Технологии изготовления наноструктур. Газофазная эпитаксия с использованием металлоорганических соединений

  Технологии изготовления наноструктур.  Газофазная эпитаксия с использованием металлоорганических соединений.

Газофазное эпитаксиальное наращивание на подложке монокристаллических слоев полупроводниковых веществ осуществляется из металлоорганических соединений в реакторе при пониженном давлении. Газофазная эпитаксия(процессам выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках) первоначально разрабатывалась для выращивания кремния и арсенида галлия(тройное соединение мышьяка с трехвалентными индием и галлием, соединение переменного состава GaAs), сейчас применяется для выращивания большинства полупроводниковых материалов, используемых в микро- и оптоэлектронике. В реакторе располагаются подложки (тонкие срезы монокристалла), к которым поступает газовая смесь. При выращивании кремния основным компонентом газовой смеси является тетрахлорид кремния SiCl4 или силан SiH4, при выращивании арсенидов и фосфидов — алкилы (одновалентные радикалы насыщенных углеводородов (алканов))соответствующих металлов (Ga(CH3)3, Al(CH3)3, Ga(C2H5)3, In(C2H5)3), а также арсин AsH3 и фосфин PH3. Газовая смесь при высокой температуре пиролитически(термически) разлагается вблизи поверхности роста, и элементы третьей группы(К III группе относятся бор, алюминий, галлий, индии, таллий (главная подгруппа), а также скандий, иттрий, лантан и лантаноиды, актиний и актиноиды (побочная подгруппа), Все элементы III группы обладают очень сильным сродством к кислороду, и образование их оксидов сопровождается выделением большого количества теплоты.) взаимодействуют с элементами пятой группы(азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут, в ряду элементов пятой группы металлические свойства нарастают по мере увеличения порядкового номера элемента ), образуя соединения AIIIBV. В результате происходит послойное формирование полупроводникового соединения. С помощью газовой эпитаксии выращивают гетероструктуры(выращенная на подложке слоистая структура из различных полупроводников) GaAlAs/GaAs с квантовыми ямами(потенциальная яма,ограничивающая движение частиц с 3х до 2х измерений,заставляя их двигаться в плоском слое) для инжекционных лазеров, гетероструктуры GaAs/GaAlAs с селективным легированием(процесс введения в состав материала (металла, сплава, полупроводника) определенных примесей), гетероструктуры с квантовыми точками(полупроводник,электр. Характеристики которого зависят от его размера и формы), широкозонные полупроводниковые материалы(К широкозонным полупроводникам относятся материалы с шириной запрещенной зоны близкой или превышающей 2.3 эВ) на основе GaN для изготовления синих и зеленых светодиодов и коротковолновых лазеров.

Методы газофазной эпитаксии, отличающиеся простотой и воспроизводимостью химических процессов осаждения тонких пленок, достаточно интенсивно используются для получения пленок полупроводниковых материалов, но могут также применяться для производства пленок металлов и диэлектриков. В основе этих методов лежат процессы переноса осаждаемых материалов в виде летучих соединений к поверхности подложки, на которой происходит разложение этих соединений с выделением необходимо продукта. Из методов газофазной эпитаксии в производстве промышленного кремния широкое применение получил метод восстановления кремния в атмосфере водорода из его тетрахлорида (SiCl4):

SiCl4 + 2H2 = Si + 4HCl.

В этом же реакторе производят легирование эпитаксиальных слоев кремния, используя источники жидких или газообразных веществ, содержащих легирующие примеси. Например, для получения эпитаксиального слоя n-типа используют вещества, содержащие фосфор: PCl3, PBr3, PH3 и др. Слой p-типа получают легированимем кремния бором из его соединений, например, BBr3, B2H2 и др. В последнее десятилетие двадцатого столетия, когда возник интерес к массовому производству приборов с субмикронными слоями (полевых транзисторов, лазеров, фотоприемников, солнечных элементов и др.) из методов газофазной эпитаксии наиболее интенсивно развивается метод роста из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений (РГФ

МОС). Этот метод находит все более широкое применение в технологии полупроводниковых структур, в том числе и полупроводниковых сверхрешеток(твердотельную структуру, в которой помимо периодического потенциала кристаллической решётки имеется дополнительный потенциал, период которого существенно превышает постоянную решётки.). В этом методе рост эпитаксиального, поликристаллического или аморфного слоя осуществляется при термическом разложении (пиролизе) газообразных металлогранических соединений и последующей химической реакции между возникающими компонентами на нагретой подложке.

Реакции проводят в специальных реакторах для РГФ МОС(метод роста из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений). Схема одного из подобных реакторов дана на рисунке.

Подложка 3, на которой происходит кристаллизация требуемого соединения, помещена на графитовом держателе 4 внутри кварцевого реактора 1. Реакция происходит при атмосферном или при пониженном (приблизительно до 10 тор) давлении. Температура пиролиза 600–800 ºС обеспечивается радиочастотным нагревом с частотой несколько сотен килогерц (высокочастотный нагреватель 2). Такая система нагрева создает высокую температуру вблизи поверхности подложки, так как нагревается только графитовый держатель, в то время как стенки реакционной камеры остаются холодными. В этом случае полупроводниковая пленка образуется только на поверхности подложки, а реакция на стенках реактора не наступает.

Рис. 3.4. Схематическое изображение  реактора для РГФ МОС: 1 – кварцевый реактор; 2 – высокочастотный нагреватель; 3 – подложка; 4 – графитовый держатель; 5 – источники металлоорганических соединений; 6 – датчики потока; 7 – вентили

Многослойные многокомпонентные структуры методом РГФ МОС могут быть выращены в едином ростовом цикле. Для этой цели в реакторах предусмотрена возможность подключения нескольких металлоорганических и гидридных источников. Использование автоматизированного управления процессом роста в методе РГФ МОС позволяет создавать полупроводниковые сверхрешетки с толщиной отдельных слоев до 1,5 нм, причем изменение состава на гетеропереходе происходит практически на толщине одного атомного слоя.

К преимуществам метода РГФ МОС следует отнести возможность создания однородных эпитаксиальных структур большой площади на установках, аналогичных тем, которые используются в производстве промышленного эпитаксиального кремния.