Способ эпитаксиального наращивания слоев ga as на подложках si и устройство для его осуществления

Способ эпитаксиального наращивания слоев ga as на подложках si и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение может быть использовано при получении приборных гетероструктур для микро- и оптоэлектроники. Сущность: для проведения эпитаксиального наращивания слоев арсенида галлия на кремниевых подножках приготовляют ненасыщенный раствор-расплав арсенида галлия в олове. Полученный раствор-расплав приводят в контакт с подложкой, исходная температура которой по крайней мере не ниже температуры раствора-расплава. Затем осуществляют охлаждение композиции подложка - жидкая фаза со стороны подложки с скоростью 10² - 10³⁰ С/с в интервале температур из диапазона 200 - 500^oС. Экспериментальным путем найдены оптимальные соотношения величины недосыщения жидкой фазы с остальными параметрами процесса наращивания, обеспечивающие улучшение монокристалличности и планарности наращиваемых слоев. Для реализации способа разработана конструкция устройства, обеспечивающая охлаждение композиции подложка - жидкая фаза отводом тепла через подложку при ее перемещении вдоль холодной поверхности с линейно убывающей температурой. Корпус устройства из двух скрепленных параллельно пластин предусматривает возможность изменения зазора между ними. Узел для закрепления подложки из двух параллельных пластин с отверстиями для введения раствора-расплава установлен на пластинах корпуса с возможностью продольного перемещения и предусматривает изменение расстояния между пластинами этого узла в соответствии с шириной подложки. Устройство обеспечивает высокую воспроизводимость результатов, хотя несложно по конструкции, и удобно при эксплуатации. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может быть использовано при получении приборных структур для микро- и оптоэлектроники с применением жидкофазной эпитаксии. При создании приборных полупроводниковых структур на основе бинарных соединений типа А³В⁵ значительная часть стоимости структуры определяется стоимостью материала подложки. Обычно это арсенид галлия GaAs. Актуальной задачей является выбор материала, позволяющего заменить дорогостоящую подложку GaAs на более дешевую, и разработка технологии изготовления эпитаксиальных структур требуемого качества на подложках из такого материала. Из всех материалов, имеющих сходные с GaAs типы кристаллических решеток и обладающих относительной дешевизной, для этой цели более всего подходит кремний, технология изготовления подложечных пластин из которого достаточно давно и хорошо освоена промышленностью. Оценки показывают, что таким образом можно в несколько раз снизить стоимость изготавливаемых полупроводниковых приборов. В связи с этим необходима разработка простой и дешевой технологии, обеспечивающей выращивание слоев GaAs на подложках Si. Известен способ эпитаксиального наращивания слоев GaAs на подложках Si, включающий размещение кремниевой подложки и арсенидогаллиевой пластины-источника параллельно, с узким зазором между их поверхностями, заполнение узкого зазора расплавом галлия и последующую перекристаллизацию материала источника через слой жидкой фазы на подложку в процессе выдержки композиции в тепловом поле с градиентом температуры. Этот способ реализован с использованием одной из разновидностей жидкофазной эпитаксии метода движущегося растворителя. Кристаллизация осуществляется за счет диффузии через тонкий слой раствора-расплава Si+As+Ga материала-источника, и последующего его осаждения на подложку Si. Температуру подложки устанавливают на 50^оС ниже температуры источника. Полученные слои GaAs достигали толщины 20-50 мкм. Анализ приведенной в работе фотографии скола выращенной структуры показывает, что планарность поверхности выращенных слоев далека от совершенной. Так, например, при толщине слоя 50 мкм на поверхности структуры имеются выступы и впадины, достигающие величины 10 мкм. Скорости роста малы (слой толщины 50 мкм выращивают в течение 10 ч) и толщина наращиваемых слоев недостаточна для проведения выравнивания рельефа их поверхности полированием. Поэтому полученные структуры не могут быть далее использованы взамен подложек из GaAs. В настоящее время для реализации метода жидкофазной эпитаксии чаще всего применяют устройства "пенального" и "поршневого" типов. Устройство "пенального" типа состоит из графитового корпуса с одной или несколькими камерами для раствора-расплава и подвижного слайдера с узлом для закрепления подложки, который имеет возможность свободно перемещаться относительно корпуса. Принцип работы такого устройства основан на том, что для осуществления начала кристаллизации при заданной температуре узел с подложкой с помощью передвижения слайдера совмещают с камерой для раствора-расплава, после окончания эпитаксиального роста подложку таким же образом изолируют от раствора-расплава. Устройство "поршневого" типа отличается от описанного лишь тем, что раствор-расплав подают в ростовую камеру при помощи поршня путем прокачки его через узкую щель в боковой стенке камеры для раствора-расплава. Такая операция существенно улучшает смачивание подложки раствором-расплавом, так как во время прокачки через узкую щель происходит его "фильтрация" и очистка от окисной пленки. При использовании обоих типов этих устройств для эпитаксиального выращивания стараются создать такие температурные условия по длине кассеты, чтобы раствор-расплав и подложка находились при одинаковой температуре. Поскольку абсолютное постоянство температуры в рабочей зоне печи получить практически невозможно, то подложку и раствор-расплав стараются расположить в печи как можно ближе друг к другу. В результате этого геометрические размеры этих устройств относительно невелики, и они не позволяют реализовать, например, способ выращивания слоев GaAs на подложках Si большого размера. Наиболее близким техническим решением является способ эпитаксиального наращивания слоев GaAs на подложках Si, включающий приготовление ненасыщенного при Т_р раствора-расплава GaAs в Sn, приведение его в контакт с подложкой и охлаждение со скоростью 10² 10^3оС/с и устройство для его реализации, содержащее графитовый корпус с камерой для раствора-расплава и узел для закрепления подложки. Способ заключается в формировании раствора-расплава GaAs в Sn, его охлаждении и перемещении подложки относительно раствора-расплава с постоянной скоростью. При этом насыщенный раствор-расплав GaAs в Sn нагрет до Т_р, а подложка имеет температуру Т_n, причем Т_р > Т_n. Для улучшения планарности слоев в раствор-расплав вводят Ge в количестве 2,0 ат.Х_Ge^L10 ат. Скорость перемещения устанавливают в пределах известного из изобретения диапазона 0,1 1,0 м/с. Отличительной особенностью известного устройства от описанного устройства "пенального" типа является наличие значительно более длинного подвижного слайдера с узлом для закрепления подложки. Размер слайдера выбирают таким, чтобы обеспечить возможность получения заданной разницы температур между раствором-расплавом, расположенным в горячей зоне печи, и подложкой, обычно находящейся за ее пределами. Известное устройство обеспечивает возможность получения эпитаксиальных гетероструктур с высокой планарностью. Недостатки как способа, так и конструкции устройства заключаются в следующем. Известно, что кроме требований, предъявляемых к планарности, существует еще одна важная характеристика слоя его монокристалличность. Особое значение она приобретает при выращивании слоев, рассогласованных по параметру решетки с подложкой. Для оценки степени монокристалличности слоя используют метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии. В этом методе оценка качества слоя производится путем сравнения полуширины спектра кривой дифракционного отражения, снятой с эталонного кристалла GaAs, с полушириной кривой, полученной при измерении выращенного слоя. Исследования показали, что в зависимости от технологических режимов полуширина кривых дифракционного отражения слоев GaAs на подложках Si составляет величину 500-900, в то время как полуширина кривых для объемного кристалла GaAs не превышает величину 20-30. Это свидетельствует о значительном ухудшении качества выращенных слоев по сравнению с эталонным кристаллом GaAs. Уширение спектра может происходить по двум основным причинам. Первая слой имеет блочную структуру с небольшой разориентацией блоков относительно подложки-матрицы, вторая слой сильно дислокационный. Поскольку в гетероструктурах GaAs/Si значительно различаются не только параметры решеток контактирующих пар, но и коэффициенты термического расширения, то скорее всего, увеличение полуширины спектров на кривых дифракционного отражения связано с одновременным действием обоих этих факторов. Другим существенным недостатком описываемого метода является то, что из-за присутствия в растворе-расплаве Ge, концентрация которого достигает величины 10 ат. в процессе эпитаксиального роста происходит сильное легирование слоя, в результате чего ухудшаются его электрофизические и люминесцентные свойства. При использовании данного способа возникают значительные трудности, связанные с получением структур GaAs/Si большой площади. Это происходит, во-первых, вследствие использования малого ( 0,1 с) времени контакта подложки с раствором-расплавом. В результате, протяженность камеры в направлении перемещения не может быть больше 1 см. Малый, по сравнению с размером подложки, размер камеры для раствора-расплава при перемещении ее по поверхности приводит к тому, что уже через 1-2 см после начала движения температура раствора-расплава падает настолько, что резко уменьшается скорость охлаждения тонкого слоя раствора-расплава на границе кристаллизации, падает пересыщение, и прекращается рост слоя. Во-вторых, при малых временах контакта, на подложках Si большой площади увеличивается вероятность плохого смачивания отдельных ее участков из-за наличия на поверхности окисла SiO₂. Целью изобретения является повышение качества слоев GaAs за счет улучшения их монокристалличности. Целью изобретения является также создание принудительного охлаждения отводом тепла через подложку при перемещении ее по холодной поверхности в горизонтальном температурном градиенте. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе эпитаксиального наращивания слоев GaAs на подложках Si, включающем приготовление ненасыщенного при Т_р раствора-расплава GaAs в Sn, приведение его в контакт с подложкой и охлаждение со скоростью 10²-10^{3 о}С/с, приготовляют раствор-расплав, в котором концентрацию GaAs устанавливают из соотношения: 0,05 Х_GaAs^1нХ_GaAs¹0,8Х_GaAs^1н приводят его в контакт с подложкой, имеющей температуру Т_пТ_р, осуществляют охлаждение со стороны подложки, а кристаллизацию производят в интервале температур: 200^оСТ 500^оС, где Т_р температура выдержки раствора-расплава, ^оС; Т_п температура подложки, ^оС; Х_GaAs¹ концентрация раствора-расплава GaAs в Sn, (мол.); Х_GaAs^1н концентрация насыщенного при Т_р раствора-расплава GaAs в Sn, мол. а в устройстве для реализации способа эпитаксиального наращивания слоев GaAs на подложках Si, содержащем графитовый корпус с камерой для раствора-расплава и узел для закрепления подложки, корпус кассеты выполнен в виде двух параллельных пластин, скрепленных между собой с возможностью изменения величины зазора между ними, упомянутый узел выполнен в виде двух параллельных графитовых пластин с отверстиями для введения раствора-расплава, расположенных на расстоянии, равном ширине подложки, и жестко скрепленных между собой, причем узел установлен на пластинах корпуса с обеспечением возможности его продольного перемещения. В устройстве графитовый корпус выполнен в виде двух параллельных пластин, закрепленных с зазором между ними; узел для закрепления подложки выполнен также в виде двух параллельных графитовых пластин с отверстиями для введения раствора-расплава; пластины расположены на расстоянии, равном ширине подложки, и жестко скреплены между собой; узел установлен на пластинах корпуса с обеспечением возможности перемещения подложки по поверхности нижней пластины корпуса, длина которой L отвечает соотношению: L где Т_р температура раствора-расплава, ^оС; Т_к температура окончания роста, ^оС; заданный градиент температуры нижней пластины графитового корпуса, ^оС/см. При реализации способа эпитаксиального выращивания по изобретению перемещают подложку Si в контакте с раствором-расплавом по нижней пластине графитового корпуса, температура которой уменьшается в направлении движения по линейному закону. На основе проведенных исследований и данных, приводимых в литературе, можно сделать вывод, что для повышения качества слоев GaAs на Si, выращенных в условиях сверхвысоких скоростей охлаждения ( 10^{2 о}С/с), используемых в способе, необходимо увеличивать температурный интервал роста, сохраняя при этом высокие скорости охлаждения раствора-расплава. В результате разработан способ, который основан на быстром перемещении подложки Si, смоченной раствором-расплавом Sn+Ga+As, по холодной поверхности, обладающей высокой теплопроводностью, температура которой уменьшается в направлении движения. Оценки показывают, что при высоких скоростях перемещения и резком изменении температуры пьедестала, по которому движется подложка, можно получить скорости охлаждения на границе кристаллизации, достигающие значений 10^{2 о}С/с. Интервал охлаждения в этом случае зависит от расстояния, на которое перемещается подложка, и от распределения температуры в направлении перемещения. При определенном сочетании этих параметров можно осуществить кристаллизацию в самом широком температурном интервале, вплоть до прекращения роста при комнатной температуре. Вследствие расширения температурного интервала роста и путем подбора состава раствора-расплава способ позволяет сочетать увеличение толщины слоя с улучшением его качества за счет того, что по мере охлаждения верхняя часть слоя кристаллизуется при все более и более низкой температуре. На чертеже представлена схема устройства для эпитаксиального выращивания. На чертеже введены следующие обозначения: верхняя пластина 1 графитового корпуса с ячейкой для раствора-расплава; нижняя пластина 2 графитового корпуса; узел 3 для закрепления подложки; подложка 4; раствор-расплав 5; молибденовый шток 6, отверстие 7 для введения раствора-расплава; графитовые пластины 8 узла для закрепления подложки; графитовая планка 9 для жесткого скрепления графитовых пластин узла для закрепления подложки. Отличительной особенностью устройства является то, что корпус выполнен в виде двух параллельных пластин, закрепленных с зазором между ними. Это позволяет при движении подложки по нижней пластине графитового корпуса сохранять на ее поверхности необходимое количество раствора-расплава во всем выбранном интервале роста. Именно такая конструкция корпуса устройства для эпитаксиального выращивания в сочетании с уменьшением температуры нижней пластины по линейному закону и специальной конструкции узла для закрепления подложки позволяет осуществить кристаллизацию в условиях повышенных скоростей охлаждения в широком температурном интервале роста, и тем самым обеспечить повышение качества слоев GaAs, выращенных на подложках Si. Эпитаксиальный рост осуществляют следующим образом. В ячейке для раствора-расплава, выполненной в верхней пластине графитового корпуса и располагающейся в горячей зоне печи, формируют жидкую фазу, содержащую требуемое количество GaAs и Sn. После достижения заданной температуры кремниевую подложку, расположенную в стороне от раствора-расплава, посредством перемещения ее вместе с узлом, где она закреплена, приводят в контакт с жидкой фазой При этом не существенно, где до момента контакта с раствором-расплавом она располагалась: в холодной или горячей зоне кварцевого реактора. Для улучшения смачивания и полного разрушения окисной пленки SiO₂, присутствующей на поверхности Si, подложку и раствор-расплав некоторое время (обычно несколько минут) выдерживают в контакте. Затем подложку с раствором-расплавом при помощи узла для ее закрепления, соединенного с молибденовым штоком, который приводится в движение электродвигателем, перемещают по поверхности нижней пластины графитового корпуса на заданное расстояние, обеспечивая тем самым эпитаксиальный рост в заданном температурном интервале. В качестве материала для изготовления предлагаемого устройства используют графит. При реализации способа нет необходимости удалять раствор-расплав с подложки. Управление толщиной выраженных слоев производят, варьируя толщину раствора-расплава над поверхностью подложки Si путем изменения величины зазора между параллельными пластинами графитового корпуса. Если толщина раствора-расплава в точности соответствует величине зазора, между графитовыми пластинами корпуса, то при движении подложки с раствором-расплавом из-за того, что жидкая фаза трется о неподвижную верхнюю пластину корпуса возможно частичное удаление раствора расплава с поверхности подложки. Особенно сильно этот эффект проявляется при использовании растворов-расплавов небольшой (< 500 мкм) толщины. Для устранения этого нежелательного явления между верхней границей раствора-расплава и верхней пластиной графитового корпуса целесообразно размещать вкладыш, который перемещается вместе с подложкой и имеет такую же площадь. Он может быть выполнен из графита, лейкосапфира, нитрида бора и т. п. а в ряде случаев из Si или GaAs. Наличие вкладыша позволяет изолировать раствор-расплав от неподвижной верхней пластины корпуса. Для уменьшения тепловой инерционности боковые пластины узла для перемещения подложки следует изготавливать как можно более тонкими. Поскольку графит не обладает достаточно высокой прочностью, то, как показали эксперименты, для того, чтобы в процессе эксплуатации пластины не сломались, их толщина должна быть не меньше чем 3 мм, а для того, чтобы не было заметно влияние тепловой инерционности узла на процесс кристаллизации не превышать 5 мм. Нижнюю пластину графитового корпуса следует изготавливать не тоньше 1 см, так как при меньших толщинах может уменьшаться скорость охлаждения из-за того, что в объеме графита будет выравниваться температура. При жидкофазной эпитаксии обычно рост осуществляют в заранее заданном температурном интервале Т, который устанавливают в зависимости от поставленной задачи. Температура нижней пластины графитового корпуса меняется по линейному закону в направлении перемещения. Расстояние Х, на которое необходимо переместить подложку для осуществления эпитаксиального роста, довольно просто рассчитать по уравнению X Отсюда следует, что длина нижней пластины графитового корпуса (2) не может быть меньше, чем расстояние, на которое перемещают подложку с раствором-расплавом: L Величина градиента dT/dX теоретически не накладывает каких-либо ограничений на процесс кристаллизации. Но при резком изменении температуры по длине подложки Si возможен рост слоев, планарность которых будет нарушена. Проведенные эксперименты показали, что при градиентах dT/dX не больше 20^оС/см не было заметно какого-либо изменения планарности слоя по площади подложки. Температура по длине нижней пластины графитового корпуса уменьшается по линейному закону. В любом другом случае при постоянной скорости перемещения скорость охлаждения не будет постоянна, что может оказывать негативное влияние на процесс кристаллизации. Выращивание слоев GaAs на подложках Si производят следующим образом. Монокристаллическую подложку Si размещают в узле для закрепления подложки. Олово и необходимое количество насыщающего материала GaAs располагают в камере для раствора-расплава. Устройство с изолированными друг от друга исходной шихтой и подложкой помещают в кварцевый реактор, в зону, где происходит линейное уменьшение температуры по длине нижней и верхней графитовых пластин корпуса. После разогрева печи до требуемой температуры раствор-расплав с целью гомогенизации выдерживают в течение 30 мин. Затем подложку и раствор-расплав приводят в контакт и выдерживают 1-2 мин для улучшения смачивания. После этого подложку с раствором- расплавом на поверхности перемещают на требуемое расстояние с заданной скоростью по поверхности нижней пластины графитового корпуса при помощи узла для закрепления подложек, молибденового штока и электродвигателя. Затем выключают печь и охлаждают устройство до комнатной температуры, извлекают выращенную структуру из печи и измеряют ее параметры. П р и м е р 1. Производят наращивание слоя GaAs толщиной 1,5 мкм на подложке Si размером 10х20 мм. Для этого устанавливают толщину раствора-расплава 2 мм, размер камеры для раствора-расплава 10х20 мм, расстояние между параллельными пластинами узла для закрепления подложки 10 мм, отверстие для введения раствора-расплава 20х2 мм, толщину нижней пластины графитового корпуса 20 мм. Температура выдержки раствора-расплава 850^оС, вес Sn и GaAs 3,0 г и 148 мг соответственно. При этом Х_GaAs^L 4 мол. (0,3 Х_GaAs^1н при Т 850^оС). Температуру окончания роста устанавливают равной 350^оС. Скорость перемещения 0,1 м/сек. Градиент температуры на нижней пластине графитового корпуса dT/dX 20^оС/см. Расстояние, на которое производят перемещение, L 25 см. Процесс выращивания производят как описано выше. Визуальные исследования под микроскопом показали, что толщина выросшего слоя 1,5 мкм. Исследование методом двухкристальной рентгеновской дифрактометрии показало, что полуширина кривых рентгенодифракционного отражения составляет величину 230. П р и м е р 2. Производят наращивание слоя GaAs толщиной 5 мкм на подложке Si размером 20х20 мм. Для этого устанавливают толщину раствора-расплава равной 2 мм, размер камеры для раствора-расплава 20х20 мм, расстояние между параллельными пластинами узла для закрепления подложки 20 мм, отверстие для введения раствора-расплава 20х2 мм, толщину нижней пластины графитового корпуса 20 мм. Температура выдержки раствора-расплава 950^оС, вес Sn и GaAs 6,0 г и 74 мг соответственно (Х_GaAs^L 1 мол.0,05X_GaAs^Lн при Т 950^оС). Температура окончания роста 450^оС. Скорость перемещения 0,2 м/сек. Градиент температуры dT/dX 20^оС/см. Расстояние, на которое производят перемещение, L 34 см. Все операции при выращивании производят в той же последовательности как описано выше. Визуальные исследования под микроскопом показали, что толщина выросшего слоя составляет 5 мкм. Полуширина кривых рентгенодифракционного отражения 250. П р и м е р 3. Производят выращивание слоя GaAs на подложках Si толщиной 2 мкм. Все исходные параметры процесса и операции такие же, как и в примере 2. Исключение составляет лишь толщина раствора-расплава и отверстие для введения раствора-расплава, которые устанавливают равными 300 мкм и 20х0,3 мм соответственно. При этом вес Sn и GaAs 800 и 15 мг соответственно. Исследования показали, что толщина слоя 3 мкм, а полуширина кривых рентгено-дифракционного отражения 250. П р и м е р 4. Производят наращивание слоя GaAs толщиной 1 мкм на подложке Si (20х40 мм). Толщина раствора-расплава 2 мм, размер камеры для раствора-расплава 20х40, мм, расстояние между параллельными пластинами узла для закрепления подложки 4 мм, отверстие для введения раствора-расплава 20х0,5 мм, толщину нижней пластины графитового корпуса 20 мм. Температура выдержки раствора-расплава 650^оС, вес Sn и GaAs 3,0 и 90 мг соответственно (Х_GaAs^L 2,5 мол.0,8 X_GaAs^Lн при Т 650^оС). Температура окончания роста 300^оС, скорость перемещения 0,15 м/с, dT/dX 20^оС/см, L 25 см. Все операции при выращивании производят как описано выше. Измерения параметров слоя показали, что его толщина 1 мкм, а полуширина кривых рентгено-дифракционного отражения составляет величину 240. Проведенные эксперименты показали, что при Х_GaAs^L < 0,05 X_GaAs^Lн из-за малой растворимости резко падает толщина слоя и на поверхности Si не образуется сплошной пленки GaAs. В то же время, если Х_GaAs^L > >0,8X_GaAs^Lн, то качество слоя (в том числе и планарность) начинает ухудшаться и полуширина кривых рентгенодифракционного отражения увеличивается. При теоретическом рассмотрении процесса перемещения подложки с раствором-расплавом по поверхности графитовой пластины, температура которой убывает в направлении движения по линейному закону, установлено, что из-за тепловой инерции скорость охлаждения достигает величины 10^{2 о}С/с не сразу с момента начала движения, а только лишь на некотором расстоянии от ячейки с раствором-расплавом. Это расстояние зависит от градиента температуры в графитовой пластине и скорости перемещения. При скоростях перемещения 10¹ 10² см/с и значениях градиента температуры, обычных для стандартных установок эпитаксиального выращивания (100^оС/см), время, через которое скорость охлаждения достигает значений 10^{2 о}С/с, составляет величину 0,5 с. Если раствор-расплав сформировать таким образом, чтобы он был насыщен при температуре выдержки раствора-расплава (Т_р), то в течение 0,5 с, кристаллизация будет происходить при переменной скорости охлаждения, величина которой измеряется от 0^оС/с до 10^{2 о}С/с. Т.е. в начальный момент роста, который в большой степени несет ответственность за качество выращиваемых слоев, кристаллизация должна осуществляться при относительно невысокой скорости охлаждения. В результате этого начинает сказываться кристаллохимическое различие между GaAs и Si, и кристаллизуются слои, у которых сильно нарушена планарность, не говоря уж о степени монокристалличности. Таким образом, для получения высоких скоростей охлаждения в начальный момент роста целесообразно формировать раствор-расплав, концентрация GaAs в котором несколько ниже, чем концентрация насыщенного раствора-расплава при температуре выдержки (Т_р). Оценки показывают, что скорости охлаждения через время 0,5 сек достигают значений 10^{2 о}С/с. При этом раствор-расплав успевает остыть на 100-150^оС. Ход зависимости Х_GaAs^L f(T) для системы GaAs-Sn показывает, что концентрация GaAs в растворе-расплаве в используемом температурном интервале < 1000^оС не должна быть больше, чем 0,8X_GaAs^Lн. В случае, если Х_GaAs^L > 0,8X_GaAs^Lн, то может возникнуть ситуация, когда скорость охлаждения раствора-расплава к моменту начала кристаллизации еще не достигнет 10^{2 о}С/с. При концентрации Х_GaAs^L 0,05X_GaAs^Lн и низких температурах выдержки раствора-расплава (Т_р) может возникнуть ситуация, когда толщина слоя настолько уменьшается, что на поверхности подложки Si вообще не образуется сплошного слоя GaAs. При исследовании влияния различия температуры подложки Si (T_п) и температуры выдержки раствора-расплава (Т_р) обнаружено, что в случае приведения в контакт с раствором-расплавом подложки Si, температура которой Т_n < T_p, в начальный момент времени на подложке будет кристаллизоваться слой GaAs. В дальнейшем, с увеличением времени контакта Т_n и Т_p выравниваются, происходит растворение этого слоя и подтравливание подложки Si. Однако наличие на поверхности Si даже тонкого слоя окисной пленки SiO₂ не дает возможности получения в момент контакта планарного слоя GaAs, и к моменту начала повышения температуры в контакте с жидкой фазой будут находиться одновременно GaAs, SiO₂ и, в тех местах, где окись кремния успела разрушиться, чистый кремний. В результате этого, при увеличении температуры скорости растворения отдельных участков подложки будут различны. Это приведет к значительному нарушению планарности поверхности подложки кремния перед эпитаксиальным наращиванием, которое оказывает существенное влияние на качество выращенных слоев. В случае, если Т_р Т_n, то подложка Si равномерно по всей поверхности подтравливается ненасыщенным по кремнию раствором-расплавом. При значениях Т_п > Т_р происходит лишь увеличение скорости растворения подложки Si в начальный момент контакта. Что касается выбранного температурного интервала кристаллизации, то по этому поводу можно сказать следующее. Из-за относительно большой, по сравнению с растворимостью GaAs в Ga, растворимости GaAs в Sn при эпитаксиальном выращивании GaAs из растворов-расплавов на основе олова используют обычно более низкие температуры роста. Это обусловлено тем, что при Т_п > 800^оС растворимость GaAs в Sn настолько велика (ее значение превышает 10 мол.), что проведение процесса кристаллизации вызывает определенные трудности, связанные с процессом испарения As из раствора-расплава. В то же время, при Т_р < 300^оС, наоборот, растворимость GaAs в Sn становится настолько малой, что проведение дальнейшей кристаллизации нецелесообразно, так как практически не приводит к увеличению толщины слоя. Кроме того, дальнейшее расширение температурного интервала кристаллизации может привести к затвердеванию олова при Т230^оС, и возникнут трудности с его удалением с поверхности слоя. Таким образом, верхний предел Т устанавливается не выше, чем 800 300= 500^оС. Проведенные исследования процессов эпитаксиального выращивания со скоростями охлаждения 10^{2 о}С/с при охлаждении системы жидкое-твердое со стороны подложки показали, что в случае, если температурный интервал кристаллизации меньше, чем 200^оС, то не происходит существенного улучшения монокристалличности выращиваемых слоев по сравнению с прототипом. Описанные выше преимущества способа (кристаллизация со скоростями охлаждения) 10^{2 о}С/с в широком температурном интервале) в данном случае, из-за малого интервала кристаллизации не обеспечивают достижения цели повышения качества слоев за счет улучшения их монокристалличности. Учитывая установленный температурный интервал, можно сделать вывод, что минимальная температура начала кристаллизации, при которой возможна реализация предлагаемого способа, составляет 500^оС, а максимальная 800^оС. Поскольку скорость охлаждения достигает требуемых значений после охлаждения системы на 150^оС, то выдержка раствора-расплава должна осуществляться при температуре, лежащей в пределах 950^оС 650^оС. Этот температурный интервал удобен еще и тем, что при более низких температурах выдержки возникают проблемы, связанные со смачиванием подложки Si, а при более высоких возможен случай, когда растворимость Si будет сравнима или даже выше концентрации GaAs в жидкой фазе. Такое соотношение компонентов в растворе-расплаве в условиях сверхвысоких скоростей охлаждения (10^{2 о}С/с) приводит к кристаллизации на поверхности Si метастабильных растворов (Si₂)_xGaAs_1-x, а не слоя чистого GaAs. С помощью изобретения на подложках Si выращены планарные слои GaAs без каких-либо добавок Ge, полуширина кривых дифракционного отражения у которых, в зависимости от технологических режимов составляла величину 200-250. Таким образом, изобретение позволяет повысить качество слоев GaAs на подложках Si, выращенных методом жидкофазной эпитаксии. Подобного рода структуры могут быть использованы в качестве подложечного материала для создания высококачественных приборных структур полупроводниковой опто- и микроэлектроники.

Формула изобретения

1. Способ эпитаксиального наращивания слоев GaAs на подложках Si, включающий приготовление ненасыщенного при Т_р раствора-расплава GaAs в Sn, приведение его в контакт с подложкой и охлаждение с скоростью 10² - 10^3oС/с, отличающийся тем, что, с целью повышения качества слоев GaAs за счет улучшения их монокристалличности, приготовляют раствор-расплав, в котором концентрацию GaAs устанавливают из соотношения приводят его в контакт с подложкой, имеющей температуру T_п T_р, осуществляют охлаждение со стороны подложки, а кристаллизацию производят в интервале температур 200C T 500C, где T_р - температура выдержки раствора-расплава, ^oС; T_п - температура подложки, ^oС; X^l_GaAs - концентрация раствора-расплава GaAs в Sn, мол.%; - концентрация насыщенного при T_р раствора-расплава GaAs в Sn, мол.%. 2. Устройство для эпитаксиального наращивания слоев GaAs на подложках Si, содержащее графитовый корпус с камерой для раствора-расплава и узел для закрепления подложки, отличающееся тем, что, с целью создания принудительного охлаждения отводом тепла через подложку при перемещении ее по холодной поверхности в горизонтальном температурном градиенте, корпус кассеты выполнен в виде двух параллельных пластин, скрепленных между собой с возможностью изменения величины зазора между ними, упомянутый узел выполнен в виде двух параллельных графитовых пластин с отверстиями для введения раствора-расплава, расположенных на расстоянии, равном ширине подложки, и жестко скрепленных между собой, причем узел установлен на пластинах корпуса с возможностью продольного перемещения.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 13.01.1998

Номер и год публикации бюллетеня: 9-2001

Извещение опубликовано: 27.03.2001