Способ изготовления эпитаксиальных пленочных структур

Способ изготовления эпитаксиальных пленочных структур

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(») 79lll4

ОП ИСАН ИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

;4 ф

" ф .

Ф1, t=.- ,/ ===««и"" (61) Дополнительное к авт. свид ву— (22) Заявлено 15.06.79 (21) 2:80775/18-25 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 07.02.82. Бюллетень Мв 5 (45) Дата опубликования описания 07.02.82 (51)М.Кл з Н Oi L21/205

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.382 (088.8) и

«л у

С. В. Гапонов, Б. М. Лускин и Н. Н, Салащенко. ду,.". -". с и 4 р! "„a" °

Институт прикладной физики AH СССР и (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР

Изобретение относится к технологии изготовления электронных, оптических и электрических приборов на твердом теле.

Изобретение направлено на усовершенствование технологии изготовления твердотельных (в том числе и полупроводниковых) приборов на основе многослойных пленочных эпитаксиальных структур. Наиболее важное применение изсйбретения связано с использованием его при изготовлении многослойных периодических гетероэпитаксиальных структур типа «сверхрешетки», позволяющих по теоретическим оценкам расширить верхний предел частотного диапазона твердотельных приборов с 10" Гц до 10 з Гц.

Структуры типа «сверхрешетки» характеризуются тем, что в них помимо периодического потенциала кристаллической решетки существует дополнительный потенциал с .большим периодом.

Энергетический спектр носителей тока в такой структуре имеет минизонный характер, который проявляется, в частности, наличием на вольтамперной характеристике участков с отрицательной дифферен-циальной проводимостью. Изготовление приборов типа «сверхрешетки» возможно на основе чередующихся сверхтонких (с

О толщиной менее 100 А) эпитаксиальных пленок из материалов с практически идентичными параметрами кристаллических решеток. От выбора материалов, образующих гетероструктуру, зависит величина потенциального барьера между ними и, следовательно, электрические характеристики прибора. Метод молекулярных пучков

10 о позволяет получать пленки толщиной 20—

50 А; метод лазерного напыления при работе лазера в режиме свободной генерации (длительность импульса т — 10 с, плотность мощности излучения на поверхности испаряемой мишени q — 10 Вт/см ) позволяет получить сплошные ориентированные

О пленки толщиной > 20 А, а при работе в режиме модулированной добротности (- — 10 — 8 с, д — 1О" Вт см ) пленки толщи20

О ной 5 — 10 А.

Известен способ получения многослойных структур, состоящих из чередующихся

25 слоев материалов типа Аи В с близкими значениями постоянной решетки методом молекулярной эпитаксии, заключающийся в последовательности эпитаксиальном наращивании на монокристаллическую

ЗО подложку слоев арсенида галия толщиной 60 А и арсенида галлия — алюминия о толщиной 10 А (1).

Периоды кристаллических решеток эпитаксиальных слоев различаются не более чем на 0,3 — 0,5

Недостаток способа заключается в том, что QFI. реализуем только на материалах с

«идеально» близкими кристаллическими структурами.

Этим способом в приципе невозможно изготовлен 10 «сверхрешеток» из одного;IBтериала на р — и переходах из-за флюктуаций носителей тока в сверхтонких пленках, приводящих к размыванию потенциального барьера. Сложность подбора компонент гетероструктуры ограничивает возможность изготовления приборов с различными вольтамперными характеристиками. В изготовленных этим способом многослойных структурах, состоящих из разнородных материалов, возможны разрушающие прибор термические напряженIIFI кристаллических структурах с разными коэффициентами теплового расширения, так как температура эпитаксии и рабочая температура прибора существенно отличаются. Многослойность же структуры необходима для согласования прибора с элементами радиочастотного тракта (единственным путем повышения сопротивления прибора при разумных размерах контактных площадок является увеличение пар слоев гетероструктуры, т. е. ее толщины).

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления эпитаксиальных пленочных структур путем нанесения на монокристаллическую подложку неориентированной пленки, на которую затем наносят вторую пленку, эпитаксиальную подложке (2).

Этот способ, выбранный в качестве прототипа, закл1ОчаЕтея в ОсажДЕнИИ на кРемниевую пластинку заданной ориентации тонкого промежуточното слоя из диэлектрического материала и последующем эпитаксиальном выращивании FIa нем монокристаллической кремниевой пленки.

Промежуточный слой выполняют из двуокиси кремния и толщину этого слоя выбирают в пределах от 10 до 50 нм. В случае, если промежуточный слой выполняют из нитрида кремния, толщина его составляет 10 — 500 нм.

Недостатками способа является то, что он неприемлем для изготовления многослойных структур типа сверхрешеток и может быть реализован лишь для небольшого класса материалов.

Основной недостаток известкого способа связан с тем, что при реализации сгособа в качестве ориентирующих центров используются естественные дефекты ориентирующей монокристаллической подложки, а сплошные пленки образуются на тол5

20 1 Г; з0

1цинах, сравнимых с междефектным расстоянием. Поскольку количестго естественных дефектов в кристаллах, используемых в качестве ориентирующих подложек не превышает 10!О cM — - TG и получаемые этим способом пленки имеют толо щину — 10 А, что неприе.1лемо для создания структур типа «св рхрешетки».

Этот способ в принципе не допускает использования методов напыл пия пленок со скоростями конденсации, достаточно о большими (1Π— 10 А/с) для получения сплошных ориентированных сверхтонких пленок.

Целью изс брете1шя зляется полf ÷011ие мно.-ослоинь х структур и рас пирепие класса используемых материалов.

Псставленнгя 4е, достигается тем. что в способе изготовления эпитаксиальных пленочных структур путем нанесения на;лонокристаллическую подложку пеориент,: рованной пленки, на которую затем наносят вторую пленку, эпитакспальную подложке, перед нанесением эпптаксиальной пленки подложку с нанесенной на нее ориентированной пленкой облучают высокоэнергетическими частицами, преимущественно быстоыми ионами лазерной плазки с энергией (1 — 5) 10З эВ.

Изобретение может быть реализовано на установке лазерного напыления или на других установках, например на установке с дискретным напылением или с молекулярными пучками, которые, однако, должны быть снабжены источниками высокоэнергетичных (10 эВ) частиц. В общем случае выбор той или иной установки опгеделяется требованиями, предьявляемыми к толщине пленок и их электрофизическим свойствам.

Установка содержит два лазера, один из которых работает в режиме свободной генерации, а .другой в режиме модулированной добротности с интенсивностью излучения на поверхности испаряемого материала не менеее 109 Вт/см . Второй лазер используется в качестве источи. .ка высокоэнергетичных частиц. Монокристаллическая подложка, на которую наносят компоненты гетероструктуры, и вращающийся столик, на котором размещены образцы напыляемых материалов, установлены в вакуумной камере. Режим работы установки задается блоком управления.

Подложка пре|дставляет собой монокристалл или любую многослойную структуру, поверхность которой соответствует сечению монокристалла. Подложка и образцы напыляемых материалов могут быть металлами, полупроводниками или диэлектриками. Один из образцов представляет собой любой из известных материалов, образующих аморфные или мелкодисперсионные поликристаллические, т. е. неориен791114 тированные, п. енки. Постоянные решеток остальных материалов близки друг к другу.

Сущность способа заключается в следующем.

В зависимости от требуемой толщины неориентированной пленки первым или вторым лазером ка ориентирующую подложку напыляют пленку из аморфно;о или мелкодисперсного поликристаллического материала. Затем излучением второго лазера с интенсивностью 109 BT/см2 из материала, постоянная решетки которого близка постоянной решетки подложки, создают плазменный факел, в котором грисутствуют быс1рые ионы с энергией (1 — 5) 10 эВ.

Эти ионы пронизывают неориентированную прослойку, образуя в подложке точечные дефекты типа вакансий, однозначно связанные с узлами кристаллической решетки и живущие в приповерхкостном слое — lu " с. Кулоновские поля дефектов оказывают ориентирующее действие на рост пленки из конденсата, поступающего на поверхность подложки вслед за i;o Tîêîì быстрых ионов. Скорость поступления конденсата должна быть такой, чтобы за время существования дефектов обеспечить образование пленки толщиной монослоя. т. е. — 10" А/с. В установке, использующей в качестве источника высокоэнергети ных частиц второй лазер с модулированной добротностью, конденсат поступает из медленной части плазменного факела, формируя таким образом в течение одного лазерного импульса на неориентированной пленке ориентированную монокрисо таллическую пленку толщиной (5 — 10) A.

Необходимое для ориентированного роста эпитаксиальной пленки количество дефектов в подложке задают плотностью потока высокоэнергетичных частиц. Плотность потока высокоэнергетичных частиц можно регулировать, изменяя интенсивность лазерного излу чения на поверхности образца. При необходимости толщину эпитаксиальной пленки увеличивают, напыляя на нее с помощью первого и второго лазера пленку из того же материала.

При изготовлении многослойной структуры на нее снова наносят неориентированную пленку и т. д. Толщину пленок варьируют использованием на различных этапах изготовления гетер оэпитакси альных структур либо первым, либо вторым лазером. Однако после нанесения неориентированной пленки обязательно должно быть облучение ее потоком высокоэнергетичных частиц, источником которых в описанной установке является второй лазер, работающий в режиме модулированной добротности.

Способ .позволяет изготовить многослойные структуры из;монокристаллически.; металлических или полу1п роводниковых

H.Iи диэлектрических слоев с прослойками из аморфного или мелкодисперсионного noJIIiKpHcT3ëëH÷ññêîãо материала, а также любую комбинацию металлических, диэ IeKTpHHBLKHx .и,полупроводниковых слоев при использовании веществ с одинаковым шагом (одинакозыми постоянными) кристалличе=ких решеток. Использование лаIII зера с модулированной добротностью позволяет получить м,югослойные структуры, состоящие из монокристаллических слоев порядка мопослоя.

Предлагаемым способом возможно изготовлять многослойные твердотельные приборы, в которых разделенные,неориентироBBH IbIvIH IIJIeHKBIiH барьерные H прОводящие слои выполнены из одного и 1ого же материала. Возможность изготовления ба20 р.ерных и проводящих слоев,из одного и того же материала обусловлена зависимостью ширины запрещенной зоны Е „от

-олщины L сверхтонких пленок:

jI-z25

2пг /- где Е, — ширина запрещенной зоны массивного материала;

m — эффективная масса носителей

30 тока;

Л вЂ” .постоянная Планка.

Многослойные периодические структуры, в которых барьерные,и проводящие слои выполнены из одного материала, являются структурами нового типа. Экспериментальные исследования этих структур выявили в оптических свойствах и вольтамперных характеристиках особенности, характерные для структур типа «сверхрешеток» (традиционно под «сверхрешеткой» понимают кристаллическую сгруктуру, состоящую из гетероэпитаксиальных слоев двух полупроводников с различными электрофизическими свойствами) .

Изготовлены и исследованы структуры, проводящие слои которых выполнены из материала группы = ivv (например

1п, Sb) или из материала группы Aiv8yi с (PbTe) толщиной 50 — 100 А, а барьерные слои — из того же материала толщиной

15А. В качестве материала для неориентированных пленок в .различных структурах использовались углерод, теллур, селен и германии; толщина неориентированных о пленок составляла 5 — 10А. Изготовлены и исследованы также структуры, представляющие собой систему эквидистантных монокристаллических слоев,из материалов групп А .- ;-i или -,l Б и.- и .из висмута, разделенные барьерными слоями из неорио ентировачных пленок толщиной 5 — 15 A.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет изготовить эпитаксиальные яле791114

Фор мул а Hзоб ретени я

Составитель А. Шубин

Техред Л. Куклина

Редактор С. Титова

Корректор С. Файн

Заказ 25/33 Изд. № 104 Тираж 757 ПодписноеНПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент» ночные спруктуры, в том числе и мноп ослойные периодические структуры на основе сверхтонких монокристаллических пленок, используя не только разнородные материалы с одинаковыми кристаллическими

;решетками, но и практически любой один ,материал;как в качестве барьерного, так и проводяшего слоев. Это не только упрощает технологию изготовления приборов, но и позволяет создавать приборы нового тиma.

Способ изготовления эпитакаиальных лленочных структур путем нанесения на монюкристаллическую подложку .неориенти:рованной пленки, на которую затем наносят вторую пленку, эпитаксиальную подложке, о тл и ч а ю щ ий ся тем, что, с целью получения многослойных структур и: расширения класса .ислользуемых материалов, перед нанесением эпитаксиальной плении подложку с нанесенной,на .нее неориентированной пленкой облучают высокоэнергетическими частицами, нреимущественно быстрыми иона|ми лазерной плазмы с энерпией (1 — 6) 10з эВ.

Источники;информации, принятые во .внимание при экспертизе:

1. Chang L. L., Esaki L., Howard W, Е.

15 «The Growth of à GaAs — GaAIAsSuperlat-tce». Vac. Sce. Technol, 1973, 10, 11, р р.

11 — 16.

2. Патент ФРГ № 2535813, кл. Н О1 1..

21/20, опублик. 1976 (арототип).