденного расплава с подложкой.

Достоинство этого способа заключается в том, что он позволяет получать воспроизводимые, хорошо согласованные с подложкой слои почти во всех системах твердых растворов на основе А В5, Недостатком его является то, что он не позволяет получать такие слои для систем твердых растворов, содержащих одновременно In u Al.

Это связано с тем, что происходит расслаивание в жидкой фазе, в результате чего расплав обедняется по компоненту Al, и в контакт с подложкой вступает ненасыщен ный расплав тройной системы In As-Sb. Iloэтому таким способом получить слои твердого раствора In-Al-As-Sb не удается.

Еще одним недостатком этого способа определяется невозможность добавления Al в. приготовленную шихту в чистом аиде иэ- эа термической устойчивости поверхностной пленки А)гОз.

Наиболее близкйм техническим решением является способ гетероэпитаксиаль1785048 ного выфащййания "слбев" полупроводников, например InpygAlp4sAs на подложке InP, принятый за прототип. В этом способе предварительно приготавливается сплав

In + Al, а затем его часть сплавляют с In u

АпАз в соотношениях. определенных расчетом, и, охлаждая с постоянной скоростью, приводят в контакт с подложкой lnP.

Этот способ позволяет избавиться от йедостатков присущих аналогу и получить воСпроизводимость гетероэпЙтэксиальных слоев. Недостатками этого способа являются", во-первых, неоднородйость расйлава

Ь + Al (при содержаниях А! > 1 моль j(,) даже при длительном сплавлении (t > 5 ч), во-вторых невозможность получить эвтектический сплав системы In-А! (в углу AI) из-за большого коэффициента сегрегацйи rioследнего, и в-третьих; количество А! в жидкой фазе,- а используемых в прототипе 20 расплавах (Al > 0,2 моль.o/) очень мало, т.к. " - лймйтйруется спинодальным,:. распадом в бинарной сйстеме In-Al (фиг,1), что не позво ляет получать структуры с большим содержанием Al в твердой фазе и, следовательно, 25 решить задачу по созданию полупроводниковых приборов, работающих в диапазоне длин волн 2,5-2,6 мкм при комнатйой температура. - ",; -.;,- ...

Задачей изобретения является получение гетероэпитэксиальныхслоевтвердого расплава Int,À4Asi фЬ„состава 0 < Х 0,12;, 0 < Y « 0,13.

Это достигается тем,что, в известном 35 способе гетероэпитаксиального, наращива— ния слоев твердого раствора на основе арсенида индия-алюминия, - включающем

-предварительное сплавление AI с одним иэ компонентов твердого раствора, образую- 40 щим с ним гомогенный pacriiiae., гомогени. зирующйй отжиг полученйого расплава при, температуре выше температуры его ликвидуса, добавление к отожженному расплаву остальных компонентов твердого раствора 45 согласно расчету состава раствора-распла.. ва"для наращивания, исхОдя йз заранее вы- . . бранной температуры его ликвйдуса; отжйг полученного раствора-расплава, создайие. . пересыщения и приведение пересыщенно- -0 го растворй- расплава в контакт с подложкой и пбследующее получение гетероэпитаксиальных слоев, предварительйо сплавляют AI с Sb в соотношении А1 (3,0-3.5 моль,ф,). Sb (97,0-96,5 моль.g), гомогениэирующий от- 55 жйг этого расплава проводят при температуре 900 С Т 9 1000ОС в течение не менее

4 ч, охлаждают со скоростью не более 4 град/мин, добавляют в расплав Sb согласно расчету, насыщают его мышьяком из lnAs, а в качестве подложки используют lnAs, Докажем существенность признаков.

Известно, что Al u In в жидкой фазе расслаиваются, образуя двухфазную систему, и ввести AI в расплав в чистом виде не удается. А! можно ввести в систему только из смеси с одним из компонентов твердого раствора. Впервые авторами было предложено вводить Al в жидкую фазу в виде сплава с Sb (фиг.2), Такой сплав, богатый Sb, легко смешивается g In в любых соотношениях, образуя гомогенный расплав, Кроме того, наличие в шихте Al u Sb в соотношении Al (3,0-3,5 моль.%), Sb (97,096,5 Monb%} позволяет получать воспроизводимый, однородный по составу сплав.

Однородность сплава определяется тем, что приведенный состав отвечает эвтектике между Sb u AISb йв диаграмме плавкости бийарной системы AI-Sb, Использование эвтектики позволяет перейти от гомогенного расплава к безградиентной твердой фазе и, таким образом, получить, далее, беэградиентный четырехкомпонентный расплав ойределенного состава. Отсутствие Однородности именно в твердой фазе не позволяло ранее получать гетероэпитэксиальные слои твердого раствора In-AI-As-Sb, Только используя эвтектический сплав А1 + Sb, авторам впервые в мире удалось получить их, Нагреф и интервале 900 С < Т «» 10OOOC позволяет получить полнестью гомогенный расплав. При Т < 900 С затруднено равноМерное перемешивание компонентов в жидкой фазе йз-за диффузионных ограничений, Повышение температуры увеличивает скорость перемешивэния, но при Т > 1000 С резко возрастает давление пара Sb над расплавом, что ведет к удалению состава от эвтектического, Именно выбрайный диапазон температур является оптймальным.

Гомогенизация проводится в течение не менее 4 ч, пОскольку, как установлено из эксперимента, это минимальное время, за которое и ройсходит - йолйое перемешивание компонейтов бйнарного расплава в выбранном"дйайазоне температур.

Скорость охлаждения:расплава не более 4 град/мин позволяет избежать стеклообраэования в расплаве.

Насыщение мышьяком из InAs (напри-. мер, йз промежуточной подложки) необходимо для образования гомогенного четырехкомпонентного расплава In-Al-AsSb, поскольку только такой способ формирования расплава обеспечивает его однородность, препятствует образованию поверхностной пленки (крайне малорастворимого соединения — AIAs).

5 . 17 .Синтез слоев твердого раствора Inly

AI,As> „. Ь„возможен на разных подложках, например !пР, GaSb; GaAs и др., но только применение в качестве подложки lnAs, как установлено авторами (фиг.3), дает возможность впервые. nîëó÷éòü слои состава: 0 < X «0,12, О < Y «0,13.

Таким образом, каждый призйак необходим, а все вместе они достаточны для достижения цели изобретения.

На фиг, 1 — диаграмма плавкости системы In-AI, где: 1 — эвтектика для Al-угла (In—

4,7 aT. ), 2 — точка перегиба кривой ликвидуса для 1й-угла ((и — 89,0 ат.%) 3 —. область . расслаивания в жидкой фазе; на фиг. 2— диаграмма плавкости системы Sb-А1, где 4эвтектика для Al-угла (Sb — 0,25 ат. ), 5— эвтектика для Sb-угла (Sb — 98,0 ат. ); на фиг. 3 — зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердого раствора Inl

А4Аз „$Ь„для подложек: 6 — inP, 7- lnAs, 8 — СэЗЬ. Цифрой 9 отмечен состав, отвечающий длине волны 2,55 мкм для комнатной температуры.

Авторами впервые было применено сплавление Al c Sb для решения эадачй гетероэпйтаксиального роста слоев. Впервые была использована шихта для сплава, содержащая At u Sg в Соотношении в Al (3„5 моль.%), Ab (96,5 моль.%) для получения гомогенного эвтектического расплава. Испольэовайие эвтектики позволяет автоматически получать однородный сплав строго задаййого состава.

Hcsi заявленная совокупность признаков в результате взаимодействия привела к возможности гетероэпитаксиального выЬащивайия слбев твердого раетвора lpl <

AIxAst ySby состава: 0 < Х (0,12, 0 < Y «ОЛЗ, т.е, к цели изобретения.

Пример. Для приготовления эвтектического расплава.AI+ Sb была набрана шихта 66,145 мг AI и 8212,000 мг ЗЬ.

Гомогениэация проводилась при 998 С в течение 4 ч. Шихта загружалась в графитовую кассету, которая помещалась в кварцевый реактор. Гомогенизация происходилэ в . атмосфере водорода, предварительно очищенного пропусканием через Pd-фильтр."

Температура измерялась с помощью термо.пары ППр и вольтметра типа Щ 300. Часть полученного сплава вместе с In, Sb, ЬАэ, согласно расчету (рэсчет производился согласно известной методике, загружалась в кассету для эпитэксиального роста. Жидкофазная эпитаксия проводилась в атмосфере водорода, в кварцевом реакторе на йодложке lnAs. Образец N 220-1. Состав расйлава:

85048

X(AI) = 0,000239, Х(Аз) - 0,0366, X(S b) - 0,444 (где X(i) — мольная доля первого компонента). Зпитаксия проводилась, при Т - 652 С, интервал роста 5 град, скорость охлаждения

5 0,6 град/мин, площауь положки InAs ориентации (100) — 0,81 см . В результате получен

-эпитаксиальный слой толщиной 0,8 мкм, состава: Х = 0,061, У = 0,063. Рассогласование

- периодов решеток Мзитаксиального слоя и

10 подложки соСтавйло 0,0009 отн.ед.

Концентрации элементов в эпитакси: альных слоях определялись с помощью количественного рентгейосйектрального .. микроанализа на микроаналиэаторе JXA—

15 5, "CAMEBAX" фирмы Cameca (Франция).

Рассогласование периодов решеток эпитаксиального слоя и подлбжки измерялись при комнатной темйературе методом рентгеновской дифрактометрии.

20 Таким образом, предлагаемый способ, в отличие от прототипа, в котором такие слои твердого раствора lnl „А1,Аз1 УЯЬ„состава .. 0 < Х Ы 0,12, 0 < У «0,13 не могли быть йолучены, вследствие недостаточного коли25 чества Al в жидкой фазе, позволяет получать слои указанного состава.

Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я

Способ гетероэпйтаксиального наращивания слоев твердого раствора на основе

30 арсенида индия-алюминия, включающий предварительное сплавление алюминия с одним из компонентов твердого раствора, образующим с ним гомогенный расплав, гомогенизирующий отжиг полученного рас35 плава при температуре выше температуры . его ликвидуса, добавление к отожженному расплаву остальных компонентов твердого раствора согласно расчету состава раствора-расплава для:наращивания; исходя из эа40 ранее выбранной температуры его

"ликвидуса, отжйг полученного растворарэсплава, создание пересыщения и приведение пересыщенного раствора-расплава в контакт с йодложкой, отл ич а ю щи йс я

45 тем, что, с целью воспроизводимого наращивания однородйых по составу слоев In)A„Аз1 „ЯЬу, где 0,00 < х «0,12 и 0,00 < у «0,13, предварйтельно сплавляют алюминий с сурьмой в соотношении 3,0-3.5 мол.% Al

50 97,0-96,5 мол.% Sb. гомогенизирующий отжиг этого расплава проводят при температуре 900-1000 С в течение не менее 4 ч, охлаждают со скоростью не более 4 С/мин, в качестве источника мышьяка при приго55 товлении раствора-расплава"для наращивания используют арсенид индия, и в качестве подложки используют эрсенид индия.

1785048 г

Примеры 2-6

1 !

ФР In;-:,-: : .Sb

1785048;

Составитель К.Моисеев

ТехредМ.Моргентал Корректор А.Мотыль

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3282, Тираж Подпйсное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва:, Ж-35, Раушская наб., 4/5