VAPOUR PHASE EPITAXY OF GALLIUM ARSENIDE .pdf Арсенид галлия является одним из наиболее перспективных материалов полупроводниковой электроники. Для разработки и производства приборов СВЧ-техники и микроэлектроники на основе арсенида галлия в настоящее время широко используется газофазовая эпитаксия (ГФЭ). В процессе промышленного освоения этой технологии был решен ряд научно-технических задач: разработаны технология синтеза и очистки исходных веществ, аппаратура для выращивания слоев, определены технологические условия ГФЭ применительно к решению конкретных задач твердотельной электроники. В то же время недостаточное внимание уделялось исследованию кинетики и механизма процессов, происходящих на границе раздела фаз в условиях ГФЭ. Такие исследования необходимы для прогнозирования возможностей технологии, для обоснования выбора оптимальных условий выращивания слоев, для развития теории, описывающей процесс кристаллизации из газовой фазы с участием химических реакций.Трудности в изучении механизма поверхностных процессов в условиях ГФЭ обусловлены отсутствием прямых методов измерения скорости процесса и контроля за изменением структуры in situ. Это приводит к необходимости решения обратной задачи, то есть извлечения сведений о кинетике и механизме процессов из анализа толщины выращенных слоев, микроструктуры поверхности, концентрации примеси в слоях как функций времени роста и условий кристаллизации, что возможно при анализе всех результатов в комплексе.Задачей исследований, выполненных коллективом лаборатории эпитаксиальных структур (ЛЭС) отдела физики полупроводников СФТИ, являлось экспериментальное изучение кинетики кристаллизации и кинетики легирования GaAs и других полупроводников типа А В в системах ГФЭ и анализ результатов с целью построения физической модели процесса и решения ряда прикладных проблем.Решение поставленной задачи выполнялось в следующей последовательности:а)был сформулирован единый физический подход кописанию кинетики роста и кинетики легирования слоев;б)выделены условия ГФЭ, при которых рост и легирование контролируются поверхностной стадией процесса;в)экспериментально исследована зависимость скоростироста эпитаксиального слоя и скорости захвата примеси отосновных параметров газотранспортного процесса - структуры поверхности, давлений галогена и примеси, пересыщения, температуры, времени роста;г)выбрана модель, предпочтительная для описания кинетики кристаллизации из газовой фазы с участием химической реакции (теория послойного роста кристаллов из пара);д)экспериментальные данные проанализированы в рамках выбранной модели, установлены пределы возможногоиспользования этой модели к описанию кристаллизации изахвата примеси в газотранспортных системах, проведенанеобходимая корректировка модели применительно к кристаллизации из пара с участием галогена;е)выполнены исследования по латеральной эпитаксии сиспользованием данных по анизотропии роста;ж) определены условия выращивания эпитаксиальных слоев GaAs, легированных донорными, акцепторными и глубокими примесями применительно к решению ряда физико-технологических задач.МЕТОД ВЫРАЩИВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ GaAsНа первом этапе разработки технологии ГФЭ GaAs использовали йод в качестве транспортирующего реагента. Позднее, когда была создана технология получения высокочистого трихлорида мышьяка AsCl3, перешли на использование хлора.Схема технологического процесса ГФЭ выглядит следующим образом. Исходными веществами являются жидкий легколетучий AsCb и кристаллический GaAs (источник). В потоке газа-носителя (водорода) пары AsCl3 преобразуются в хлористый водород и свободный мышьяк по реакции2AsCl3 + ЗН2 = l/2As4 + 6HC1.(1)Эти компоненты поступают в зону GaAs-источ-ника, при взаимодействии с которым образуется равновесная исходная газовая смесьGaCl(r) + l/4As4(r) + H2, которая переносится в зону осаждения. В основе процесса осаждения лежит обратимая реакцияGaCl(r) + 1/4 As4 (г) +1/2 Н2(г) == GaAs(T) + HCl(r).(2)Константа равновесия данной реакции, согласно Кирвану [1], Кр = - 4,75 + 5,5-103/Г. Энтальпия реакции осаждения GaAs AH= 106,8 кДж/моль.В йодидной системе процесс осуществляется аналогичным образом. Отличие имеется на первом этапе, где происходит сублимация твердого йода с преобразованием в HI по реакции12 + Н2 = 2 HI.(3)Экспериментальные исследования кинетики роста GaAs, а также термодинамические расчеты [2, 3] состава газовой фазы в системах GaAs -12 - Н2, GaAs -- С12 - Н2 показали, что оптимальные условия выращивания слоев GaAs в данных системах варьируются в следующих пределах: температура источника GaAs (Ги) 700 - 850 °С, температура подложек (Т0) 600 -750 °С, разность температур (АГ= Ги - Т0) 50-100 °С, мольная концентрация транспортного агента (НС1, HI) в водороде (Q = [НС1]/[Н2] либо Q = [Н1]/[Н2]) от 10"2 до 10~4 мол. долей, линейная скорость потока газовой смеси в реакторе (F) 30-60 см/мин. В табл. 1 приведены основные параметры ростовых экспериментов, результаты которых обсуждаются в данном обзоре.74Таблица 1Условия выращивания слоев GaAs№ п/пСистемаQ, мол. %т °ст0,°сF, см/мин1GaAs - HI - Н20,26750700352GaAs -12 - Н21Д830770153GaAs - AsCl3 - H20,2683075060СТАДИИ, ЛИМИТИРУЮЩИЕ РОСТ И ЛЕГИРОВАНИЕ СЛОЕВКак любой гетерогенный химический процесс, рост кристаллического слоя в условиях ГФЭ содержит три последовательные макроскопические стадии: 1) диффузионную доставку компонентов из газовой фазы к поверхности (диффузия через пограничный слой); 2) поверхностную стадию, включающую ряд элементарных процессов, в том числе адсорбцию, химическую реакцию, кристаллизацию; 3) диффузионный отвод газообразных продуктов реакции через пограничный слой.Анализ экспериментальных данных по кинетике роста и легирования слоев арсенида галлия, опубликованных в статьях Шоу, Дилоренцо, Магомедова, Румянцева, Сидорова, Хейена, наших [4] в рамках формальной кинетики многостадийных процессов привел к следующим выводам:а) поверхностно-кинетические режимы роста и легирования реализуются в широкой области условий ГФЭ арсенида галлия, включая общепринятые в производстве; б) внешнедиффузные ограничения скорости роста может испытывать поверхность (lll)Ga, имеющая наибольшую скорость роста в обычно используемых условиях роста; в) имеется корреляция между кинетикой роста и кинетикой легирования слоев, указывающая на взаимосвязь этих процессов. Для уточнения условий поверхностно-кинетического контроля были выполнены эксперименты и получены данные по зависимости скорости роста слоев GaAs от линейной скорости газового потока применительно к конкретным открытым системам ГФЭ и типичным рабочим температурам (600 - 750 °С). Было установлено, что при линейной скорости потока, превышающей 36 см/мин, внешнедиффузионными ограничениями можно пренебречь для всех поверхностей, кроме(111)Оа[4].ОБЩИЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ КИНЕТИКИ РОСТА И КИНЕТИКИ ЗАХВАТА ПРИМЕСИОбщность подхода к описанию роста и захвата примеси, предложенная нами и впервые изложенная на 2-м Всесоюзном совещании по исследованию арсенида галлия [5], состоит в том, что оба процесса рассматриваются как параллельно идущие процессы сокристаллизации, взаимосвязанные через атомную структуру поверхности. Для единообразия в описании кинетики этих процессов, наряду со скоростью роста, была введена скорость захвата примеси, которая определяется как плотность потока примесных атомов jt через фазовую границу газ/твердое. При от-носительно низком уровне легирования скорость захвата примеси связана с ее концентрацией в эпитак-сиальном слое Nt и скоростью роста слоя V соотношениемjt = NtV.(4)При таком подходе обе скорости (скорость роста и скорость захвата примеси), представляемые как плотности потоков соответствующих атомов через фазовую границу, должны единообразно зависеть от параметров газовой фазы (давления, температуры) и структуры поверхности. Предполагается, что при малых концентрациях примеси её влиянием на кинетику роста можно пренебречь.АНИЗОТРОПИЯ СКОРОСТИ РОСТА И ЗАХВАТА ПРИМЕСИЗависимость скорости роста и уровня легирования слоев арсенида галлия от кристаллографических индексов для основных граней ({111}, {100}, {ПО}) была получена в начале 1960-х гг. в работах ряда исследователей [6 - 11]. Однако понять механизм и построить кинетику кристаллизации на основе этих данных не представляется возможным из-за существенного различия в механизме роста этих граней. Новизна подхода, внесенного нами в изучение явлений роста и легирования, состояла в использовании поверхностей с плавно изменяющимся параметром, характеризующим структуру поверхности. Таким параметром является угол отклонения поверхности от сингулярной грани в заданном кристаллографическом направлении (

Скачать электронную версию публикации