Спосіб виготовлення епітаксійних шарів inp методом газотранспортних реакцій

Реферат: Спосіб виготовлення епітаксійних шарів InP методом газотранспортних реакцій включає використання як джерела елемента третьої групи - індію, а як джерела елемента п'ятої групи трихлорид фосфору з наступним відновленням його у високотемпературній зоні (750-820 °С) до фосфору та утворення тут хлориду індію, які транспортують у низькотемпературну зону (690710 °С), кристалізують на підкладці у вигляді InP. Індієве джерело попередньо відпалюють при температурі 950±25 °С впродовж не менше 14 годин з додаванням ітербію в кількості 0,04-0,09 ат. % та алюмінію в кількості 0,008-0,01 ат. %. UA 73666 U (54) СПОСІБ ВИГОТОВЛЕННЯ ЕПІТАКСІЙНИХ ШАРІВ InP МЕТОДОМ ГАЗОТРАНСПОРТНИХ РЕАКЦІЙ UA 73666 U UA 73666 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до технології напівпровідникових матеріалів, зокрема до отримання епітаксійних шарів ІnР, і може бути використана в електронній техніці при виготовленні діодів Гана та фотоприймачів. Джерелом фонових домішок, які потрапляють в епітаксійні шари в процесі кристалізації, є компоненти шихти, технологічні гази та оснастка. Індій марки 99,9999 є основним компонентом шихти, з якого формується джерело елемента третьої групи в газофазній епітаксії шарів InP. Основними фоновими домішками, що потрапляють в епітаксійні шари з індію є сірка, олово, 16 -3 залізо, телур і сумарна їх кількість може досягати значної величини - (3-7)·10 см . Для того, щоб запобігти попаданню цих домішок в епітаксійну плівку необхідно вживати заходи, які б обмежували утворення летких хлоридів цих елементів, здатних через газову фазу потрапляти в зону осадження плівки фосфіду індію і вбудовуватись в його кристалічну решітку. Якщо такий процес відбувається достатньо інтенсивно, то кристалізовані шари ІnР характеризуються низькою рухливістю. До простих і достатньо ефективних засобів слід віднести введення хімічно активних елементів, здатних утворювати нелеткі хімічні сполуки в індієвому розплаві із фоновими неконтрольованими домішками. Відомий спосіб отримання шарів ІnР методом газотранспортних реакцій (Akira Usui, Hisatsune Watanabe. High-purity InP grown by hydride VPE technique with impurity gettering by indium source and oxygen. Journal of Electronic Materials, vol. 12, No.5, 1983, p. 891-902, p. 892), згідно з яким епітаксійний шар ІnР кристалізується в системі Іn-РН3-НСl-Н2. Одним із недоліків цього способу є використання токсичних та хімічно агресивних сполук, таких як фосфін (РН 3), які утруднюють проведення технологічних процесів. Іншим недоліком є те, що отримання епітаксійних шарів InP з низькою концентрацією фонових домішок та високою рухливістю електронів вимагає точного контролю вмісту кисню в парогазовій суміші в інтервалі 1-10 ррт. Крім того, найнижча концентрація електронів, яка досягається згідно з цим способом, при 15 -3 температурах кристалізації 880 °С, не менша від 1·10 см , що принаймні на два порядки більша від концентрації електронів у "чистому" некомпенсованому InP. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є спосіб отримання епітаксійних шарів InP методом газотранспортних реакцій (P.Vohl. Vapor-phase epitaxy of GalnAsP and InP. Journal of Crystal Grown, vol. 54, Issue 1, July 1981, pages 101-108), в якому суміш Р4 з НСl, що утворюють при взаємодії трихлориду фосфору з воднем, при високій температурі (750-820 °С) реагує з твердотільним джерелом InP, в результаті чого отримують парогазову суміш монохлоридів елементів III групи з елементами V групи. При пониженні температури до ~700 °С реакція зміщується в бік виділення твердої фази. Проте, цей спосіб кристалізації не дозволяє отримувати епітаксійні шари InP з низьким ступенем компенсації та високою рухливістю, близькою до теоретично можливої (~45000 см/В·с при 300 К). В основу корисної моделі поставлена задача розробити спосіб виготовлення епітаксійних шарів InP, який би дозволив підвищити рухливість електронів до значень близьких до теоретично можливої межі для InP. Поставлена задача вирішується шляхом виготовлення епітаксійних шарів InP методом газотранспортних реакцій, що включає використання як джерела елемента третьої групи - індію, а як джерела елемента п'ятої групи - трихлорид фосфору з наступним відновленням його у високотемпературній зоні (750-820 °С) до фосфору та утворення тут хлориду індію, які транспортують у низькотемпературну зону (690-710 °С), кристалізують на підкладці у вигляді InP і, згідно з кориcною моделлю, індієве джерело попередньо відпалюють при температурі 950±25 °С впродовж не менше 14 годин з додаванням ітербію в кількості 0,04-0,09 ат. % та алюмінію в кількості 0,008-0,01 ат. %. Реалізація запропонованого способу пояснюється нижче наведеними експериментальними результатами дослідження електрофізичних властивостей шарів InP та описом механізму очистки індієвої шихти, що була піддана високотемпературному відпалу в присутності ітербію та алюмінію. Основними фоновими домішками в індієвих розплавах є сірка, олово, залізо, телур. Як донор поводить себе в InP і кисень. Джерелом кисню може бути кварцовий реактор, оскільки вже при температурі 800 °С відбувається достатньо інтенсивна взаємодія кварцу із парами соляної кислоти, яка є продуктом реакції взаємодії атомарного хлору із воднем. Введення ітербію у розплав індію приводить, при високих температурах, до взаємодії останнього із киснем, сіркою, оловом, залізом, телуром та іншими фоновими домішками з утворенням малорухливих комплексів у розчині-розплаві. Завдяки цьому зменшується кількість цих елементів, які можуть утворювати леткі хлориди і переноситись через газову фазу в 1 UA 73666 U 5 10 низькотемпературну зону осадження, потрапляючи в епітаксійний шар, що кристалізується. Наслідком цього є зменшення концентрації електронів та підвищення їх рухливості. Додавання алюмінію в індієвий розплав сприяє його додатковому очищенню, особливо від фонового кисню. Цей ефект зумовлений високою хімічною реакційною здатністю алюмінію щодо кисню. В розплаві залишається в надлишковій кількості Yb, не витрачений на утворення оксидів. Надлишковий Yb може вступати в хімічну реакцію з іншими фоновими домішками (сірка, кисень, олово, залізо, телур). Ефект вивільнення Yb надзвичайно важливий, оскільки при концентраціях Yb більших від 0,06 ат. % останній може впливати на стабільність транспортної реакції перенесення хлориду індію із зони джерела в зону росту, погіршуючи однорідність та морфологію поверхні епітаксійних шарів InP. В таблиці приведені дані, отримані на основі вимірювання концентрації та рухливості електронів дослідних зразків n-InP, які вирощені методом газотранспортних реакцій в системі ІnРСl3-Н2 з використанням індієвого джерела з додаванням ітербію та алюмінію, що піддавали попередньому відпалу при температурі 950±25 °С впродовж 14 годин. 15 Таблиця Концентрація та рухливість електронів в дослідних зразках n-InP № Концентрація Yb в Концентрація Аl в In, зразка In, ат. % ат. % 1 2 0,01 3 0,03 4 0,04 5 0,05 6 0,06 7 0,09 8 0,097 9 0,06 0,007 10 0,06 0,008 11 0,06 0,009 12 0,06 0,01 13 0,06 0,012 20 25 30 35 40 Електрофізичні параметри шарів n-InP -3 2 n, см μ, см /В·с 17 3 5·10 2,3·10 17 3 3·10 2,5·10 16 3 7·10 2,7·10 16 3 2·10 2,9·10 15 3 4·10 3,1·10 15 3 1·10 3,4·10 14 3 8·10 3,0·10 14 3 9·10 2,7·10 14 3 9·10 3,62·10 14 3 8,4·10 3,8·10 14 3 5·10 4,15·10 14 3 3,2·10 3,5·10 14 3 2,1·10 3,0·10 Як видно із таблиці, вирощування епітаксійних шарів n-InP методом газотранспортних реакцій з використанням індієвого джерела з додаванням ітербію та алюмінію дозволяє, при оптимальних концентраціях ітербію та алюмінію, досягнути підвищення рухливості електронів приблизно в 1,5 разу у порівнянні із способом, описаним в прототипі. Вибір мінімальної кількості ітербію в індієвому джерелі зумовлений тим, що при концентраціях ітербію, менших від 0,04 ат. % значення концентрації та рухливості, незначно відрізняються від тієї, що приведена в прототипі. Вибір максимальної кількості ітербію в індієвому джерелі визначається тим, що при концентраціях ітербію, більших від 0,09 ат. % рухливість електронів, є близькою до тієї, яка досягається в прототипі, а крім того, суттєво погіршується морфологія поверхні епітаксійного шару настільки, що утруднюється проведення вимірювань електрофізичних параметрів з використанням методики ефекту Холла. Вибір мінімальної кількості алюмінію зумовлений тим, що при концентраціях, менших від 0,008 ат. %, його вплив на зв'язування фонових домішок (в основному кисню) є незначний. При кількостях алюмінію, що перевищує 0,01 ат. % в розплаві індію, можливим є утворення твердих розчинів ІnАlР, ширина забороненої зони та параметр ґратки яких вже істотно відрізняється від параметрів, властивих InP, а це спричиняє додаткові труднощі при формуванні ізоперіодичних з підкладкою InP епітаксійних структур. Крім того, зменшується рухливість електронів в InP. Вибір температури відпалу індієвого джерела InP Т в=950±25 °С зумовлений тим, що при 890 °С всі компоненти, а також подвійна сполука Ybln2 (Тпл YbIn2=890° С), яка утворюється внаслідок взаємодії індію з ітербієм, знаходяться в рідкому стані і тому не утворює двофазного розчину, в якому погіршується взаємодія ітербію із фоновими домішками (переважно з хімічними елементами шостої групи) (Cirafici S., Fornasini M.L. Crystal Strukture of phases of hte Yb-Ga 2 UA 73666 U 5 10 15 20 System in the range 20-32 at. % Yb // Journal of the Less-Common Metals. - 1990. - V. 163. - P. 331338). Приклад конкретного виконання. Наведемо приклад виконання способу виготовлення епітаксійних шарів InP методом газотранспортних реакцій. В наважку індію, яку використовують як джерело в газофазній епітаксії шарів InP, додають 0,06 ат. % ітербію та 0,009 ат. % алюмінію і відпалюють в атмосфері водню з точкою роси не нижче -70 °С при температурі 950±25 °С впродовж не менше 14 годин. В реакторі для проведення процесів газофазної епітаксії розміщують підкладку InP і проводять технологічний процес згідно з стандартним технологічним режимом епітаксії шарів InP в системі Іn-РСl3-Н2. Температура джерела становила 750 °С, а температура кристалізації - 800 °С. Час нарощування епітаксійного шару InP становив 2,5 години. 14 -3 На поверхні підкладки кристалізували шар InP з концентрацією 5·10 см та рухливістю 3 2 електронів 4,15-10 см /В·с. Перевагою способу є можливість формування простими засобами (введення ітербію та алюмінію у розплав індію) нелегованих епітаксійних шарів InP з низькою фоновою концентрацією електронів та високою рухливістю. Розроблений спосіб виготовлення епітаксійних шарів InP методом газотранспортних реакцій в системі Іn-РСl3-Н2 може бути використаний при отриманні структур для діодів Гана та фотоприймачів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Спосіб виготовлення епітаксійних шарів InP методом газотранспортних реакцій, що включає використання як джерела елемента третьої групи - індію, а як джерела елемента п'ятої групи трихлорид фосфору з наступним відновленням його у високотемпературній зоні (750-820 °С) до фосфору та утворення тут хлориду індію, які транспортують у низькотемпературну зону (690710 °С), кристалізують на підкладці у вигляді InP, який відрізняється тим, що індієве джерело попередньо відпалюють при температурі 950±25 °С впродовж не менше 14 годин з додаванням ітербію в кількості 0,04-0,09 ат. % та алюмінію в кількості 0,008-0,01 ат. %. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3