Материал: Выращивание эпитаксиальных слоев арсенида галлия методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений Описание лабораторной работы
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.И. ЛОБАЧЕВСКОГО
Научно-исследовательский физико-технологический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского
ВЫРАЩИВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ МЕТОДОМ ГАЗОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ ИЗ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Описание лабораторной работы
Составители: с.н.с. НИЧ ННГУ, к.ф-м.н. Байдусь Н.В. вед.н.с. НИФТИ, к.ф-м.н. Звонков Б.Н.
Нижний Новгород, 1999
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................... |
3 |
I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭПИТАКСИИ..................................................................... |
4 |
II. МЕТОДИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЁВ |
|
GAAS МОС-ГИДРИДНЫМ МЕТОДОМ ........................................................................ |
6 |
2.1. Физико-химические основы ГФЭ МОС........................................................................................................ |
6 |
2.2. Влияние условий роста на структуру и морфологию слоев. ..................................................................... |
8 |
2.3. Технологическая установка для эпитаксии слоев и методика эпитаксиального выращивания |
|
пленок ......................................................................................................................................................................... |
9 |
ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................... |
15 |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ...................................................................................... |
15 |
2
ВВЕДЕНИЕ
Эпитаксиальный рост монокристаллических слоев полупроводников из газовой фазы широко используется в технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем. Прогресс в твердотельной электронике в значительной степени связан с использованием многослойных квантово-размерных гетероструктур с квантовыми ямами (КЯ) и квантовыми точками (КТ), которые формируются из материалов с различной шириной запрещенной зоны.
В настоящее время существуют два основных технологических метода эпитаксии, позволяющие формировать многослойные структуры со сверхтонкими слоями. Это молекулярно-лучевая и газо-фазная эпитаксия, в том числе с использованием металлоорганических соединений (МОС) и гидридов (ГФЭ МОС). Второй метод выгодно отличается от первого тем, что не требует дорогостоящего оборудования, обладает высокой производительностью. Достоинствами МОСГЭ являются также необратимость химических реакций, лежащих в его основе, и отсутствие в парогазовой смеси химически активных с растущим слоем компонент. Это позволяет проводить процесс эпитаксии при сравнительно низких температурах роста и осуществлять прецизионную подачу исходных веществ, что позволяет обеспечить контролируемое легирование слоев и получение структур в широком диапазоне составов твердых растворов с резкими концентрационными переходами.
К недостаткам МОС-гидридного метода можно отнести высокую токсичность используемых исходных соединений, в первую очередь арсина, а также сложность химических процессов, приводящих к образованию слоя GaAs, что затрудняет моделирование условий образования эпитаксиальных слоев с нужными свойствами.
Цель данной лабораторной работы состоит в:
-ознакомлении студентов с физико-химическими основами эпитаксиального роста методом МОСГЭ,
-получении практических навыков работы с технологическим оборудованием и полупроводниковыми материалами.
3
I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭПИТАКСИИ
Эпитаксия — это ориентированное нарастание одного кристалла на другой. Термин происходит от греческих слов επι — на и τα ξ ισ — упорядоченность. Закономерность нарастания состоит в совпадении определенных, обычно кристаллографически простых, плоскостей и направлений нарастающего кристалла и кристалла-подложки. Различают автоэпитаксию, когда растущий кристалл и подложка имеют одинаковый химический состав и структуру, и гетероэпитаксию, когда они разные. Эпитаксия чаще всего имеет место при сравнительно небольших (≤ 10%) различиях параметров решеток. Однако ориентированное нарастание происходит и при разнице параметров, составляющих десятки процентов. При большом несоответствии параметров решетки всегда сохраняется, однако, соответствие плотноупакованных плоскостей и направлений в них.
В основу современной классификации различных механизмов гетерогенного образования зародышей и эпитаксии (таблица 1) положена величина ∆ α - изменение поверхностной энергии системы. Чем прочнее адгезия кристалла на подложке, тем
меньше ∆ α , тем меньше работа образования зародышей δ Фc и тем меньшее отклонение
от равновесия химического потенциала ∆ |
требуется для его появления. Величину ∆ α |
можно выражать через энергию связей: |
|
∆ α = 2α − α s = (ε 1 − ε s ) / a2 , |
|
где ε s - энергия адсорбции, α s - свободная энергия адгезии, ε 1 - энергия связи |
|
между ближайшими соседями в кристалле. |
Разность ε 1 − ε s в атомистической теории |
определяет все главные характеристики процесса зарождения.
В зависимости от ∆ α различают три основных механизма гетероэпитаксиального выращивания (см. табл. 1). Мы рассмотрим два крайних случая: механизм Франка— ван-
дер-Мерве ( 2α < α s ) и механизм Фольмера — Вебера ( 2α > α s ).
4
Таблица 1. Механизмы эпитаксии и их характеристики. |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Франк — ван-дер-Мерве |
|
∆ α <0 или |
ε 1 − ε s < ∆ < 0, |
||
(сильная адгезия, полное смачивание) |
|
|
2a<α s |
|
недосыщение |
|
|
|
|
|
относительно |
|
|
|
|
|
макрофазы |
|
|
|
|
|
|
Странский — Крастанов |
Первые слои: |
Первые слои: |
|||
∆ α |
<0 |
|
∆ <0 |
||
|
|
||||
|
Трехмерные |
Трехмерные |
|||
|
кристаллы: |
кристаллы: |
|||
|
|
∆ α |
>0 |
∆ >0 |
|
|
|
|
|
|
|
Фольмер — Вебер |
∆ α |
> |
0 |
или |
∆ > 0 |
(слабая адгезия) |
∆ α |
> |
α |
s |
|
Механизм Франка — ван-дер-Мерве характерен для пар конденсат— подложка, отличающихся столь прочной адгезией, что энергия связи кристалл— подложка больше
энергии связи между атомами кристалла, |
ε s > ε 1 . |
В этом случае полного смачивания |
|||||||||
∆ α < 0 |
|
образование |
одного |
или |
нескольких |
слоев конденсата на подложке |
|||||
термодинамически |
выгодно, |
даже |
если |
пар |
недосыщен, точнее, при условии |
||||||
− Ω |
|
∆ α |
|
/ a ≈ |
ε 1 − ε s < |
∆ µ |
< 0 , где Ω - |
объем, приходящийся на один атом в кристалле. |
|||
|
|
||||||||||
Работа δ Фc |
образования зародышей на подложке невелика. |
||||||||||
При нарастании по Франку — ван-дер-Мерве межатомные расстояния a в атомных сетках конденсата и подложки, параллельных границе раздела, оказываются в точности одинаковыми. Другими словами, пленка конденсата либо растянута, либо сжата в плоскости подложки. Соответственно в направлении, перпендикулярном этой плоскости, пленка будет сжата или растянута, причем эта деформация определяется в первом приближении уравнениями теории упругости и величиной коэффициента Пуассона. Если отвлечься от этой последней деформации, то можно сказать, что атомы конденсата укладываются в решетку подложки, надстраивая ее и образуя псевдоморфный слой.
5