Молекулярно-пучкова епітаксія

Молекулярно-пучкова епітаксия. Обладнання та результати.

Автор(и): А. Алексєєв, А. Філаретов, В. Чалий, Ю. Погорельський

of your page -->

Метод молекулярно-пучкової епітаксії (МПЕ) заснований на вирощуванні напівпровідникових шарів з випаровуються у надвисокому вакуумі (

10 -11 мм.рт.ст.) ефузійними джерелами компонентів, причому поширення потоків компонентів зростання обсягом відбувається у режимі молекулярного прольоту. Для забезпечення необхідної чистоти процесу та надвисокого вакууму крім зовнішньої безмасляної відкачувальної системи (турбомолекулярні, іонні, кріо-насоси) використовуються вбудовані в ростовий реактор і заповнені рідким азотом кріопанелі.

Сильне розігрів джерел та підкладки, прецизійні вбудовані методики дослідження, необхідність механічного переміщення підкладок між камерами в умовах надвисокого вакууму призводять до помітної складності обладнання. Як наслідок, установки МПЕ виробляються лише кількома фірмами США та Європі. В Україні серійний випуск таких установок, розпочатий у 80-ті роки, до середини 90-х років. був повсюдно припинено, причому рівень продукції, порівнянної із зарубіжним якості, так і не був досягнутий.

У 2001 р. за розробку та виробництво установок МПЕ (торгова марка "SemiTEq") (Рис. 1) взялося нове підприємство - ЗАТ "Наукове та технологічне обладнання" (Санкт-Петербург). Підприємство було засноване технологами, які мали великий досвід практичної роботи на вітчизняному та зарубіжному устаткуванні МПЕ у ФТІ ім. Іоффе РАН. До робіт було залучено конструкторів з колишнього НВО "Аналітичного приладобудування"(Санкт-Петербург) та НІТІ (Рязань), які брали участь у створенні перших серійних вітчизняних установок МПЕ.

Підприємство розпочало свою діяльність із розробки спеціалізованої установки МПЕ для вирощування структур на базі нітридів 3-ї групи (У 1990-2000 рр. нітридні напівпровідники продемонстрували виняткові приладові можливості в оптоелектроніці та НВЧ-мікроелектроніці). З'ясувалося, що умови для їх створення помітно відрізняються від умов для класичних напівпровідників А3В5 (наприклад, AlGaAs). Спроби адаптації цих цілей традиційних установок МПЕ не дали бажаних результатів. Потрібно помітне підвищення температури підкладки, істотне посилення відкачуваної системи для видалення значного потоку аміаку, що використовується в якості джерела азоту та ін. (стосовно нітридів це, зокрема, призвело у світі до тимчасового відставання технології МПЕ в порівнянні з газотранспортними методами).

Розробникам ЗАТ "Наукове та технологічне обладнання" вдалося вирішити вищезгадані проблеми. Створені до 2005 р. установки STE3N2 (Рис. 2), STE3N3 демонструють рівень технологічних та приладових результатів, порівнянний із зарубіжними, отриманими з використанням газотранспортних методів та на спеціалізованих МПЕ-установках іноземного виробництва. Перша апробація створеного на підприємстві обладнання МПЕ була проведена в ЗАТ "Світлана-Рост" (Санкт-Петербург), яке спеціалізується на розробці та серійному випуску напівпровідникових гетероструктур, НВЧ-транзисторів та МІС на їх основі. Розроблені ним нітридні гетероструктури для НВЧ-мікроелектроніки демонструють повну відсутність ефекту колапсу (падіння потужності у НВЧ-режимі порівняно зі статичними характеристиками), що характерно для нітридних транзисторів.Рухливість у двовимірному каналі на гетерокордоні GaN/AlGaN становить

1500 см -2 /В×з при концентрації

1,5×10 13 см -2. (Зазначимо, що концентрація носіїв майже перевищує максимальні значення для структур на основі AlGaAs). Розкид питомого шарового опору Rs пластиною – трохи більше ±1,5%, що визначає високий вихід придатних під час виробництва транзисторів (Рис. 3).

Спільно з ФГУП "Исток" на створених гетероструктурах були виготовлені транзистори з питомою потужністю 3,8 Вт/мм при 10 ГГц, що близько до граничних значень структур, вирощених на сапфірі. Досягнення зазначених результатів значною мірою обумовлено можливостями зростання устаткування. Установки STE3N2 та STE3N3 забезпечують максимальне значення температури зразка не нижче 1200 0 С, що щонайменше на 200 0 С вище, ніж у GaN-орієнтованої установки Compact-21 виробництва фірми Riber (Франція) – одного зі світових лідерів у цій галузі. Можливість проведення процесу при

1200 0 З дозволяє вирощувати гетероструктури з перехідного шару AlN, що має високу кристалічну досконалість. Вирощений на такому шарі об'ємний нітрид галію демонструє рекордні значення рухливості вільних носіїв (Рис. 4). Ця базова характеристика матеріалу для газотранспортної технології виявляється, як правило, вищою, ніж для МПЕ. Результат, отриманий на STE3N2, перевищує літературні дані як традиційного МПЕ устаткування, так газотранспортної епітаксії (при зростанні на сапфірі).

Важливий приладовий аспект включає перехідний шар AlN ростового процесу - можливість його легкої адаптації до різних видів підкладок: сапфір, кремній, карбід кремнію. Висока теплопровідність підкладок Si і, особливо, SiC дозволяє суттєвозменшити вплив теплового розігріву на роботу потужного транзистора.

Особливості створеного устаткування забезпечують ці результати.

Ростовий реактор діаметром

600 мм включає:

Система відкачування реактора складається з: корозійностійкого турбомолекулярного та іонного насосів, безмасляної системи форвакуумного відкачування. Обслуговуючі камери (одна в STE3N2, дві в STE3N3): шлюзова камера з накопичувачем на вісім зразків; додаткова камера підготовки, що забезпечує прогрівання та знегажування підкладок перед зростанням. Камери мають індивідуальну систему відкачування; поєднуються лінійними маніпуляторами, які переносять зразки з однієї камери в іншу. Під час проведення ростового процесу реалізуються такі функції управління:

Процес повністю автоматизовано, але може проводитися і вручну (від персонального комп'ютера). Слід також відзначити використання оригінальної конструкції ефузійних джерел галію та алюмінію власної розробки, що дозволяє враховувати специфіку їх експлуатації в атмосфері аміаку та забезпечувати тривалу працездатність у поєднанні з високими швидкостями зростання AlN та GaN (1 мкм/год).

Конструкція джерел, як і низка принципово важливих технічних рішень щодо установок загалом, запатентовані. Апробація головного екземпляра установки STE3N2 у ЗАТ "Світлана-Рост" мала на меті не тільки проведення технологічних робіт, а й випробування надійності всієї конструкції. Після річної експлуатації, в ході якої було виконано більше трьохсот епітаксійних процесів, було розпочато серійний випуск установок STE3N2 та STE3N3. До теперішнього часу здійснено постачання:

ЗАТ "Наукове та технологічне обладнання" окрім нітридних МПЕ-установок, освоїло виробництво обладнання МПЕ для класичнихнапівпровідників A3B5/A2B6 (Рис. 5, 6), установок електронно-променевого напилення, плазмо-хімічних установок травлення та нанесення діелектриків, обладнання для термічної обробки напівпровідникових пластин.