Получение однородных структур большой площади из арсенида галлия в хлоридной газотранспортной системе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

АКАДЕМИЙ НАУК СССР ОРДЕНА ЛИГОНА ЙОИКО-ТКХКИЧЙСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.й.ИОффК

На правах рукописи Для служебного пользования

Эка- -^гК) 6 5

КУЛИКОВ Александр Юрьевич

УД! 621.315.592

ПОЛУЧЕНИЕ ОДНОРОДНЫХ СТРУКТУР БОЛЬШОЙ ПЛ1ВД1 ИЗ АРСЕ1ВДА ГАЛШ В ХДОРИДЮИ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЕ

(01.04.10 - фкзкка полупроводников и диэлектриков)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ленинград

1У90

Работа выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе АН СССР.

Научный руководитель: кандидат физ.мат.наук

Ю.В.ЖИЛЯЕВ.

Официальные'оппоненты: лауреат Ленинской и Государственной премии СССР, доктор технических наук В.М.АНДРЕЕВ,

кандидат физ.мат.наук

А.г.доггтв.

Оппонирующая организация: ИМИ НО ТЭЗ им.М.И.Калинина

(г.Таллинн)

Защита состоится " 1-) "______2990 г. в час.

на заседании специализированного совета К 003.23.01 Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе АН СССР, 194021, Ленинград, К-21, Политехническая ул.,26.

Отзывы ой автореферате в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

, //

Автореферат разослан " } Ь" ____1990 г.

УЧЕНШ СЕКРЕТАРЬ специализированного совета, кандидат физ.мат.наук

Г.С.КУЛИКОБ

ШЦЛЯ ХЛРАКГЕРИШКА РАВОТЫ

Ак^альность^емн^ Применение арсенида галлия и твердых рас-воров на ого основе приобретает все более существенное значение целом ряде направлений современной электроники.

Прогресс опто-, микро- и силовой олектрокики связан с раз-аботкой технологии гшитпксиальных однородных многослойных труктур большой площади.

Метод газофазной эпитаксии в хлорцпных системах (1©ХС), ко-орий уже присел к существенным успехам в отих областях, нумда-тся в дополнительных исследованиях его зозмокностей для получо-ия слоев и структур площадью более Б см^ с высокой однородно-ть:о их толщин и электрофизических параметров.

Проблема состоит в том, что при взаимодействии протекающего аза с подложкой состав смеси обедняется по галлию, маньяку и егирующим элементам, причем относительные изменения их концен-рациЯ могут существенно различаться. Это приводит к простран-тпенной неоднородности толщины слоев и концентраций примесей них.

Ряд вопросов, связанных с комплексным изучением процесса :олучения пленок, включая условия формирования газовой фазы, от-лонение ее состава от термодинамически равновесных значения, арактер газодинамического течения смеси в реакторе заданной еометрии и процессы массопереноса реагентов с учетом зависимо-!тг- скорости поверхностной кинетики химических реакций от темпе-атуры и концентрации компонентов, к началу дпнной работы был сследован недостаточно.

Дсль работы состояла в следующем: . Определить условия получения арсенид-галлиавых структур большой площади (8 см2) с высокой степенью плпнарности слоев и о.днородностьо уровня их легирования примесьп п-типа на основе комплексного исследования режимов роста в хлоридной газотран-спортйоР системе с учетом:

- полей скоростей газа-носителя;

- геометрии реактора;

- кинетики формирования газовой фазы заданного состава из исходных реагентов;

- кинетики релаксации пересиленной газовой фазы с образованием эпитпкскальноП отопки;

_ 4 - .

- иассопереносэ основных и легирующих компонентов в газе;

- температурного полк реактора

2. Получать макетные образцы биполярных транзисторов площадью I см^ и полевых горизонтальных транзисторов с затвором Шот-тки с малин разбросом параметров в пределах подложки площадью 8 см*".

Ыето£ика_о™таксии. Пленки и приборные структур» были получен» методом газофазной эпитяксии р хлоридней транспортной система. Осаждение проводилось в четырехканальних горизонтальных реакторах как с перемещаемыми, так и с неподвижными подложками.

Методики и я мере ни;". Зависимость состава газовой фазы реактора от температуры, линейной скорости гааа и концентраций входных реагентов определилась in sita методом оптической абсорбционной ультрафиолетовой спектроскопии.

. Распределение электрического поля и толщины пленок определялись на сколах эпитаксиалькых структур методами,: тока, инду-циропанного олектроиньм зондом, и оптической микроскопии елсев, иизуалированиых селективным травлением или декорированием серебром. На субмикронных слоях предварительно формировался nyTet. химического травления косо!1, мапоугловоп илиф.

Концентрации электронов в слаболегироьанных слоях п-типа изменялись вольтемкистным способом, а в сильнолегированных - пс сдвигу Лосса-Бурштейна в спектрах низкотемпературной (1,7 К) фотолюминесценции.

Структурное совершенство пленок определялось методом двух-кристальной рентгеновской спектрометрии и рентгенотопографиче-ским способом Берга-Баррета-Нькжирка.

OcHomiio з^л ьтаты ^заботн

I. Определены температурные границы существования различны? молекулярных форм в газотранспортных системах GnAb"AsíCj-HC£-H¿-He и GdP'PCfj'HCE-Ha'He . Получены спектры поглощения молекул трихлоридов мьгаьяка и фосфора в диапазоне длин волн 200-360 нм. Разработана методика определения кинетических характеристик химических реакций в хлоридных рпитаксиалъных системах на основе метода оптической спектроскопии. Найдены зависимости степеней протекания- химических реакциР в области твердофазных источника GqAS и GaP от температуры и линеПной скорост • газа, вы-

ислены константы скоростей реакций.

Р.. Установлены минимальные температуры химического транспора арсенида и фосфида галлия в системах СйА^- и 2а' - соответственного и 550°С.

3. Показано, что фосфид галлия в системе СчР'РССа- Нз

ри температуре подлояки, равной или более высокой, чем темпо-^ атура источника, не осаждается.

4. Определены условия, обеспечивающие рост пленарных слоев рсенида галлия в горизонтальном реакторе, минимальные времена мены состава газа в аоне роста и длины встречной диффузии ком-онентов.

5. Экспериментально и путем численного моделирования массо-ереноса реагентов оптимизированы режимы осаидения пленок с Инородным профилем тол-дина в диапазоне скоростей роста 3-30 км/час в условиях диффузионно-кинетических ограничений скоро-ти ос<тадсжш. ¡.'иделени роккми планарного роста с минимальными радиентами концентраций компонентов и температуры вдоль подложи. Найдены ретиьи планарного роста слоев субмикронной толщины

э скоростью менее 3 мки/час.

6. Установлены продольные координатные зависимости уровней згиронания арсенида галлия оловом ( [-5). Ю^см-^, гои различных «одних парциальных давлениях дихлоркдя олова и ростовых композитов в газовой фазе, градиентах температуры и удельной площа-

I подложек. Найдены режимы легирования и роста пленок с мини-1льными степенями неоднородности.

7. Экспериментально определена максимальная толщина буферах нелегированшх слоев арсенида галлия, полученных на полуиэо-фую'цих подложках типа АГЧЛХ в диапазоне температур 680-750°С 40 мкм + I мкм на длине 40 мм.

8. Продемонстрирована эффективность метода селективной ;итаксии для повышения про стран ственноЯ однородности уровня ггирования и скорости роста.

9. Созданы макетные образцы биполярных транзисторов пло-адыо 1,0 см^ на основе арсенида галлия с селективно вмращен-1М эмиттером, легированным оловом. Пространственная неоднород-)сть коэффициента усиления тока в схеме вклвчения с общим 'игтером - менее Ъ%, величина кооффитдюнта усилении достигает

обратное напряжение база-коллектор -¿00 В, рпбочал темпера-ра - :-50°С.

10. Получены макетные образцы полевых транзисторов с затвором Шотткч на подчожках ярсенида галлия площадью 8 см'" с характерным разбросом крутизны характеристик отдельных элементов

18,5-20',2 мА/В в пределах пластины.

11. Разработана конструкция горизонтального эпитаксиально-го четнрехканального реактора револьвс:рнон системы, позволяющего получать многослойные структуры с субмг.кронными гетерослоями методом Г^аХС на неподвижных подложках.

12. Показано, что температура подлокек, расположенных в зоне роста с продольным градиентом температуры и условиях тепло изоляции от держателя, мояет отличаться от температуры реактора в сторону выравнивания температуры подложки.

Зз^^йМйЗДй!-. JS .уя'З^ТЁ^Л оленин.

Положение _[_ (о росте пленарных ппитаксиальных слоев GdAS большой пло!цади).

Планарннй рост эпитаксиальннх слоев &Q.AS в геризонтальнои

реакторе о системе GûAs-AsCfj-H^ с неоднородностью толщинь

менее на подложке диаметром 40 мм достигается в диапазоне

температур 6о0-750°С и скоростей осавдения 3-20 мкм/час. t

Положение 2 (о кинетике формирования газовой фазы).

Состав газовой фазы реактора, степени превращения PCС} , НСС и скорости химических реакций в источниках соединений в интервале температур 1Ь0-Ю00°С могут быть опр( делены методом In Situ. оптической абсорбционной ультрафиолетовой спектроскопии.

Полмение_3 (о планарной неоднородности легирования олово! п*-слоев GO.AS ).

Неоднородность уровня легирования оловом п+-слоев

GaAs

увеличивается, а неоднородность толщины слоя уменьшается с ростом абсолютной величины отрицательного градиента температуры в зоне осаждения. Частичное маскирование поверхности подложек уменьшает неоднородность обоих параметров. При снижении концен трдции олова в слое с 2.10®сиГ3 до 3.1017см_® относительная неоднородность легирования уменьшается на порядок.

возможности создания методом газофазной эпятвксии в хлсридкой системе бшклярних транзисторов большой п.чо^ади и иолесых-с малым разбросом параметров БАХ).

Метод Г£ОХС позволяет получать структура для биполярных транзисторов площадью I см'* с относительной неоднородностью легирования п*"- эмиттера 3-Ъ%, рабочей температурой р-п-перехо-да до 250°С, напряжением коллекгор-очиттер 200 В, коэффициентом усиления тока басы более 5 и полевых транзисторов с затвором Шоттки с неоднородностью крутизны,ВЛХ - 18,5-^0,2 мл/В в пределах подложки диаметром 40 мл.

Значение результатов работы.

Изучение закономерности масеояерсноса реагентов в реакторе, при опитаксиальном осаждении слоев арсснида галлия, позволило разработать принципы и определить режимы роста, обеспечивающие получение структур с минимальными значениями нсодцородносгсй толщин пленок и уровня их легирования.

Исследование в реальном времени кинетики формирования газовой фазы привело к более детальному пониманию процессов протекания химических реакций и условий, необходимых для обеспечения стабильности состава атмосферы на выходе из зоны источника реактора.

Применение принципов получения однородных структур и, в частности, использование метода селективной эпитаксни сидьнолзги-рованных п^-с.лоов, дало возможность изготовить макетные образцы 5иполярных и полевых транзисторов с малой зависимостью параметров ЙАХ от координаты подложки.

На основе полученных в работе результатов разработала конструкция четнрехканального онитаксиального реактора с неподвижными подложками, предназначенного для получения субмикронных иногосло^шх структур с гетеропереходами (а.с. СССР К I4G2E5?).

Sx ации _и

Результаты диссертационной работы докладывались на 7-й Зсесоюрно!: конфереш:г'л по процессам роста и синтеза излупровод-чиксемх кристаллов и плрнск {Новосибирск, 1966); 2-Я Ucecoiw-40й KO!!.Jc:p?.ri!iHH по модедароранип роста кристаллов (Гигч, ПЗУ); 3-й Всесоюзной конференции по методам пая учениц и .щ«пиг>а с.«-

ссжочистых веществ (Горький, 1У88); 5-й научно-технической конференция молодых ученых по аналитическому приборостроению (Ленинград, Í9B8); 20-м Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев,'1988); 7-й Всесоюзной конференция по росту кристаллов (Москва, 1988); га 26- м Международном коллоквиуме по спектроскопии (София, 1989); на Всесоюзной конференции "Поверхность--89" (Черноголовка, 1939); на 1-й Всесоюзно:1, конференции пс физическим основам тнердотельной электроники (Ленинград, 1989).

По результатам исследований опубликовано 10 работ и получено одно авторское свидетельство на изобретение.

SUEilli'-Eí. ^^сседтавди •

Диссертация состоит ил введения, 5-ти глав, заключения и списка литературы из I4B работ. Обьем диссертации составляет 254 страниц», включая 145 страниц осногного текста, 85 рисунков и I таблицу.

СОДЬЕКЛНИЕ РАБОТЫ

Во_иведен1ш показана актуальность темы диссертации, поставлена цель. Сфсриулированы задачи исследования и определены осноенке пути их решения, изложены сснозныо результаты работы и представленные к защите научные положения.

Первая глава посвящена обзору литературы и постанови:: задач-исследования.

В первых двух параграфах рассмотрены особенности термодина-мини хдоридикх систем я влияние параметров технологических процессов на скорость эпитаксиадьного роста слоев арсенида галлий. В третьем параграфе изложены основные модели кинетики поверхностных физико-химических процессов ка подложке с ориентаци ей (100). Б четвертом параграфе рассмотрены ¡электрофизические свойства иленск арсенида галлия, полученных в различных режимах 1 itfXC. Пятый и шестой параграфы посвяаГепы газодинамическим процессам в реакторе и условиям формирования газовой фазы в области источника. В седьмом параграфе затронуты некоторые вопросы легирования слоев арсенида галлия в процессе роста.

-ЫМЗ. содержит описания конструкции эпигаксиальной установки и использованных в работе экспериментальных методик.

QiiB'iyB,Для выращивания отдельных слоев и мцого-яоИных структур из арсенида галлия преимущественно использо-;ался четырехканальнкй револьверный реактор оригинальной кон-трукции. Подложки располагались горизонтально на "лотолке" ие-одвижного канала прямоугольного сечейия, а специальный комму— атор позволял дискретно осуществлять 'смену состааа газовых по-оков, направленных е зону роста, за время ~ I секунды.

Для определения зависимостей скорости роста нелогиронанных "-слоев от продольной координаты реактора X осаждались ммого-лоНнне композиции , где п-слои ( G 4 A4 Sn )

лужили в качества разделительных областей мвзду полученными в азличных режимах п°- пленками.

ЬтороГ; параграф . Подготовка подложек перед эпитаксией вш-ала в себя удаление органических загрязнений, сл я (дйAS наущенного механичаской обработкой, в травителе МцОН-НгО^-НаО , азопое травление при температуре роста в атмосфера НС6, a глубину 2-3 мкм, плавно или скачком переходящее в речнм рога без изменения газодинамических и температурных режимов в закторе.

±£етий ^(умгтэаф^ Толщины полученных слоев измерялись на колах или koîijx малоуглових шлифах структур при использовании тгического микроскопа.

Визуализация границ слоев осуществлялась либо с помоцьв се-;«тивного -травления в растворе гО , либо

?корирования серебром слоев с различной концентрацией свобод-ix электронов в смеси AgMOs'Hf'HjO

Для поакшения совершенства косого шлиф« (угол 0,3-3,0 гра-/са) был разработан метод химического травления слоев на движемся границе двух несмегиивающихся и химически не вяаимодей-?»угацих жидкостей, верхняя иа которых является травитнлем ЧН^ОН— Н2 0г - Нг0 }, а нижняя ( СС6ц ) - инертна яо отно-?ник> к прсениду галлия.

посвящена исследованию особенностей формироиа->я газовой фазы в области источников ппитаксианыюго реяктор.я.

Нерпу.;Jl^parpaj.. Пси температуре более химический

>аж:порт лгсени;уз 1плглг. монет• шть удсвлетшрятельно списан •акцией- r,QAS'-Hl.,e«Cace«-.USAS4» 0,5 Нг . Пйрсс«ц«нччи

газовая фаза (Г40 в области подлс-кск в системе молет буть создана в нэотсмпсратурнмх условиях при смешивании основного потока с дополнительном, содержании инертный газ и водород, концентрация водорода н котором более высокая.

Анализ зависимости степени порескцекия газовой фазы Г от температуря, концентрации водорода в обоих потоках и величин последних выполнен в лредиолояеши о равновесии фаз в источнике арсенида галлия независимо от концентрации водорода в смеси Нг♦ Не (с уменьшением концентрации водорода скорость взаимодей ствия Нг и АбСЕз замедляется).

Если носителем в основном потоке является смесь Нг + Не, а раэбазляж^ий поток состоит из чистого Не, то химические потенци алн галлия и мьшьяка в ГО будут шяе, чег^ нетвердой, что соотве етвует режиму травления подлок.ки ( Г = Я ' -"1 $ О ,где

Я - отношение величин основного и суммарного потоков).

Если ралбаглякщий шток также содержит водород, пересыдени равно: Г = Л (ИС^/Г^")0-5 (Я"0,5- 1))- 1 и мояет быть больше нуля. Область наименьшей чувствительности Г к колебаниям потоков находится вблизи максимумов Г( Я ). При уменьшении концентрации водорода в основной потоке величина К , соответстз ¡гсцая ¿1/^ = 0, стремится к 0,12.

При вурациг.акии нелегиркшмх слоев на подложках с ориента цией,близкой к 1100), в вытравленных в маске 5Юг окнах диаметром 5 мм (Т = ?50°С) были зарегистрированы скорости роста 3-12 мкм/час. 6 теоретически предсказываемых точках нулевой скорости роста наблюдался режим травления, что очевидно связано с невыполнением условия равновесия фаз в источнике, т.к. при увеличении времени контакта фаз скорость травления уменьшалась.

Второй параграф. При температуре менее 720°С состав смеси находится в сильной зависимости от геометрии реактора, поля скс шетей газа-носителя, температуры, площади и типа источника, в

*) Г= КрСГистУКрО1^)-! , где Кр<Тнвт»; Кр(ТпоЭ„ ) - константы равновесия указанно? химической реакции, соответственно, при температуре-источника и подложки.

- и -

>тором одновременно протекдазт несколько конхурирухтих химически« ?акци,Ч.

Минимальную схему процессов можно представить в следующем

we:

Qad

В зоне источника имеют мосто все реакции, а состав на ■«оде определяется! степень« протекании кч^доО из них.

Для вычисления кинетических параметров каждого из процессов змерялись зависимости степеней протекания реакций от линейно!! короста газа

V (.20-У00 см/мин) и температуры т (a)-9uo°c): сходнее компоненты и диапазон« температур выбирались таким об-азом, чтобы состав Tv опиливался" одним уравнением реакции.

Концентрация молекул i газе определялось if Si tu. нето-ом абсорбционной споктроск пни б дклпяэонс длин волн ¡¿¿¡0-360 м, позпэляо'цчм идентифицировать и определять концентрации Ц

асе,

йОСб^,, AS¿, , Pt, и, как показано а настоящей работе, Asee ь и рее, . Содержание атомом хлора определялось из общего баланса.

Трихлорид мы:иь;!кп устойчив в гвлиц до 900°£, в то время пк трихлорид фосфора разлагается с ростом температуры вияе .1Ь0°С,

что проявляется и спектре в виде отщепления с ростом темпора-уры длинноволнового плеча от пика РСЁ3 .

Эффективности взаимодействия трихлорида мтаьяка с водородом змерялась по конаечтряпии мильяка на длине волны 300 нм- При = 680°С и минимальной скорости газа (20 см/мин) спектр приоб-етает вид, характерный для чистого Ait, . Двльнчйлее увеличе-ие температуры на спектре не отражается. Инерционность реакции риводит к высокой чувствительности отнесения концентраций 'нее

, к распределению температуры I ЗЗС-60Э°С) и скоро-

ти потока.

Видоизменение спектра смеси PCCj,+ Н^ начинается при темпе-атуре около 150сС и заканчивается около !300°С. Начиная с б00оС, аксимук крипоГ: поглощения перемещается с 225 нм на 240 нм, где иксируется при Т >65(J°G. Термодинамический расчет пезполя т читать, что в первом интервале происходит распад PC € », , а ) втором - преимущественное прекращение Р^ u P¿ . Вид спок-зов не зпвисит от скорости потока во всем исследованном инт?рвд-

■it; ÍÜÜ-9CW см/мин),-а следовательно, во-первых, состав ГФ можно читать равновепшм, и, во-вторых:, убедиться в том, что температура rana практически соответствует температуре реактора.

Скорости взаимодействия арсекида галлия (ориентация (100) с трихлоридом мыаьяка и хлористым водородом с образованием моно-н трихлоридя галлия исследовались, соответственно, в системах AsC^QuAS+H« и HCE'+CaAS + Hi . Реакции образования GüCt (300-550°С) протекают относительно медленно и концентрации (JqCÍj заметно меньше, равновесных значений. Диапазон температур образования QüCC (Т>600°С) при взаимодействии с НСt сдвинут на [U-30ÜC в сторону более высоких значена, по сравнению с реакцией с AsCEj . Кроме того, последняя ракция имеет билее высокую скорость. В случае сосуществования d ií и НСб в сравни-

мых количествах, хлорид галлия образуется преимущественно благодаря AsC, а пересыщение может быть положительным в изотермических условиях.

Реакция фосфида галлия с трихлоридом фосфора (Т > 500°С) не реализуется, что не позволяет выращивать GüP в системе QüP- РС65- при температуре источника, меньшей или равной температуре подложки.

Константы скоростей реакций определялись путем расчета мас-сопереноса реагентов в ГФ при течении смеси в зоне источника и сопоставления полученных результатов с экспериментальными значениями. Ноле скоростей газа описывалось формулой Пуаэейчч. Сравнения непрерывности для концентраций реагентов гомогенных реакций содержат член, описывающий интенсивность обьемнои реакции как функции 'гемпаратури и локальных концентраций компонентов. Скорости прямой и обратной реакции связаны через константу равновесия. Граничние у ем бил на входе С^(Ct и нл выходе из источника С ¿/ОХ =0 . Для геторогенной реакции условие на поверхности лвнисынаетс»! черйз равенство локального диффузионного нормаль нога к г.чдлс:кке потока из 1"V и интенсивности его отвода, вследствие мритекамин химической реакции.

В реакции H¿ + A S С С ь обпаружзуы два области темперагуо с равлнчндак рнертнчи активации (критической точка Т ~ 600'О.

Оптимизация режимов получения нолегироха'! них и легированных оловом пленарных опи-Т9ксип.1ьнмх пленок ярсечида гпллил.

Первый п-зрагрпф В диффузионных режимах спитакски зависм-сть скорости роста от продольной координаты подлочею; X о просеется условиями массодоставни реагентов через газовую фазу и втювесными состояниями двухфазной сиотеш. Диффузионным речш-м соответствует температуры вшо ?30-750°С и концентрации хло-дов менее 3.10"^.

В конструкции зпитаксиалыюго реактора гомогенизация смеси еспечпна благодаря наличию участка длиной больше длины переме-вания компонентов Х<1 с самыми низкими коэффициентами диФфу-и при режимах с максимальными чиста'« Рениольдса Ив

1." Яб ' 5с , где Ь - высота каната, 5 С -чисю И?идта).

В случае медленных потоков ( Ьс 1 1 существен ке*е-тельныЯ процесс встречной по потоку диффузии. В одномерном ийличекия ¡р решения уравм >ния для концентрации С: (1С/4 А-е-ЬсУ1- А СМХг с граничными условиями С = I при X = 0 и = 0 при X 00 длина диффузии Хс до точки п концентрацией равна Хсв

При температуре саде 730°С процесс химического транспорта чет быть описан уравнением СаА5*НСС = Нг.

скольку скорости темюрятурной релаксации и поверхностно;! ки-тики просыпают скорости касссдоставки, между газовой и твердой эами устанавливается локальное по X равновесие, определяемое, висимостью Т(Х). К системе двумерных урят.ений непрерывности я реагентов в газе у^£¿-0 ставятся равновесные

ловил на подделке и условия, отра*:анцие постоянство входных нцентраций и отсутствие осаждения вне подложки, йодел'й удовле-эрительно описывает экспериментальное профили по X скорости ста \/р (X) в диффузионном режиме.

й случае V Т(Х) < 0 з каедой точке пол^ояки равновесие ганавливастся при различных поверхностных концентрациях рсаген-в. Движущаяся Г<5, находящаяся в равновесии с подлочкоЯ в точке становится пересыщенной в точке X -1- А X и реляксирует с об-зояанием дополнительного ^Ц А'з. В диффузионные режимах роста 50вию V соответствуют значения (Т(Х)»-12*-17

Вто£ой._па2агра^._ Температурам менее '720°С и концентрациям хлорида более 3,10"^ соответствуют режимы роста, когда скоросТ) встраивания компонентов в растущий слои становится сравнимой, С1 скоростью массодсстиикй. Поверхностные концентрации при отом отклоняются от равновесных значений. Ь модели равновесное гран: нос условие на подложке заменяется ни соотношение, свяннвапцое нормальный диффузионный поток к подложке с мощностью его стока являющейся функцией приповерхностных концентраций реагентов и температуры.

В плоском канале при малых числах Йе устанавливается про-ф1ль Пур.аеля.

Числа степеней свободы в системе достаточно для управление величиной относительного обеднения Г1> по X, без изменения концентрации хлоридов, и для решения аа; .нчи о получении планарных слоеа в канале прямоугольного сечени (скорость роста мокет вы бирагься в диапазоне 'Л-'/.О мкм/чпе).

В случае малых линей.них скоростей газа обеднение Г^ происходит преимущественно вблизи подложки, что приводит к переносу пересыщенной смеси в глубь зоны осавдендя, где за счет порпенди! лярной к подложке диффузии неравновесный газ достигает ее лове] ности. Из-за встречной по X диффузии в конце канала наблюдаете, увеличение скорости роста. Кроме того, снижении скорости роста в начале подложки способствует встречная по' X диффузия ИСС , концентрация которого с ростом увеличивается. Таким режимам а ответствуют минимальные степени использования вещества и скоро сти роста в начале подлокки, максимальные степень планярности I время смены ГФ при изменении режимоэ роста. Заметное влияние двумерных эффектов наблюдается при скорости газа менее 5 см/с в канале высотой около 1 см.

При фиксированном поле скоростей газа однородность скорое роста увеличивается с возрастанием отношения количества неравна зеснего вещества в к произведению удельной площади подложки к мощности стока реагентов в твердуп фазу. Такие условия реализуется при урелииенли суммарной концентрации хлоридов, рязност) ■температур между источником и подложками, с уменьшением кокцен трации миаьякв в газе (при не сяишксл- ллотном адсорбцяснлэ» сл к три увеличении отновк-иия / Ср^^ . ,йлх1 обеспечения ус, вий плчнчрюгл рог'.т«! достаточно меньгалх олюишх значений

- la -

трицательного градиента температуры по сравнению с диффузионны-и режимами.

Введение дополнительного потока НСС или AsCfj в зону рота приводит ( v ТШ < 0 ) к снижению степени переоценил в на-але зоны осажденич, при сокрацении высоких концентраций хлори-ов, и слабо влияет на скорость роста Vp при болыт.их X. Чем ольше | V 'Г(X) | , тем меньшего дополнительного количества НГ£ остаточно для снижения скорости роста при малых X и тем на Сольем значении зафиксируется Vp при условии v Vp (х) = 0 .

При больших величинах |v 'Г(Х) | может ня('лвдяться выравни-ание температуры подложки и ее отклонение от температуры реакто-а. При этом происходит разрыв Vp Сх) па границе двух подложек, ри введении дополнительного потока HCÊ в точке разрыва может меть место смена знака производной iVp(x) /IX , а величина азрыва составлять десятки процентов от Vp , особенно в случая мзких концентраций хлоридов.

Тдетий .nagnrga^. Нелег ;ровпнные буферные слои на полуиэоли-рующих подлотсках.

Исследованы электрофизические параметры нелегированних ело-в, полученных в системе QQСЕ.15~ Н^ на подложках типа ГЧ11Х диаметром 4Q 10/ в диапазоне температур 6?0-750°С и концен-раций хлоридов 2,0-8,5.10"^.

Наибольшая неоднородность скорости роста, а тант.е область с овмшенной концентрацией фоновых пгижсей'и минимальной подтга-остью электронов сосредоточены в начале зоны роста.

Концентрация диффундирую-дих из поддонки неконтролируемых римесей резко спадает при толщине пленки более 1-3 мни и мало авис.ит от режима роста. Дальнейшее увеличение толщины буфера ,о ЗО-iS мкм приводит к росту подвижности на 30-50« 500 см1-и/с при Г=300К и концентрации электронов 1015см"').

Пленки толщиной до ;J5 мкм наследуют дислокации из подложки, чеистое распределение плотности дислокаций сохраняется. Граница подложкой содержит центры генерации дополнительных дисдокчций.

Несовершенства подложки типа АГЧПХ оказывают большее рлия-ие на электрофизические свойства буферного слоя, чем вариации ежиков роста п указываемом диапазоне параметров.

Получены слси с толщинами до 40 whm с величиной неоднерод-ости не более I мкм в пределах подложки длиноГ' ЛО мм.

¿и -

Четвертый параграф. Легирование слоев арсенида галлия в процессе роста.

При Т<720°С улучшение однородности скорости роста У'р (X) в легированных слоях связано со снижением Ур в начале подложки, из-за замедления примесью скорости поверхностей кинетики,и I увеличением в конце -вследствие дополнительного пересыщения и относительного обеднения Р£ по легирующему реагенту.

Известно, что процесс встраивания олова в растущий слой является более быстрым по сравнению с основными компонентами, ото позволяет использовать для примеси равновесное граничное условие на подложке независимо от лимитирующей стадии роста арсенида га7 лин. Высокие концентрации олова (более см"^) могут быть получены при температуре чпитаксии более 720°С и концентрации хлоридов менее 2.10 . При движении газа над подложкой можно в! делить три механизма, приводящих к сужению концентрации олова с ростом X; обеднение Г4> по оловосоде шщим реагентам (преимущественно 5п се 2 ); увеличение давления НСЕ вследствие релаксации пересыщения в системе роста; снижение по X равновесной активности олова в арсениде галлия при ч? Т(X) <• 0.

Предполагаемые в модели малость влияния концентрации 5псег на скорость роста грани (100) и малость концентрации 5п££г по сравнению с ростовыми'-компонентами позволяют найти зависимость концентрации олова от X путем решения уравнения непрерыв ности дня бцСС^ при известных распределениях концентраций основных реагентов, температуры и скорости роста. Граничное условие на подложке связывает нормальный диффузионный поток 51тС?г с модностью стока олова, равной произведению локальных равновесию активностей сжова в ЦйА^ и скорости роста.

Увеличение абсолютной величины градиента температуры влечем зь собой уменьшение неоднородности скорости роста и увеличение неоднородности концентраций олова в плоскости подложки. Сншени< концентрации олова в слое с до ЗЛО^см-** приводит к

улучшению относительной однородности легирования на порядок.

Равномерное маскирований части подложек впаивает одновремс! нее еникенив относительных, неоднородностей скорости роста и кон-центраши олова, а также сдвигает положение точки оптимума величины градиента температуры в сторону меньших аосолчтных значенш Метод'мм:е1 быть реализован при получении однородных по плой,ЭД1 л^-ойяжтей в приборных структурах.

- - 17 -

2ч™л_глапа. Максти приборов на основа СпА^, полученные методом ПОХС.

Пс|Э£нЯ_па{1аГ2аТ;. Высоковольтные билолярнш транзисторы большей плсдади.

Рассмотрен процесс получения биполярных п+-п-п"-р-п+-транзи-•орон (слаболегироганныЛ коллектор, площадь - I си""). Основная юблема связана с узким диапазоном легирования смигтера

обеспечииаю'дим, с одноЯ стороны, приемлемый ко-финиенг инфекции олектронов в р-баэу с концентрягдей акцепторов 1-0). Ю^см-^, а с другой; - отсутствие прлмеси олова в электрички нечктшчпгх состоянии/ к посторонних фаз в арсениде галлий.

Высокие (более 2.Ю^см-^) степени легирования л+-эмиттера тактически могут бить получены при температуре более 720°С и ¡нпентроции хлоридов менее (Ь-7).10~3. Длл ког.иенсацни обеднения ■' из-за значительных мощностей стоков основяих и легирующих ре-'ентов бил использован метод маскирования окислом 510г пассив-г к чаете": подпорки па г>тапе роста одаттерного слоя. Достигнутая личина неоднородности коэффш;ента усиления омиттерного тока в ¡еделах транзистора не яреаииает 5-7''.

;1ля снилсния сопротивления пассивных областей р-базм до еди-щ Ом в них проьодилась локальная диффузия цинка СГ =000-6У0°С) . глубину 1-1,0 vш по уровню легирования с поверхност-

й концентрацией окало Ю^см"^. Сопротивление каналов утечек реходов база-эмиттер составляло 8 кОм.

В диапазоне температур 20-2о0сС наблюдался монотонный рост эффициента усиления тока омиттера на 20-о5:' и узеличение напря-ния лавинного пробоя перехода база-кол-ектор ( Ц^-к) на 20-25 В я структур с и^-к = 200-300 В.

Сделэн внвод о перспективности использования метода -селектив-й эпитаксии сильнолегированных слоев для пэвишения однородности параметров приборных структур большой площади.

Второй ^арагпаф Полевые транзисторы с затвором Шоттки (ШЬТ).

Решена задача получения однородной по телдине и концентрации сителей в канале, в плоскости подложки диаметром 40 мм, стру;<ту-1ИГ с подвижностью электронов в яктинном слое порядка 40С0 '"/вс при температуре 300 К и концентрации электрон в -3)-1017см~3.

- 18 -

Существенным моментом п выборе режимов зпитакеии однолеги-роианных оловэм активных п- слоев является использование дополнительного ааода ИС6 в зону осаждения при отрицательном градиенте температуры величиной - £ К/см и стабилизации скорости роста на уровне Ь мкм/час.

Достигнута неоднородность по толщине и концентрации электрс нов не хуже Ы.

Получены макетные образцы горизонтальных маломощных полевы; транзисторов с утопленным затвором Шоттки. Ширина затвора 1,5аки

крутизн/) БАХ г около 20 мЛ/В,неоднородность напряжения отсечки и крутизны ЕАХ - 5'й на пластине диаметром 40 мм.

ЗАЮ1ЮЧЁШЕ

Целью диссертационной работы был выяснение условий получе ния арсенид-галлиевих структур и приб )ров большой площади с высокой степенью планарности слоен и уровня их легирования.

В процессе решения этой задачи были найдены условия формир ьания газовой фазы в зоне источников эпитаксиальных реакторов с заданными концентрациями реагентов в диапазоне температур ЗаО-еоО°С.

Вили определены закономерности массопереноса основных и ле гирукщих реагентов в проточном горизонтальном реакторе и выделе ни оптимальные режимы роста однородных структур.

Созданы макетные образцы биполярных и полевых арсенид-гал-лиавых транзисторов на подложках большой площади (0 см*").

Ьти результаты позволили получить новое знание о пределы«; возможностях открытой хлоридной эпитаксиальной системы и о пугя приближения условий роста к этому пределу.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих ре ботах:

X, А.Д.Ныховский, Ю.В.Йиляев, И.Л.Ииатова, А.И.Куликов Ю.Н.М* каров. Экспериментальное и теоретическое исследование диффузионных режимов роста пленок арсенида галлия в хлоридном газотранспортном процессе. Тезисы, Л1 кон],, по процессам рост« и синтеза полуар.крист. и пленок, Новосибирск, 1906, с.й41. '¿, Л.Д.Ьнловский, Ю.В.Жилпев, И.П.Платова, Л.Ю.Куликов ,, В.Н. !мн(аров. Ч'/олешк.е исследование роста слось арсенида Галлия в хлеривних газотранспортных реакторах. Тезисы, Ьсес.соиещ. по «оследопании арсенида галлия, Томск, 120''', с.300-30;. /

3. А.Д.Енховский, Ю.В.Киляев, И.П.Платова, А.Ю.Куликов, Ю.Н.Макаров. Модель роста слоев арсенида галлия в хлоридной систе ме, Тезисы, П Ьсес.конф. "Моделирование роста кристаллов", Юрмала, 1987, - с.305-306.

4. В.Я.Достав, Ю.В.Йиляев, И.П.Ипатова, Л.30.Куликов, О.Н.Макаров, Г.Р.Маркарян, А.В.Субашиев. Влияние обмена подложки с газовой фазой на опитаксиальный рост арсонида галлия. Тезису, II Всес. конференции "Моделирований роста кристаллов", Юрмале, 1-87,

с.102-153.

5. А.Д.Енховский, Ю.В.НСиляев, И.П.Ипатова, А.Ю.Куликов, Ю.Н.;7лка-ров. И.Дьяро. Численное моделирование роста слоев арсенида галлия в хлориднсм газотранспортном процессе. Препринт <.ТИ, Л.,

1102, 1987, - -31с.

6. А.Д.Быхозский, Ю.Б.Киляев, И.П.Ипатова, А.Ю.Куликов, 1и.Н.Макаров. Математическое моделирование процессов в хлоридных транспортных реакторах. ЬСЭД, 1988, т.58,^6, с Л 229-1233.

7. В.Л.Достов, Ю.З.Жиляев, И.П.Ипатова, А.Ю.Куликов, Ю.Н.Макаров, Г.Р.Маркарян "Моделирование опитаксиального роста арсенида галлия из хлоридной газотранспортной систем'.' Тезисы, У'Л Всес. конф. по методам получения к анализа высочистых веществ, Горький, 1988, ч.Х, с.130-131.

8. Ю.В.Миллев, Л.О.Куликов. Исследование кинетики химических реакций в п-оточноя СйАЪ-СаР-А^-РСС-Г Н£е-Н<? - Нг системе методом оптической спектроскопии. Препринт ФТИ, Л.,

.*?• 1126, 1908, -26с.

9. Ю.ВДиляев, А.Ю.Куликов. Однолегированный оловом эмиттер биполярного транзистора на Ц(ЗА$ , полученный селективным осаждением в системе (}цА$-А*С£5" Нг_ . Препринт «ЯП, Л., № 1260, 1988, - 19с.

10. В.Л.Достов, Ю.В.Жиляев, И.П.Ипатова, А.Ю.Куликов, А.В.Новинский, И.П.Никитина. Осаждение буферних слоев в системе

Со А-5 - А^С^з - Нг. на полуизолирующих подлокках арсенида галлия. Препринт Ш, Л., 1' £292, 1988, - ГЗс.

11. Ю.Б.Киляев, И.П.Ипатова, Л.0.Куликов, Ю.Н.Макаров, О.П.Чика-лова. Исследование '.п 511м кинетики химических реакций а твердофазных источниках и ир СТКрЫ'ШХ хлоридних газотранспортных систем. Теэиеи, УП Всес.ксн.^! по росту кристаллов, М., 198В, т.1, с.64-65.

12. Ю.В.Киляев, И.П.Платова, Л.Ю.Куликов, Ю.Н.Макаров, О.П.Чика-лова. - Исследование кинетики химических реакций в твердофазных источниках ^цАб и СдР открытых хлорвдных газотранспортных систем. - Тез.докл.XX Всес.съезда по спектроскопии,

Киев, т.2, 1900, с.53.

13. В.Д.Достсв, Ю.В.Киляев, И.П.Платова, А.О.Куликов, О.П.Чика-лова^ Г.Р.Маркаряв. Теоретическое и экспериментальное исследование хлориднси газотранспортной системы. Тезисы, I Всес. коиф. "Физические основы твердотельной электроники", Л., 1989, т.9, 0.183-184.

14. А.Д.ВыховскиГ*, В.Д./,остов, И.П.Ипатова, А.Ю.Куликов, Ю.В. Киляев, Г.Р.¡'аркаркн.Моделирование роста и легирования арсе-нида галлия п хлоридной газотранспортной систеуе. Тезисы, Всес.конЬ. "Поверхность -89", Черноголовка, 1989, с.173.

15. и.В.Киляев, И.П.Ипатова, А.Ю.Нуликов, Ю.Н.Макаров, О.П.Чика-лова. Анализ состава газовой фазы методами абсорбционной

У« спектроскопии при выращивании арсенида галлия в хлоридном газотранспортном процессе. Препринт Ш'Л, Л., О1 1381, 1989, - 24с.

16. В.Л.Достов, Ю.В.Жиляев, И.П.Ипатова, Л.Ю.Куликов, Г.Р.л'лр-коря'(, Ю.К.Макаров. Моделирование процесса эпитаксиального роста арсенида галлия из газовой фазы. Высокочистые вещества, 1989, ;.* 4, с.74-80.

17. И.П.Ипатова, Ю.В.Ниляев, А.Ю.Куликов, О.Н.Макаров, О.П.Чика-лова, В.Л.Достов. Электронная спектроскопия малых молекул в опитаксиалькых реакторах. Тезисы, Ш1 Междунар.коллокв., София, 19В9, т.5, с Л19.

18. 10.Б.Киллев, А.Г.Кечск, Л.Ю.Куликов. Г.Р.Маркарян. Устройство для выращивания многослойных полупроводниковых эпитакси-альных структур, авт.свид. № 1462657, 1988.

РГП ЛИЯФ, зак.30, тирЛОО, уч.-изд.лЛ; 6/У1П-1990Г. Бесплатно