Способ получения монокристаллических пластин арсенида индия

Способ получения монокристаллических пластин арсенида индия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технологии полупроводниковых соединений типа A^IIIB^V и может быть использовано при получении монокристаллов арсенида индия с улучшенными параметрами.

Выпускаемые в промышленности монокристаллы арсенида индия имеют ряд недостатков: неоднородность свойств по объему кристалла, достигающая 30÷50%, а в ряде случаев и выше; низкую стабильность параметров после термообработки, относительно низкое значение подвижности носителей заряда.

Широкое применение арсенида индия в производстве электронных приборов, высокая степень интеграции приборов выдвигают более жесткие требования к качеству и геометрическим размерам монокристаллов. Улучшение параметров материала металлургическими способами в процессе выращивания монокристаллов в настоящее время практически не осуществимо.

Предлагаемый способ заключается в улучшении параметров арсенида индия (нелегированного и легированного различными примесями до различных концентраций) облучением нейтронами ядерного реактора и последующей термообработкой.

Прототипом служит способ, заключающийся в том, что монокристаллы арсенида индия облучают нейтронами ядерного реактора (флюенсом Ф>7×10¹⁷ см^-2) с последующей термообработкой в течение 30 мин при температуре до 800°С. Недостатки способа в том, что улучшить характеристики арсенида индия таким образом не удается. Большие флюенсы нейтронов приводят к усилению прыжковой проводимости и ухудшению электрофизических параметров материала за счет дополнительного легирования оловом. Температура отжига низкая и не дает ожидаемого эффекта.

Предлагаемый способ отличается тем, что облучению подвергают монокристаллы арсенида индия с различной степенью компенсации; облучение ведется только быстрыми нейтронами (Е>0,1 МэВ) с плотностью потока не более 1×10¹² см^-2 с^-1 до флюенса Ф=(0,5÷5,0)×10¹⁵ см^-2, а отжиг проводят при температуре 850÷900°С. Отсечь тепловые нейтроны можно, используя для облучения кадмиевые пеналы или другие известные способы. Необходимость ограничения плотности потока нейтронов вызвана сильным разогревом и возможным растрескиванием материала в процессе облучения.

Физический смысл происходящих в материале процессов заключается в следующем. В результате облучения быстрыми нейтронами в арсениде индия возникают простые радиационные дефекты (пары Френкеля: атом в междоузлии и вакансия). С увеличением дозы облучения растет концентрация вводимых дефектов, повышается вероятность их взаимодействия (коагуляции) и образования более сложных радиационных дефектов (РД), так называемых областей разупорядочения (ОР). Образовавшиеся ОР служат геттерами для простых (точечных) дефектов, образовавшихся в кристалле в процессе облучения и на стадии выращивания. Последующая термообработка облученных образцов при температуре 850÷900°С приводит к распаду ОР и перемещению простых дефектов на поверхность и на стоки (термообработка при температурах меньше 850 и выше 900°С не дает ожидаемого эффекта). Тем самым происходит очистка матрицы от большого количества ростовых и других точечных дефектов.

Циклическая обработка образцов (облучение и термообработка) приводит также к значительному повышению однородности и термостабильности свойств материала. Неоднородность электрофизических характеристик в объеме материала не превышает 5%. Термическая обработка образцов при 900°С в течение 8 часов не приводит к чувствительным изменениям параметров материала, в то время как в обычном (необлученном) материале термообработка при 900°С в течение 30÷40 мин уже приводит к значительным изменениям параметров.

Применение радиационно-модифицированного арсенида индия в производстве полупроводниковых приборов (СБИС, СВЧ и оптоэлектронные приборы и др.) открывает новые перспективы в микроэлектронике.

Пример 1. В качестве исходного материала используют монокристаллические пластины нелегированного арсенида индия электронного типа проводимости (n=1×10¹⁶ см^-3), имеющего степень компенсации K₁=0,07. Неоднородность электрофизических характеристик, измеренных бесконтактным методом, равна δ₁=25%. Облучение нейтронами проводят в вертикальных каналах реактора ВВР-ц, используя кадмиевые пеналы для устранения тепловых нейтронов. Флюенс быстрых нейтронов с плотностью потока ϕ=1×10¹² см^-2 с^-1 и энергией Е>0,1 МэВ составляет 5×10¹⁵ см^-2. После спада наведенной активности до допустимого уровня облученные образцы нагревают в запаянных кварцевых ампулах со скоростью 10°С/мин до температуры 900°С. Отжиг проводят в течение 20 мин, а последующее охлаждение ведут со скоростью 5°С/мин до температуры 400°С, далее охлаждают вместе с печью до комнатной температуры. В результате получают арсенид индия электронного типа проводимости с неоднородностью электрофизических свойств δ₂=4% и степенью компенсации К₂=0,03. Термообработка образцов при 900°С в течение 8 ч не приводит к заметным изменениям электрофизических параметров материала.

Пример 2. В качестве исходного материала используют монокристаллические пластины арсенида индия электронного типа проводимости легированного до концентрации n=1×10¹⁸ см^-3, имеющего степень компенсации K₁=0,04. Неоднородность электрофизических характеристик, измеренных бесконтактным методом, равна δ₁=22%. Облучение нейтронами проводят в вертикальных каналах реактора ВВР-ц, используя кадмиевые пеналы для устранения тепловых нейтронов. Флюенс быстрых нейтронов с плотностью потока ϕ=5×10¹¹ см^-2 с^-1 и энергией Е>0,1 МэВ составляет 5×10¹⁴ см^-2. После спада наведенной активности до допустимого уровня облученные образцы нагревают в запаянных кварцевых ампулах со скоростью 10°С/мин до температуры 900°С. Отжиг проводят в течение 20 мин, а последующее охлаждение ведут со скоростью 5°С/мин до температуры 400°С, далее охлаждают вместе с печью до комнатной температуры. В результате получают арсенид индия электронного типа проводимости с неоднородностью электрофизических свойств δ₂=5% и степенью компенсации K₂=0,02. Термообработка образцов при 900°С в течение 8 ч не приводит к заметным изменениям электрофизических параметров материала.

Примеры проведения процессов приведены в таблице 1. В качестве исходного материала может быть использован как нелегированный, так и легированный различными примесями до различных концентраций арсенид индия в виде монокристаллических пластин. Предлагаемый способ позволяет получить пластины арсенида индия с улучшенной однородностью и термостабильностью электрофизических свойств и уменьшенной степенью компенсации.

Такой материал соответствует требованиям современной микро- и оптоэлектроники и пользуется большим спросом как на внутреннем, так и на внешнем рынке.

Источники информации

1. А.Я.Нашельский. Производство полупроводниковых материалов. Москва, Металлургия, 1989 г., 271 с.

2. Колин Н.Г., Освенский В.Б., Рытова Н.С., Юрова Е.С. Электрические свойства арсенида индия, облученного быстрыми нейтронами. ФТП, т.21, вып.3, 521 (1987).

Способ получения монокристаллических пластин арсенида индия путем облучения быстрыми нейтронами с последующим нагревом, отжигом и охлаждением, отличающийся тем, что облучению подвергаются монокристаллические пластины с различной степенью компенсации при плотности потока не более 10¹² см^-2 с^-1 до флюенса Ф=(0,5÷5,0)·10¹⁵ см^-2, а отжиг проводят при 850÷900°С в течение 20 мин при скорости нагрева и охлаждения 10 град./мин и 5 град./мин соответственно.