Материал: Выращивание эпитаксиальных слоев арсенида галлия методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений Описание лабораторной работы

металлоорганические соединения (например, триметилгаллий (ТМГ) для синтеза GaAs и триметилиндий (ТМИ) для InP или InGaP). В качестве источников элементов V группы служат газы арсин и фосфин.

Суммарной реакцией формирования арсенида галлия в МОС-гидридном процессе является реакция типа

Ga(CH3)3+AsH3→ GaAs(тв)+3CH4↑ ,

которая протекает с образованием множества промежуточных соединений. Как правило, процесс пиролиза (разложения) проводят при атмосферном давлении в потоке водорода, реже - при пониженном давлении.

Процесс разложения молекулы ТМГ протекает в несколько стадий, при которых последовательно удаляются алкильные группы. Введение водорода приостанавливает полный распад метильных радикалов (-CH-) и приводит к образованию метана:

2CH3+H2→ 2CH4

Это обстоятельство является благоприятным фактором, снижающим концентрацию свободного углерода в твердом осадке. Этому способствует и пиролиз (термическое разложение) арсина, в результате которого выделяется химически активный атомарный водород.

В зависимости от места, где происходит разложение соединений, возможны два механизма пиролиза – гомогенный и гетерогенный.

При гетерогенном механизме пиролиза химические реакции разложения соединений и синтеза полупроводникового материала происходят на поверхности подложки. Поверхность подложки достигают как молекулы, так и радикалы галлия (или индия). Адсорбируясь на поверхности подложки, они вступают в гетерогенную реакцию с адсорбированными молекулами арсина

Ga(CH3)3(адс)+AsH3 (адс)→ GaAs(тв)+CH4↑

или

GaCH3(адс)+As(адс)+H(адс)→ GaAs(тв)+CH4↑ .

При гомогенном механизме пиролиза все химические реакции происходят в газовой фазе: соединения ТМГ и AsH3 образуют комплексы, которые при нагреве вследствие перемешивания газа при движении вдоль реактора образуют кластеры GaAs. Последние диффундируют к поверхности подложки, адсорбируются и встраиваются в кристаллическую решетку.

Преобладание того или иного механизма пиролиза зависит от конкретных условий: конструкции реактора, скорости газового потока, концентрации исходных веществ и материала подложки.

7

При изучении сложного процесса гетерогенных химических реакций разделяют перенос вещества в газовой фазе (диффузионная стадия) и процессы на растущей поверхности (кинетическая стадия). Стадия переноса включает доставку реагирующих веществ к растущему кристаллу и удаление продуктов реакции в газовую фазу. К процессам на поверхности относятся адсорбция реагирующих веществ, их химическое взаимодействие на поверхности, т.е. собственно реакция, и десорбция продуктов реакции.

При сравнительно низких (~500 0С) температурах, когда скорость химических реакций невысока, скорость роста лимитируется термическим разложением химических соединений на поверхности, процесс протекает в кинетическом режиме. При сравнительно высоких температурах (>600 0С) происходит переход к диффузионному режиму, в котором скорость реакции ограничена скоростью доставки разлагаемых соединений к подложке.

2.2. Влияние условий роста на структуру и морфологию слоев.

Основными морфологическими элементами ростового рельефа слоев арсенида галлия являются ступени роста и фигуры роста. Образование фигур роста следует рассматривать как нарушение слоевого механизма роста, характерного для основной матрицы пленки.

При низких температурах роста (Тр) эпитаксиальные слои имеют, как правило, большие нарушения структуры и плохую морфологию поверхности. Повышение температуры подложки от 500° С до 670° С приводит к их улучшению. Это связано с несколькими факторами: увеличением скорости поверхностной диффузии реагентов или их комплексов, усилением десорбции метильных групп с поверхности растущего слоя и увеличением скорости пиролиза арсина. При дальнейшем увеличении Тр структура и морфология эпитаксиального слоя ухудшается вследствие интенсивной десорбции атомов Ga и As с его поверхности.

Важную роль оказывает влияние отношения As/ТМГ (γ ). При больших значениях γ и высоких температурах роста вхождение фоновой примеси в слои GaAs определяется вакансиями галлия. При малых значениях γ и низких температурах роста – вакансиями мышьяка. Поэтому при больших γ и высоких Тр слои растут n-типа проводимости, в противоположном случае – p-типа проводимости. Таким образом, вакансии мышьяка, капли галлия или комплексы Ga и As на поверхности роста ответственны за высокую плотность фигур росёта и дислокаций при малых значениях γ и низких Тр.

8

2.3. Технологическая установка для эпитаксии слоев и методика эпитаксиального выращивания пленок

Выращивание эпитаксиальных слоев арсенида галлия производится на установке, схема которой представлена на рис. 3. Установка включает в себя следующие основные части:

-реактор, в котором располагается пьедестал с подложкой,

-систему напуска реагентов, обеспечивающую их дозированную подачу в реактор,

-систему откачки и утилизации реагентов.

Реактор представляет собой кварцевую горизонтально расположенную трубу диаметром 50 мм и длиной 0.5 м. Нагрев подложки, размещенной внутри реактора на графитовом наклонном пьедестале, осуществляется внешним резистивным нагревателем. При таком способе нагрева создаются изотермические условия для нагрева газовой смеси в зоне осаждения. Чтобы обеспечить однородность растущего слоя по всей поверхности, в процессе роста подложка вращается вокруг оси, перпендикулярной к ней.

Система напуска реагентов включает в себя баллоны с водородом, арсином, фосфином, термостатируемые барбатеры с триметилгаллием, триметилиндием, блок диффузионной очистки водорода, стабилизаторы давления газов (редукторы), регуляторы расхода газов, а также запорные краны и краны тонкой регулировки потока газов. Основные детали системы напуска реагентов изготовлены из нержавеющей стали.

Изменение концентрации ТМИ и ТМГ в реакторе осуществляется путем изменения потока водорода через соответствующий барбатер. Парциальное давление этих соединений внутри барбатера определяется температурой термостатирования барбатера.

Для вакуумирования реактора применяется форвакуумный насос типа 2НВР-5ДМ, обеспечивающий остаточное давление атмосферных газов порядка 10-2мм.рт.ст.

Подготовка реактора. Перед экспериментом кварцевый реактор травят в смеси азотной и плавиковой кислот с целью удаления слоя арсенида галлия и мышьяка, осажденного на стенках реактора в процессе предыдущего синтеза, после чего тщательно промывают бидистиллированной водой и ацетоном марки ОСЧ. Затем реактор устанавливается на установку, откачивается форвакуумным насосом до давления 10-2

мм.рт.ст. и отжигается в потоке водорода при температуре, на 100° С превышающей температуру роста, в течение часа с целью удаления остаточных загрязнений, а также следов воды и ацетона.

9

Рис. 2. Схема установки МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении.

Подготовка подложек. Пластины арсенида галлия, использующиеся в качестве подложек, подвергаются глубокому химическому полирующему травлению для удаления

10