Арсенид индия. Свойства, применение. Особенности получения эпитаксиальных пленок
Арсенид индия. Свойства, применение. Особенности получения эпитаксиальных пленок
Московский Государственный
Технический Университет им. Н. Э. Баумана
Калужский филиал
КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Курсовая работа
по курсу:” Технология материалов электронной техники”
ТЕМА: ” Арсенид индия. Свойства, применение. Особенности получения
эпитаксиальных пленок.”
Выполнил: Тимофеев
А. Ю.
Группа: ФТМ-71
Проверил: Кунакин Ю.
И.
г. Калуга
1996 год
Содержание
Введение. 3
Электрофизические свойства объемного арсенида индия. 3
. Зонная структура арсенида индия. 3
. Оптические свойства арсенида индия. 4
. Подвижность в арсениде индия. 5
Методы глубокой очистки индия и мышьяка. 6
. Методы глубокой очистки индия. 6
. Методы получения мышьяка и его соединений высокой
степени чистоты. 7
Эпитаксиальное наращивание арсенида индия
из газовой фазы. 7
. Система In-AsCl3-H2 . 8
. Система In-HCl-AsH3-H2. 9
. Система InAs-SiCl4-H2. 10
. Пиролиз МОС. 11
Жидкофазная эпитаксия арсенида индия. 12
Молекулярно лучевая эпитаксия арсенида индия. 13
Заключение. 14
Список использованной литературы. 16
Введение.
Эпитаксиальный арсенид индия - перспективный материал электронной техники.
Высокая подвижность электронов в арсениде индия прямозонная структура
позволяют использовать его для изготовления высокоэффективных электронных и
оптоэлектронных приборов, в частности быстродействующих транзисторов и
интегральных схем, фотоприемных детекторов ИК - диапазона, инжекционных
лазеров с длиной волны (3,5 мкм.
Однако широкое использование тонкопленочных структур арсенида индия
сдерживается отсутствием полуизолирующих подложек в связи с малой шириной
запрещенной зоны арсенида индия. Следует также отметить недостаточную
механическую прочность материала. Указанные проблемы могут быть преодолены,
по крайней мере частично, при гетероэпитаксиальном выращивании арсенида
индия. В этом случае, как правило, эпитаксию проводят на подложках арсенида
галлия с ориентацией поверхности (001).
Значительное рассогласование параметров решеток арсенида индия и арсенида
галлия 7.4% приводит при получении гетероэпитаксиальных пленок арсенида
индия и арсенида галлия методами газотранспортной и жидкофазной эпитаксии к
формированию переходного слоя значительной толщины и к большей плотности
морфологических и структурных дефектов. Это обусловлено ограничениями как
физического характера, присущим данным эпитаксиальным технологиям, так и
ограничениям, связанными с “ненаблюдаемостью” процесса роста.
Электрофизические свойства объемного арсенида индия.
Зонная структура арсенида индия.
Зона проводимости.
Арсенид индия является прямозонным полупроводником, у которого зона
проводимости сферически симметрична и минимум ее находится в центре зоны
Бриллюэна. Вблизи минимума кривизна зоны велика, вследствие чего
эффективная масса электрона очень мала и равна me(0.026 m0.
Зона проводимости имеет не-параболичную форму, кривизна ее уменьшается с
увеличением энергии. Экспериментальные результаты подтверждают
непараболичность зоны проводимости. Измерение эффективной массы на
поверхности уровня Ферми, приведенное для образцов с различной
концентрацией электронов, показало увеличение эффективной массы с ростом n-
кол-личеством носителей заряда (рис.1).
[pic]
Рис.1. Зависимость эффективной массы электрона от концентрации электронов.
Валентная зона.
Расчеты зоной структуры валентной зоны показали, что зона тяжелых дырок
состоит из двух подзон, сдвинутых относительно точки [pic]=0 в направлении
[111] на величину 0.008 а-1б .
В максимумах энергии не более чем на 0.006 эВ превышает энергию,
соответствующую центру зоны Бриллюэна. Зона легких дырок вырождена с зоной
тяжелых дырок при [pic]=0. Имеется также третья зона, положение которой
обусловлено спин-орбитальным взаимодействием. Величина эффективных масс и
некоторые характеристики зонной структуры приведены ниже:
Ширина запрещенной зоны Eg=0.35 эВ (300 К)
Температурная зависимость Eg=(0.44-2.8(10-4T)эВ
Эффективная масса электрона me*=0.026 m0
Эффективная масса тяжелой дырки mp*=0.41 m0
Эффективная масса легкой дырки mi*=0.025 m0
Эффективная масса дырки в зоне
спин-орбитального расщепления mj*=0.083 m0
Энергия спин-орбитального расщепления (Eg=0.43 эВ.
Оптические свойства арсенида индия.
Наибольший практический интерес представляет спектральный диапазон в близи
края собственного поглощения. Именно в этой области длин волн (3-5 мкм)
работают фотоприемники, изготовленные из эпитаксиальных структур арсенида
индия.
Поглощение света в толстом полупроводника может быть описано выражением
I=I0(1-k)(exp(-(X), (1)
где I0 - интенсивность падающего излучения, k - коэффициент отражения, ( -
коэффициент поглощения, X - координата.
Величина коэффициента отражения в близи края собственного поглощения не
превышает 30-40% и может быть оценена из выражения
[pic] (2)
где n - показатель преломления.
. В полупроводниках, как правило, одновременно работает несколько
механизмов поглощения света. Основные из них:
. собственное или фундаментальное поглощение;
. эксионное;
. поглощение свободными носителями;
. решетчатое;
. внутризонное.
Полный коэффициент поглощения в случае одновременного участия нескольких
механизмов поглощения равен:
[pic]. (3)
В указанном диапазоне длин волн 3-5 мкм и обычно используемой области
температур 77-300 К работает в основном два механизма: собственное
поглощение и поглощение на свободных носителях. В области собственного
поглощения прямозонная структура арсенида индия обуславливает резкую
зависимость коэффициента поглощения от энергии:
[pic],
[pic] (4)
где e - заряд электрона, h - постоянная Планка, с - скорость света. В
арсениде индия n-типа величина Еg=0.35 эВ при Т=300 К, а показатель степени
в выражении для (=0.85 n=1, в материале р-типа Еg=0.36 эВ, а n=0.5.
В легированных образцах за счет малой эффективной массы электронов с
увеличением концентрации носителей происходит быстрое заполнение зоны
проводимости электронами, в следствии чего уровень Ферми находится выше дна
зоны проводимости на величину энергии (En. В этом случае коэффициент
поглощения описывается выражением
[pic] (5)
т.е. происходит сдвиг края поглощения в сторону больших энергий.
Поглощение на свободных носителях в области длин волн, превышающих 3 мкм,
хотя слабее, чем собственное, тем не менее может играть значительную роль в
сильно легированных образцах. В этом случае ( описывается выражением
[pic] (6)
где n - показатель преломления, ( - проводимость, ( - длина волны, [pic]
Оценки показывают, что при (=3 мкм и n=1018 см-3 в пластине арсенида индия
толщиной 400 мкм поглотится около 80% светового потока.
Подвижность в арсениде индия.
Подвижность носителей заряда в кристаллах арсенида индия ограничивается
несколькими механизмами рассеивания:
. рассеянием на оптических и акустических фононах;
. на ионных примесях;
. на нейтральных примесях:
. на дефектах кристаллической решетки (дислокациях):
. на носителях заряда.
В приближении времени релаксации ( подвижность вычисляется по формуле
[pic] (7)
где ( - вычисляется для каждого механизма рассеивания отдельно.
В монокристаллических объемных образцах арсенида индия достигнуты следующие
значения подвижности:
n-тип, (=30000 см2/Вс(300К),
р-тип, (=450 см2/Вс(300К).
Сростом концентрацией примесей подвижность падает.
Методы глубокой очистки индия и мышьяка.
Для получения монокристаллов арсенида индия с высокими и стабильными
электрофизическими параметрами необходимо использовать высокочистые
исходные материалы.
Арсенид индия с трудом поддается очистке кристаллизационными методами в
следствие высокого давления диссоциации при температуре плавления, высокой
химической активности индия и мышьяка при температуре выращивания и близких
к единице значений коэффициентов распределения основных примесей в исходных
элементах, таких как сера, селен, цинк и др., а также из-за загрязнением
кремнием из кварца при высокой температуре.
Методы глубокой очистки индия.
В индии предназначенном для синтеза полупроводниковых соединений,
лимитирующими являются следующие примеси: алюминий, медь, магний, кремний,
серебро, кальций, серебро и сера.
Применяемые методы очистки индия можно разделить на химические и
физические. Методы первой группы - субхлоридный, экстракционный,
электролитический и перекристаллизация солей из растворов. Химические
методы требуют наличия сверхчистых вспомогательных материалов кислот,
щелочей, органических растворителей. Методы второй группы (физические) -
термообработка, ректификация, вытягивание из расплава и зонная плавка -
включают воздействие на индий каких-либо вспомогательных химических
реактивов.
При применении для приготовлении электролита особо чистого натрия
электролитическое рафинирование индия позволяет получить индий чистотой
99,9999% (выход по току 90%).
Субхлоридный метод получения индия высокой чистоты позволяет получать
индий чистотой 99,9999%.
Для успешного осуществления метода вакуумной термообработки необходимо
выполнения следующих условий:
. материал контейнера должен быть достаточно чистым и не взаимодействовать
с расплавленном индием;
. термообработка должна проводится в условиях высокого вакуума (10-6 мм
рт.ст.) и в остаточной атмосфере, не содержащей углеводородов.
Термообработка индия проводится в интервале температур 500-900ОС. Верхний
предел температурного интервала ограничивается взаимодействием
расплавленного индия с кварцем и значительным увеличение упругости пара
индия.
Вакуумная термообработка позволяет получить индий чистотой 99,9999%.
Зонная плавка электрически рафинированного индия позволяет осуществлять
дальнейшую очистку его от примесей.
При вытягивании кристаллов индия по методу Чохральского эффективная очистка
происходит при выращивании кристаллов с большими скоростями вращения
затравки (60-100 об/мин) и скоростью роста 2см/ч. Чистота индия выращенного
по методу Чохральского, выше 99,9999%. Применение только одного способа
очистки индия может оказаться недостаточным, и возможно потребуется
сочетание различных способов (физических и химических).
Методы получения мышьяка и его соединений высокой степени чистоты.
Общее содержание примесей в мышьяке используемом для синтеза арсенида
индия, не должно превышать 1(10-5%, суммарное содержание селена и теллура
должно быть < 1(10-6% каждого в отдельности.
Наиболее перспективными технологиями очистки мышьяка являются хлоридная и
гидридная с получением промежуточных высоко чистых продуктов треххлористого
мышьяка или гидрида мышьяка. Хлоридная схема получения чистого мышьяка
включает:
. хлорирование металлического мышьяка хлором или взаимодействие трехокиси
мышьяка с соляной кислотой;
. очистку трихлорида мышьяка ректификацией;
. восстановление очищенного трихлорида мышьяка водородом до компактного
металлического мышьяка.
Перед ректификацией треххлорида мышьяка проводят сорбционную очистку.
Для получения особо чистых гидрида мышьяка и элементарного мышьяка
используется гидридная схема. Гидридная технология мышьяка имеет ряд
преимуществ:
. содержание мышьяка в гидриде выше, чем в любом другом соединении;
. разложение гидрида мышьяка происходит при невысоких температурах и
отсутствует необходимость в восстановлении;
. гидриды имеют малую реакционную способность по отношению к
конструкционным материалам при температурах синтеза и очистки.
Недостатками гидрида мышьяка являются высокая токсичность и
взрывоопасность.
Гидридная технология очистки мышьяка состоит из следующих этапов:
. синтез арсенида металла II группы;
. гидролиз арсенида с получением арсина;
. очистка арсина сорбцией;
. вымораживание и ректификация;
. разложение арсина до металлического мышьяка.
Мышьяк, полученный по приведенным схемам, с успехом используется для
синтеза арсенида индия. Кроме того, треххлористый мышьяк находит широкое
применение для нарашивания эпитаксиальных слоев арсенида индия.
Эпитаксиальное наращивание арсенида индия из газовой фазы.
Газотранспортные процессы, в основе которых лежат обратимые химические
реакции, широко применяются для получения эпитаксиальных структур
полупроводниковых соединений А3В5. Основными достоинствами процесса
получения эпитаксиальных слоев арсенида индия из газовой фазы в проточной
системе являются:
. простота конструктивного оформления процесса;
. низкое пересыщение вещества над растущим кристаллом;
. сравнительно невысокие температуры кристаллизации, возможность
предотвращения загрязнения материалом контейнера;
. возможность управления процессом роста изменением скорости потока и
концентрации транспортирующего агента;
. широкие возможности легирования слоев различными примесями;
. возможность автоматизации процесса;
. осуществление непрерывного процесса;
. возможность получение многослойных структур и заданной морфологии.
Суммарные реакции, наиболее часто используемых для осаждения эпитаксиальных
слоев арсенида индия и переноса компонентов, в общем виде мощно представить
следующим образом:
4InГ3+As4+6H2(4InAs+12HГ; (8)
3As+2InГ3+3/2H2(3AsГ+2In+3HГ, (9)
3AsГ+2In(2InAs+AsГ3; (10)
In+As(InAs; (11)
2InAs+3Г2(InГ3+As2; (12)
2InAs+H2O(In2O+As2+H2; (13)
где Г - галоген. Арсенид индия в виде эпитаксиальных слоев получают
методами транспортных реакций либо синтезом из элементов, либо
пересублимацией соединения. Для переноса чаще всего используют галоиды
(трихлориды элементов III и V групп, хлористый водород) и воду. Галоидные
системы (хлоридные, йодидные) имеют преимущества перед системой H2O-H,
поскольку хлор и йод являются нейтральными примесями для арсенида индия.
Система In-AsCl3-H2 .
Достоинствами системы можно считать:
. малое число исходных компонентов в системе;
. устранение предварительного получения InAs, используемого в качестве
источника;
. возможность глубокой очистки AsCl3 ректификацией;
получение хлористого водорода и мышьяка высокой степени чистоты
восстановлением AsCl3 водородом.
Схема установки для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида индия с
использованием системы In-AsCl3-H2 представлена на рис.2.
Рис. 2. Схема установки для получения эпитаксиальных пленок InAs в системе
In-AsCl3-H2:
1- зона мышьяка; 2-лодочка с индием; 3-держатель с подложкой; 4-выход
водорода с продуктами реакций; 5-вход чистого водорода; 6-барботер с AsCl3.
Реактор имеет три зоны нагрева, причем печь сконструирована таким образом,
что источник индия можно наблюдать во время процесса.
Водород барботирует через испаритель с хлористым мышьяком при температуре
20ОС, и смесь AsCl3+H2 поступает в печь.
В зоне 1 печи протекает реакция :
2AsCl3+3H2 ( 6HCl+1/2As4. (14)
В зане 2 пары мышьяка взаимодействуют с индием. Смесь газов поступает в
зону источника индия и проходят реакции:
2In+2HCl ( InCl+H2; (15)
In+As4 ( 4InAs. (16)
Взаимодействие источника индия с газовой смесью происходит до насыщения
индия мышьяком. Когда индий полностью насыщается мышьяком, на поверхности
расплава образуется пленка арсенида индия, при этом избыточный мышьяк
поступает в реактор и конденсируется на холодных стенках реактора вне печи.
В течении периода насыщения индия мышьяком подложка находится вне реактора.
Продолжительность насыщения определяется количеством индия, его
температурой и скоростью поступления пара мышьяка к поверхности индия. При
использовании не полностью насыщенного источника индия состав газовой фазы
в зоне осаждения непостоянен.
При выращивании арсенида индия n-типа в системе In-AsCl3-H2 в газовый поток
Страницы: 1, 2
|