Технология эпитаксиальных пленок InAs

Технология эпитаксиальных пленок InAs

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

вводится смесь H2S+H2 . Концентрацией H2S определяется уровень легирования.

Страницы: 1, 2