Спосіб одержання епітаксійних шарів арсеніду галію на кремнієвих основах рідкофазною епітаксією

Предлагаемое техническое решение относится к технологии полупроводниковых материалов, а именно, к способам гетероэпитаксиального выращивания арсенида галлия на кремнии и может быть использовано при получении эпитаксиальных стр уктур для изготовления полупроводниковых приборов. Известен способ получения эпитаксиального слоя арсенида галлия на кремнии через переходной слой твердого раствора (Ge2)xGa As 1-x (Абрамов А.В., Дерягин Н.Г., Долганоа А.В. и др. Жидкофазная эпитаксия GaAs на Si // Те х. дохл. I Всесоюзн. конф. по физич. основам твердотельной электроники. - Л., 1989. - Т.В. - С.164 - 165). Однако этим способом получить резкий гетеропереход GaAs/Si невозможно. Известен также способ жидкофазной эпитаксии GaAs на Si (Zolper J.C., Barnett A.M. Ga As solar cells on Si by solution growth // "19IEEE Photovoltaic Spec. Conf., New Orleans, La, May 4 - 8, 1987, Conf. Rec." - New York, 1987. P.525 - 529), включающий маскирование подложки Si, выращивание жидкофазной эпитаксией слоя германия на подложке Si через окна маски, создание маски не поверхности эпитаксиального германия и выращивание из жидкой фазы GaAs на маскированной поверхности германия. Однако, несмотря на хорошее качество GaAs, получаемое в таком процессе, резкий гетеропереход GaAs/Si таким образом получить невозможно и процесс усложняется применением фотолитографии. Известен также способ жидкофазной эпитаксии GaAs на Si (Sakai Shiro, Chang S.S., Matyi R.J., Shichijo H. Selective LPE growth kinetics of GaAs on MBE-grown GaAs on Si // Proc. Sa Photo-Opt. Instrum. Eng. - 1988. - 944. - P.6 9), в котором слой GaAs осаждается на выращенный молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ), промежуточный слой GaAs на подложке Si. Этот способ технически сложен из-за применения дорогостоящего оборудования для МЛЭ и использования двухстадийного роста МЛЭ - жидкофазная эпитаксия. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения эпитаксиальных слоев в процессе зонной перекристаллизации гравитационным полем (Литвин А.А., Марончук И.Е. Особенности выращивания эпитаксильных слоев из ограниченного объема раствора-расплава // Кристаллография. -1977. - Т.22. - №2. - С.425 - 428 - прототип), включающий заполнение раствором-расплавом промежутка между пластинойисточником арсенида галлия и подложкой арсенида галлия и периодические колебания температуры относительно температуры насыщения без общего снижения температуры. Данный способ позволяет выращивать эпитаксиальные слои полупроводниковых соединений в изотермических условиях. Однако получение сплошных эпитаксиальных слоев GaAs на кремнии этим способом невозможно из-за низких пересыщений кристаллизуемого компонента в процессе эпитаксии. В основу настоящего изобретения положена задача создать способ получения эпитаксиальных слоев арсенида галлия, который позволит получить сплошной эпитаксиальный слой арсенида галлия на кремнии из жидкой фазы. Поставленная задача достигается тем, что для получения эпитаксиальных слоев арсенида галлия на кремниевой подложке зазор между пластиной-источником арсенида галлия и подложкой заполняют раствором арсенида галлия и кремния в расплаве галлия и кристаллизацию слоев производят при периодическом колебании температуры путем охлаждения и последующего нагрева. Отличительными особенностями предлагаемого технического решения является то, что подложку кремния располагают над пластиной-источником при величине зазора между ними 0,8 - 1,2мм, кристаллизацию ведут от начальной температуры 700 - 800°C со скоростью охлаждения 1,0 - 1,5°C/мин и скоростью нагрева 0,3 - 0,5°C/мин в пределах одного периода колебаний при разности температур начала и окончания каждого периода равной 7 - 10°C. Поскольку указанные отличительные признаки отсутствуют у прототипа, предлагаемое техническое решение отвечает критерию "новизна". Предлагаемый способ основан на экспериментально обнаруженном факте появления больших пересыщений в кристаллизующемся при охлаждении с периодическими колебаниями температуры растворе-расплаве Ga-GaAs-Si, заключенном между подложками GaAs и Si. Схема расположения подложек приведена на фиг.1. Здесь 1 - подложка кремния, 2 - раствор-расплав Ga-GaAsSi, 3 - пластина-источник GaAs. При использовании режима охлаждения с периодическими колебаниями температуры на начальном этапе охлаждения на кремниевой подложке растет эпитаксиальный слой кремния, а на пластине GaAs - арсенида галлия. На каждом этапе подъема температуры происходит обогащение растворарасплава арсенидом галлия, эпитаксиальный слой кремния при этом растворяется незначительно, т.к. из-за расслоения область раствора-расплава, соседствующая с кремниевой подложкой, обогащена кремнием. При многократном повторении участков снижения и подъема температуры из-за постоянной подпитки растворарасплава мышьяком из пластины - источником GaAs на определенном этапе охлаждения пересыщение по мышьяку у подложки кремния становится сравнимым с пересыщением по кремнию и начинается осаждение "островков" GaAs на поверхности эпитаксиального кремния. При дальнейшем снижении температуры происходит разращивание "островков" GaAs до образования сплошного слоя арсенида галлия на кремниевой подложке. Температурновременной график процесса получения эпитаксиальных слоев GaAs на кремниевой подложке приведен на фиг.2. Здесь Tн.э. и Tк.э. - температуры начала и окончания эпитаксии соответственно. Выбор верхнего предела для температуры начала эпитаксии не более 800°C был ограничен значительным ростом растворимости кремния в галлия при T > 800°C, в результате чего процесс эпитаксии непроизводительно удлинялся. При температурах начала эпитаксии ниже 700°C из-за малой растворимости GaAs в галлии не удавалось получение сплошных слоев GaAs на кремнии. Толщина раствора-расплава выбирается в пределах 0,8 - 1,2мм, т.к. при толщине раствора-расплава менее 0,8мм даже в условиях больших пересещений по мышьяку осаждение арсенида галлия происходит преимущественно на пластине GaAs, на кремниевой подложке при этом кристаллизуются лишь отдельные "островки" GaAs. При толщине более 1,2мм начинается кристаллизация GaAs в объеме раствора-расплава, поэтому образующийся на кремниевой подложке слой арсенида галлия либо не сплошной, либо, при образовании сплошного слоя, высота отдельных пирамид роста в несколько раз превышает среднюю толщину слоя. Скорость охлаждения выбиралась не более 1,5°C/мин, чтобы предотвратить объемную кристаллизацию и не менее 1,0°C/мин, т.к. в этом случае процесс эпитаксии непроизводительно удлинялся. Скорость подъема температуры ограничивается требованием равномерного подтравливания выращенного на предыдущем этапе снижения температуры эпитаксиального слоя. Скорость подъема температуры более 0,5°C/мин не обеспечивает равномерность подтравливания эпитаксиального слой. Скорость подъема температуры менее 0,3°C/мии не существенно влияет на параметры выращиваемых слоев, а приводит к существенному удлинению процесса эпитаксии. Нижний предел разности температур начала и окончания каждого периода DTс.п. (фиг.2: DTс.п. = DTс . - DTп. , DTс. температурный интервал снижения, DTп. - температурный интервал подъема температуры) ограничен продолжительностью процесса эпитаксии. Меньшие разности величин приводят к непроизводительному удлинению цикла эпитаксии, при этом качество эпитаксиальных структур остается практически без изменений. Верхней предел DTс.п. = 10°C найден экспериментально, при DTс.п. > 10°C трудно обеспечить автоматическое регулирование процесса эпитаксии, что необходимо для реализации периодического изменения температуры при охлаждении. При выполнении описанных режимов эпитаксии создаются необходимые условия для образования "островков" GaAs на кремниевой подложке и их последующего разращивания до образования сплошного слоя. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию "существенное отличие". Пример реализации способа. Из раствора-расплава Ga-GaAs-Si (100г - 3,5г - 4,1г) при температуре начала эпитаксии 770°C принудительным охлаждением с колебаниями температуры DTс.п. = 9°C, скорость на участке снижения температуры 1,3°C/мин, на участке подъема 0,5°C/мин, ширина зазора между подложкой кремния и пластиной GaAs - 1,0мм) до 630°C получены слои GaAs на кремниевой подложке толщиной 5,7мкм. Слои сплошные, концентрация носителей заряда 1,5 × 1018см -3, плотность дефектов упаковки Nд.у. = 2 × 103см -2, плотность дислокаций Nд = 5 × 105см -2. Другие примеры, иллюстрирующие предлагаемый способ получения эпитаксиальных слоев GaAs на кремниевых подложках, приведены в таблице. Примеры 1, 2, 3 отражают соответственно нижние, средние и верхние значения параметров, 4 и 5 - запредельные значения параметров. Проведено 30 процессов по выращиванию GaAs на кремниевых подложках, в качестве которых использовали монокристаллические пластины КДБ-20, ориентированные для газофазной эпитаксии. Источником арсенидом галлия служили монокристаллические пластины АГН (100) с концентрацией электронов 1 - 3 × 1016см -3. Преимущество предлагаемого способа получения эпитаксиальных слоев арсенида галлия на кремниевых подложках состоит в применении простого в аппаратурном оформлении и высокопроизводительного метода жидкофазной эпитаксии для получения гетероструктур GaAs/Si для полупроводниковых приборов. Данный способ не требует специальной технологической оснастки и позволяет выращивать эпитаксиальные слои арсенида галлия на кремниевых подложках с электрофизическими характеристиками, близкими к параметрам гомоэпитаксиальных слоев GaAs.