Подложка для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия

Подложка для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия

Реферат

Изобретение относится к электронной технике, а именно к материалам, предназначенным для изготовления полупроводниковых приборов широкого класса применения с использованием эпитаксиальных слоев арсенида галлия.

В настоящее время достигнуто высокое качество автоэпитаксиальных слоев арсенида галлия по электрофизическим свойствам. Несмотря на это эпитаксиальные слои арсенида галлия до сих пор не могут вытеснить кремниевые слои в массовом производстве электронной техники. Связано это с тем, что для современной технологии их производства требуются подложки из монокристаллов арсенида галлия с диаметром 250 мм и более. Однако современные возможности промышленной технологии выращивания монокристаллов арсенида галлия ограничены диаметром около 100-150 мм. Увеличение диаметра монокристаллов свыше этого размера приводит к возникновению радиальной неоднородности состава монокристаллов арсенида галлия.

Делались многократные попытки выращивания качественных слоев арсенида галлия на других альтернативных подложках (подложки для гетеро-эпитаксиальных слоев арсенида галлия), однородных по составу при большом диаметре монокристаллов, например на кремнии или на сапфире. Эти попытки были безуспешными в первую очередь из-за большой разницы в периодах кристаллических решеток арсенида галлия с одной стороны и кремния и сапфира, с другой стороны.

Известны так же попытки нанесения переходных слоев между арсенидом галлия и, например, кремнием для уменьшения разницы в периодах кристаллических решеток между соседними эпитаксиальными слоями, которые оказались малоуспешными [1].

В работе [2] предложен новый подход к выбору подложек для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия, а именно на использовании подложек, изготовленных из интерметаллидов, (к которым относится и сам арсенид галлия), но с металлическим типом проводимости. В этом патенте в качестве подложек впервые предложено использовать монокристаллы интерметаллидов бинарных сплавов NiAl, CoAl, AlTi, NiGa в качестве подложек для эпитаксии арсенида галлия. К достоинству этих материалов подложек следует отнести очень низкое давление паров компонентов, позволяющее не беспокоится о превышении критического давления паров компонентов в процессе синтеза исходного материала интерметаллида и предотвратить (существенно снизить) испарение одного из компонентов в процессе выращивания монокристаллов, которое обычно приводит к нарушению стехиометрии в выращенном монокристалле. С этой точки зрения в отличие от синтеза арсенида галлия, технология выращивания этих монокристаллов более проста и выращивание качественных, достаточно однородных по составу монокристаллов большого размера не представляло больших проблем. К недостаткам этих материалов следует отнести в первую очередь относительно высокую температуру их плавления (например, у NiAl температура плавления равна ~1660°C). Это требует для выращивания монокристаллов данных соединений применение специального высокотемпературного оборудования. Необходимость использования такого оборудования затрудняет применение более простого горизонтального метода Бриджмена, широко используемого в лабораторной практике.

Существенное снижение температуры выращивания монокристаллов для подложек по сравнению с [2] достигнуто при использовании интерметаллических соединений, описанных в патенте [3], который является прототипом предполагаемого изобретение. Предложенные в этом патенте интерметаллические соединения имеют значительно более низкие температуры плавления (станнат никеля - Ni₃Sn₂-1138°С, алюминат никеля - Ni₂Al₃-1264°С, германат кобальта - Co₂Ge-1200°С, германат никеля - Ni₂Ge-1200°С, антимонид палладия - PdSb-805°С, полуантимонид марганца - Mn₂Sb-948°С, арсенид олова - SnAs-605°С. Такие относительно низкие температуры плавления существенно упрощают выращивание этих монокристаллов. Монокристаллы выращивались как методом Чохральского, так и более простым и доступным в применении методом Бриджмена.

Рентгеновским микроанализом подложек, изготовленных из выращенных монокристаллов, было установлено, что эти подложки в пределах чувствительности рентгеновского микроанализа достаточно однородны по составу по всей своей поверхности. Выращенные на этих подложках эпитаксиальные слои отличались достаточно высоким кристаллографическим совершенством. Однако измерение электрофизических свойств эпитаксиальных слоев арсенида галлия, выращенных на этих подложках-показало, что даже при достаточно низких температурах роста (300-350°C) происходит постепенное ухудшение электрофизических свойств этих слоев (старение) по сравнению со свойствами слоев, выращенных на арсенид галлиевых подложках. Это приводит к сильному ограничению применения таких структур в создании компонентов микроэлектронных устройств. Проведенные нами исследования по температурной зависимости электрофизических свойств (подвижность электронов в эпитаксиальном слое от температуры подложки в момент выращивания) показывают, что в отличие от обычных случаев, когда повышение температуры подложки способствует повышению подвижности электронов, в нашем случае повышение температуры приводит к ухудшению их электрофизических свойств. По нашему мнению это связно с тем, что при увеличении температуры подложки активизируется процесс диффузии одного из компонентов материала подложки в растущий на нем эпитаксиальный слой арсенида галлия.

Заявленные в [2, 3] интерметаллиды представляли собой соединения нестехиометрического состава. Как показали наши исследования, в этих интерметаллидах наблюдается заметная диффузия одного из компонентов (как правило, избыточного) как по всей монокристаллической подложке, так и диффузия в растущий на этой подложке слой арсенида галлия. Эта диффузия компонентов из подложки в растущий слой при повышенных температурах происходит практически постоянно, что приводит к ухудшению стабильности электрофизических параметров выращенного слоя.

Техническая задача, решаемая в предполагаемом изобретении - исключение вредной диффузии компонентов подложки в эпитаксиальный слой арсенида галлия. При этом достигается положительный технический результат, а именно, повышается стабильность электрофизических параметров выращенного слоя.

Указанная техническая задача решается тем, что в качестве материала подложек предлагается использовать интерметаллиды из группы: лантаниды галлия GaLa₃ и Ga₃La₅, циркониды галлия Ga₃ Zr и Ga₃Zr₅, цирконид алюминия Al₃Zr, церид алюминия CeAl₂, бериллид палладия BePd, лантанид магния MgLa, лантанид алюминия Al₂La, станнид платины Pt₃Sn, лантанид индия InLa, цирконид олова SnZr₄, плюмбит платины Pt₃Pb.

Предложенные интерметаллические соединения состоят преимущественно из элементов третьей группы: лантана, галлия, индия, алюминия или элементов четвертой группы - циркония, свинца, олова, создающих в случае их попадания в арсенид галлия только мелкие уровни, не захватывающие основные носители. Это выгодно отличает указанные материалы от материалов, использованных в [3] - металлов переходной группы - никель, кобальт, марганец, создающих в арсениде галлия обычно крайне нежелательные глубокие уровни.

Эти интерметаллические соединения имеют не только хорошее согласование кристаллических решеток с выращиваемым на них слоем арсенида галлия, но и обеспечивают стабильность электрофизических параметров выращиваемых на них активных слоев, (в таблице 1 и приведены некоторые свойства этой группы интерметаллидов).

Таблица 1
Соединение	Al3Zr	Ga3Zr	BePd	Al2Ce	Pt3Sn	Al2La	GaLa3
Периоды кристаллических решеток, Å	at=4.013	at=3.963	ak=8.19	ak=8.055	ak=4.004	ak=8,145	ak=5.66
Температура плавления, °C	1580	1275	1455	1480	1402	1405	615
Несовпадение периодов кристаллических решеток, в %:	+0.389	-0.85	+0.265	+0.75	+0,18	+1,88	+0.12

Соединение	Ga3La5	Ga3Zr5	InLa	MgLa	PbPt3	SnZr4
Периоды кристаллических решеток, Å	at=8.056	ag=8.080	ak=3.985	ak=3.970	ak=4,058	ak=5.65
Температура плавления, °C	825	1600	1125	745	916	1327
Несовпадение периодов кристаллических решеток, %:	+0.763	+1.06	-0.318	-0.69	+1,5	-0,05
ak - постоянная кубической решетки,
at - постоянная тетрагональной решетки,
ag - постоянная гексагональной решетки

Нами были выращены монокристаллы этих интерметаллидов, из них готовились подложки для эпитаксиального роста и проводился процесс эпитаксиального роста методом молекулярной эпитаксии по известным методикам, описанным, в частности, в патенте [2]. Проведенные нами исследования подтвердили, что качество эпитаксиальных структур GaAs, выращенных на поверхности этих интерметаллических соединении отличаются достаточно высоким совершенством, пригодным для приборного применения. Главным их достоинством является стабильность электрофизических свойств во времени: контрольные измерения таких важных параметров эпитаксиальных слоев как подвижность и концентрация электронов в течение года не обнаружило никаких заметных изменении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Kadowa et al. Study of initial buffer in GaAs-on-Si grows Journal of crystal grows 115 (1991), 128-132.

2. Патент РФ №2267565, МПК С30 В 19/12 «Подложка для выращивания эпитаксиальных слов арсенида галлия».

3. Патент РФ №2308784, МПК HO1L 21/203 «Подложка для выращивания эпитаксиальных слов арсенида галлия».

Подложка для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия, выполненная из монокристалла интерметаллического соединения, отличающаяся тем, что интерметаллическое соединение выбрано из группы стехиометрических интерметаллических соединений, а именно из лантанидов галлия GaLa₃ и Ga₃La₅, цирконидов галлия Ga₃Zr и Ga₃Zr₅, цирконида алюминия Al₃Zr, церида алюминия CeAl₂, бериллида палладия BePd, лантанида магния MgLa, лантанида алюминия Al₂La, станнида платины Pt₃Sn, лантанида индия InLa, цирконида олова SnZr₄ и плюмбита платины Pt₃Pb.