Способ получения эпитаксиальных слоев арсенида галлия

Реферат

 

Изобретение относится к электронной технике и направлено на улучшение качества слоев за счет повышения концентрации носителей в них и повышения воспроизводимости их параметров, что достигается тем, что в способе получения эпитаксильных слоев арсенида галлия p-типа проводимости методом пиролиза металлорганических соединений галлия в среде водорода эпитаксиальное наращивание проводят в присутствии избытка арсина при соотношении концентраций мышьяка и галлия в газовой фазе 5 35. Температура наращивания 530 690°С. Давление в реакторе при наращивании сильнолегированных p+ слоев составляет 2 10 торр. 1 табл.

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и может быть использовано при изготовлении приборных структур с эпитаксиальным слоем на арсениде галлия методом пиролиза металлоорганических соединений. Целью изобретения является улучшение качества слоев за счет повышения концентрации носителей и повышение воспроизводимости их параметров. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения эпитаксиальных слоев арсенида галлия р+-типа проводимости, включающем наращивание искомых слоев на нагретых подложках пиролизом металлоорганических соединений галлия в среде водорода при пониженном давлении в присутствии избытка арсина, наращивание проводят при температуре подложек 530 690оС, давлении 2 10 торр и соотношении концентраций мышьяка и галлия в газовой фазе 5 35. Изобретение обеспечивает высоковоспроизводимое получение сильнолегированных слоев р+-типа проводимости без применения намеренного легирования слоев акцепторными примесями из газовой фазы в процессе наращивания. Полученные слои термостабильны, а данный способ их получения позволяет изготавливать эпитаксиальные структуры со сниженным диффузионным размытием концентрационных переходов на границе раздела со слоями с другим уровнем легирования. Способ по изобретению хорошо комбинируется с технологией наращивания в МОС-гидридной системе слоев другого типа и уровня легирования и позволяет изготавливать в едином цикле и устройстве структуры различного назначения, где сильнолегированный р+-слой выполняет функции буферного слоя (при наращивании на р+-подложках), контактного слоя или активного слоя, как элемента структур для изготовления лавинно-пролетных диодов. Цель изобретения достигается только при сочетании указанного условия с другими параметрами процесса наращивания в узких диапазонах их допустимых значений. Наращивание слоев необходимо проводить при давлении 2 10 торр. Верхний предел обусловлен тем, что при давлении более 12 торр растут полуизолирующие слои с высокими изолирующими свойствами. Область давлений 10 12 торр является переходной и при наращивании в этом диапазоне воспроизводимость параметров слоев р+-типа и полуизолирующих слоев очень низка, тем более, что точность измерения столь малых давлений и их воспроизведения невелика (порядка 10% ). При понижении давления от 10 торр до 2 торр концентрация носителей сначала возрастает 11018 см-3 до максимального значения К1019 см-3 при давлении 6 7 торр и далее почти не изменяется в диапазоне изменения давления от 6 до 2 торр. Величина коэффициента К зависит от исходного источника галлия. Для триметилгаллия (ТМГ) максимальная концентрация составляет (5 7)1019 см-3, а для эфирата триметилгаллия (ЭТМГ) она равна 31019 см-3. Снижение давления при наращивании р+-слоя ниже 2 торр нецелесообразно, поскольку это не приводит к улучшению качества слоев и повышению концентрации дырок, а контроль меньших давлений затруднен. Кроме того, при давлениях в системе наращивания (в реакторе) менее 2 торр необходимо для получения высокой концентрациии дырок в слоях уменьшать соотношение концентраций мышьяка и галлия в газовой фазе менее 5, что приводит к ухудшению структуры р+-слоев и морфологии их поверхности. Малый избыток арсина по отношению к содержанию МОС галлия в газовой фазе приводит к несовершенству кристаллической структуры эпитаксиальных слоев. Исходя из этих фактов, наращивание нецелесообразно проводить при соотношении концентраций мышьяка и галлия в газовой фазе менее 5. Верхний предел этого соотношении определяется тем, что при превышении соотношением концентраций мышьяка и галлия величины 35 концентрация дырок в слоях р-типа проводимости падает до уровня ниже 11018 см-3, т.е. ниже порогового значения, достигнутого при давлении 10 торр. При температуре подложек (температуре наращивания слоев р-типа проводимости) ниже 530оС ухудшается кристаллическое совершенство эпитаксиальных слоев и ухудшается морфология их поверхности появляется сетка линейных нарушений, поверхность становится шероховатой. При температуре выше 690оС скорость роста резко снижается без видимого ухудшения морфологии поверхности. Это делает процесс наращивания плохо контролируемым и не позволяет выращивать достаточно протяженные слои р+-типа, приемлемые для их использования в приборных структурах. Положительный эффект по изобретению получен в диапазоне парциальных давлений ТМГ (ЭТМГ) в потоке водорода через реактор 110-6 510-5 атм. Критерии выбора содержания МОС галлия в газовой фазе стандартны. При содержании МОС галлия менее 110-6 атм скорость роста сильно падает, невозможно надежно контролировать толщину наращиваемого слоя и получить достаточную для приборного использования толщину р+-слоя арсенида галлия. При содержании МОС галлия в газовой фазе более 510-5 атм наблюдается ухудшение структуры и морфологии поверхности наращиваемых слоев из-за явлений гомогенного зародышеобразования в газовой фазе. Предлагаемая совокупность операций способа, их последовательность и условия реализации обеспечивают надежное воспроизведение заявленного положительного эффекта, что подтверждается нижеизложенными примерами реализации способа и сведениями о качестве полученных слоев и структур. Способ реализован с использованием промышленной установки "Экран" УЭ. ППУ226-01. Реактор установки выполнен в виде вертикальной кварцевой трубы диаметром 190 мм, снабженной верхним и нижним ланцами из нержавеющей стали. Газовую смесь подают в реакционный поток через центральный ввод в верхней части реактора. Подложкодержателем служит графитовая усеченная пирамида. Отвод газа из реактора осуществляется откачкой форвакуумным насосом. Выходная мощность генератора, потребляемая индуктором, составляет 8 10 кВт. Удельная мощность высокочастотного излучения, падающего на пирамиду-подложкодержатель, оценивается в 1 3 Вт/см2. В качестве газа-носителя используют водород, очищенный диффузией через палладиевый фильтр, с точкой росы около -70оС. Источником мышьяка служила 10% смесь арсина с водородом. Источником МОС элементов III группы служили триметилгаллия (ТМГ) или его эфират (ЭТМГ), триметилалюминий (ТМА), триметилтриэтилиндий (ТМИ и ТЭИ) или их смесь. Получение эпитаксиальных структур различного назначения осуществлено на подложках различных марок. Использовали полуизолирующие подложки арсенида галлия, компенсированные хромом и кислородом, легированные хромом и индием, только индием и нелегированные намеренно марок АГЧП 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 производства ОХМЗ Гиредмета, и аналогичные марки других производителей. Способ реализован и при использовании низкоомных подложек, легированных оловом, теллуром или кремнием типа АГЧО, АГЧТ, АГЧК. Кроме подложек, полученных по Чохральскому, опробованы подложки из монокристаллов, выращенных по Бриджмену типа АГЧК 1,2. П р и м е р 1. Берут подложки толщиной 400 мкм диаметром 40 мм, ориентированные по плоскости (100) с отклонением 3о в сторону (110), марки АГЧП-4. Помещают их на графитовую пирамиду в два яруса. Реактор герметизируют и продувают потоком азота 180 л/ч в течение 5'. Выключают поток азота. Закрывают систему байпасной продувки реактора. Включают откачную систему и откачивают реактор до давления 10-2 торр. Подают в реактор поток водорода 25 л/ч, продувают в течение 5'. Включают систему автоматического регулирования давления в реакторе и задают давление, равное 402 торр. Включают высокочастотный нагрев реактора. По достижении в реакторе температуры 7733 К подают поток 12 л/ч газовой смеси AsH3 10% + Н2О 90% По достижении в реакторе температуры 8833 К системой автоматического регулирования давления задают давление, равное 40,4 торр. Через питатель с ЭТМГ, термостатированный при температуре 2780,5 К, продувают поток водорода 6 л/ч на сброс в течение 3'. Переключают поток газовой смеси ЭТМГ + Н2 со сброса в реактор. Через 10' переключают поток газовой смеси ЭТМГ + Н2 из реактора на сброс. Выключают ВЧ нагрев. Через 3' выключают поток Н2 через питатель с ЭТМГ. По достижению в реакторе температуры 7733 К выключают поток арсина. По достижении в реакторе температуры 5733 К отключают систему автоматического регулирования давления. Отключают поток Н2 через реактор. Откачивают реактор до давления 10-2 торр. Отключают систему откачки реактора. Включают подачу в реактор потока азота с расходом 180 л/ч и накачивают реактор до давления 1 атм. Включают систему байпасной продувки реактора. По достижении в реакторе температуры 3303 К реактор разгерметизируют и извлекают подложки из реактора. Поверхность эпитаксиальных слоев зеркально-гладкая. Измеряют концентрацию носителей в слоях методом Холла и CV-методом при использовании ртутного зонда с предварительным окислением поверхности р-слоя. Слои имеют р-тип проводимости. Концентрация дырок в них составляет 51019 см-3. Разброс концентрации носителей по площади подложек составляет 8% по толщине слоев 5. Разброс концентрации носителей между ярусами 10% в пределах яруса 10% Разброс толщины слоя в пределах одного яруса составляет 5% между ярусами 10% Повторяют процесс наращивания по примеру 1, изменяя только время наращивания. Для времени наращивания 5 мин, 15 мин, 20 мин и 30 мин получены, соответственно, слои с толщиной 0,4; 1,2; 1,6 и 2,4 мкм и концентрацией носителей в них, соответственно, 4,71019, 5,21019, 5,41019 и 5,01019 см-3. Т. е. разброс концентрации носителей в ряде последовательных процессов при неизменных условиях наращивания не зависит от толщины наращиваемых слоев и составляет 8% Способ по изобретению реализован также в установке МОС-гидридной эпитаксии с резистивным нагревом. Реактор установки наращивания с резистивным нагревом колпакового типа обеспечивает размещение подложек на плоском постаменте, обогреваемого изнутри спиральным нагревателем. Ввод газовой смеси осуществляется сверху, а отвод продуктов реакции осуществляется с периферии постамента и через регулируемое отверстие в его центре. Это позволяет управлять однородностью толщины слоев и их электрофизических параметров за счет изменения проходного сечения отверстия в центре постамента. Суммарный поток газа через реактор такой же, как и в установке с ВЧ-нагревом. Режимы других параметров реализации в установке с ВЧ-нагревом и в установке с резистивным нагревом, а также полученные результаты сведены в таблицу. Анализ результатов, приведенных в таблице, показывает, что заявленный положительный эффект достигается только в рамках указанных в формуле изобретения сочетаний диапазонов параметров процесса наращивания. Изобретение позволяет улучшить качество получаемых слоев р-типа проводимости за счет повышения концентрации дырок. Способ характеризуется высокой воспроизводимостью параметра получаемых слоев и исключает возможность неуправляемого изменения типа проводимости слоев и концентрации носителей в них. Слои р+-типа проводимости получают без специального легирования акцепторными примесями из газовой фазы в процессе наращивания. Полученные слои имеют низкое удельное сопротивление. Высокая концентрация носителей облегчает создание омического контакта с низким последовательным сопротивлением. Слои р+-типа могут быть использованы в качестве пассивных буферных слоев и в качестве активных слоев структур для изготовления лавинно-пролетных диодов.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ p типа проводимости, включающий наращивание искомых слоев на нагретых подложках методом пиролиза металлоорганических соединений галлия в среде водорода при пониженном давлении в присутствии избытка арсина, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества слоев за счет повышения концентрации носителей и повышения воспроизводимости их параметров, наращивание проводят при температуре подложек 530 690oС, давлении 2 10 торр, при этом расход металлоорганических соединений галлия и арсина задают таким, чтобы соотношение образовавшихся в процессе их термического распада мышьяка и галлия в газовой фазе составляло (5-35) 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1