Підкладка для вирощування епітаксійних шарів арсеніду галію
Власники патенту UA 2267565:
Винахід відноситься до отримання монокристалічних матеріалів та плівок і може використовуватися в технології напівпровідникових матеріалів для виготовлення сонячних елементів, інтегральних схем, твердотільних НВЧ-приладів. Як матеріали підкладок для вирощування плівок GaAs орієнтації (100) використовуються монокристали інтерметалічних сполук, виконані з одного з бінарних сплавів: NiAl, CoAl, AlTi, NiGa. Винахід дозволяє вирощувати дзеркальні епітаксійні плівки арсеніду галію в ширшому діапазоні температур осадження та пересичення, забезпечує спрощення технології виготовлення приладів та знижує їхню вартість. 2 з.п. ф-ли.
Винахід відноситься до електронної техніки, зокрема до технології матеріалів для створення напівпровідникових приладів - пристроїв прийому, обробки та передачі інформації. Арсенід галію внаслідок специфічної особливості зонної будови знайшов широке застосування в опто- та мікроелектроніці. Основна частина приладів, що використовують арсенід галію, виконана не на масивних кристалах і зрізах з них, а на епітаксійних плівках та шарах, вирощених на підкладках з арсеніду галію. Відомо, що вирощування великих монокристалів GaAs приладової якості досі становить помітну труднощі [1], тому за розміром кристали GaAs, що вирощуються, значно поступаються кристалам кремнію. Саме ця технологічна складність стримує широке застосування приладів на основі GaAs, з одного боку, а з іншого - стимулює роботи із заміни підкладок з арсеніду галію на інші, еквівалентні за кристалографічними параметрами як надчеревний матеріал арсеніду галію, але більш прості за технологією їх вирощування.
Відомий ряд спроб замінитимонокристали GaAs як підкладки на інші, дешевші, зокрема, на кремній - основний матеріал сучасної мікроелектроніки як безпосередньо, так і через нанесення проміжних - перехідних шарів. Помітна невідповідність кристалічних ґрат кремнію та арсеніду галію призводила до ефекту старіння приладів [2].
Інший підхід до вирішення цієї проблеми запропонований у роботі [3] – вирощування плівок GaAs на інтерметалідах на основі сплавів перехідних металів 4-го періоду з елементами 5-ої групи періодичної системи елементів [3]. Великою перевагою цих підкладок є використання їх отримання матеріалів з низькою пружністю пари, що дозволило суттєво спростити процеси синтезу інтерметаліду і вирощування монокристалів: їх вдається проводити у вакуумі, й у нейтральному середовищі (аргон) - при атмосферному тиску. Це рішення є найближчим до пропонованого винаходу. Особливістю цих інтерметалідів є те, що їхній хімічний склад близький до хімічного складу матеріалів для омічного контакту для арсеніду галію.
Цим відомим підкладкам для вирощування епітаксійних шарів арсеніду галію властивий один істотний недолік - інтерметаліди цієї групи кристалізуються в гексагональному типі кристалічних ґрат. Вирощені на них монокристалічні плівки GaAs ростуть віссю [111] перпендикулярно поверхні росту (0001) підкладки.
Існують певні відмінності в технології вирощування епітаксійних плівок GaAs, пов'язані зі зростанням на різно орієнтованих підкладках (основні напрямки – [100], [110], [111]). До них відносяться: різна швидкість росту, різна швидкість травлення, морфологія поверхні, зокрема гладкість (дзеркальність) поверхні. Для напрямку зростання [111], що використовується впрототипі, існує відома труднощі у вирощуванні епітаксійних плівок GaAs, що полягає у вузькому діапазоні температур і пересиченні області дзеркального росту: при невеликому відхиленні параметрів росту від оптимальних на поверхні росту з'являються тригональні піраміди росту, що призводить до погіршення гладкості (дзеркальності) та появи рельєфу. епітаксійних плівок. Негладкість епітаксійної поверхні призводить до суттєвих проблем при проведенні літографії на її поверхні.
Тому в промисловості в основному (за винятком спеціальних випадків) для епітаксійного зростання використовують поверхню (100) як більш стійку до коливань параметрів зростання. З метою повнішого використання існуючої промислової технології вирощування плівок арсеніду галію на цій площині необхідні інші інтерметаліди.
Технічна задача, що вирішується пропонованим винаходом, полягає в розробці нових матеріалів, придатних для використання їх як підкладок для вирощування на їх поверхні епітаксійних плівок GaAs (100) - орієнтації, що дозволяють використовувати існуючі промислові технології їх зростання, що дає можливість вирощування дзеркальних епітаксійних плівок. у ширшому діапазоні температур осадження та пересичення.
Зазначена мета досягається тим, що як підкладки для вирощування епітаксійних шарів GaAs використовуються монокристали інтерметалічних сполук, виконаних з одного з наступних бінарних сплавів: NiAl, CoAl, AlTi, NiGa. При цьому поверхня зростання підкладки має орієнтацію (100).
Відомо, що монокристали інтерметалідів перехідних металів 4-го періоду періодичної системи з елементами групи 3 - алюмінієм і галієм кристалізуються в кубічній (NiAl, CoAl, NiGa)і тетрагональних (AlTi) сингоніях, утворюючи на поверхні росту (100) квадратні плоскі двовимірні решітки з близькими до арсеніду галію періодами кристалічних решіток. Тому вони виявилися перспективними для використання як матеріали для підкладок при епітаксії шарів GaAs. Для більш повного узгодження параметрів кристалічних решіток підкладок-інтерметалідів і GaAs до інтерметалідів NiAl та NiGa додано сплав інтерметаліду NiBe у кількості та 22,6±3 ат% та 20,6±3 ат% відповідно, а в інтерметаліди CoAl та AlTi доданий сплав СоВе в кількості 15,4±3 ат% та 1,8±0,3 ат% відповідно.
Зі сплавів перехідних металів нікелю, кобальту та титану з алюмінієм були синтезовані алюміній кобальт, алюміній нікель, алюміній титан, а зі сплавів галію з нікелем було синтезовано інтерметалічну сполуку - GaNi. Відзначено, що реакції сплавлення алюмінію з нікелем і кобальтом є пірофорними і супроводжуються великим виділенням тепла (відбувається саморозігрів навішування в тиглі в процесі нагрівання компонентів в тиглі.
З синтезованих злитків методом Чохральського в установці «Кристал - 3М» були вирощені монокристали інтерметалідів: алюміній кобальт (температура росту 1650 ± 5 ° C), алюміній нікель (температура росту 1660 ± 5 ° С), алюміній ±5°С), нікель галій (температура зростання 1220°±5°С). Ці монокристали вирощувалися як у вакуумі (р˜1·10 -5 мм рт.ст.), так і в газовому середовищі (аргон ˜ 1 атм) з використанням тигля з двоокису цирконію. Як вихідні матеріали використовувалися нікель електролітичний вакуумної переплавки 99,99% чистоти, кобальт електролітичної переплавки - 99,9%, титан - 99,9%, алюміній - 99,9% - 99,9%, галій - 99,99%, берилій – 99,9%. Як затравок застосовувалисямонокристали, раніше вирощені у вертикальних печах. Швидкість обертання затравок становила 30-40 оборотів за хвилину, швидкість витягування монокристалів знаходилася в межах 1,5-7 мм на годину. Діаметр вирощених монокристалів становив 10-35 мм, довжина монокристалів – 10-15 см.
Можливі включення, осьова та радіальна однорідність перевірялися металографічно та рентгенографічно. Вирощені монокристали розрізалися по площині (100) і полірувались для подальшого застосування як підкладки для епітаксії шарів GaAs.
Методом молекулярно-пучкової епітаксії на цих підкладках були вирощені епітаксійні плівки GaAs товщиною 1-2 мікрометри за методикою, описаною в [3]. Рентгено-топографічні дослідження вирощених епітаксійних структур показали існування невідповідності періодів кристалічних ґрат:
2·a (CoAl)-a (GaAs)/a (GaAs)=1,35%
2 · a (NiAl) - a (GaAs) / a (GaAs) = 2,2%
2 · a (AlTi) - a (GaAs) / a (GaAs) = 0,13%
2 · a (NiGa) - a (GaAs) / a (GaAs) = 1,97%,
де а - період відповідних кристалічних ґрат.
Плівки GaAs (100) орієнтації, вирощені цих підкладках, були дзеркально-гладкими. Гладкість підкладок перевірялася інтерферометрично.
За методикою, описаною вище, нами були синтезовані BeNi та ВеСо. Встановлено, що додавання наступних кількостей BeNi і ВеСо в тигель для вирощування монокристалів призводить до суттєвого поліпшення (аж до повного) узгодження кристалічних ґрат підкладки-інтерметаліду та вирощеного епітаксильного шару GaAs:
22,6±3 атомних відсотка BeNi для NiAl
15,4±3 атомних відсотка ВеСо для CoAl
20,6±3 атомних відсотка BeNi для GaNi
1,8±0,5 атомних відсотка ВеСо для AlTi
Таким чином використання якпідкладок для вирощування епітаксійних шарів GaAs зазначених вище інтерметалевих сполук дозволяє вирощувати плівки та шари GaAs за промисловою технологією, при цьому суттєво спрощується технологія зростання матеріалу підкладок при збереженні їх високих споживчих якостей.
1. М.Г.Мільвіцький. Напівпровідникові матеріали у сучасній електроніці. М., Наука, 1986.
2. P.Sheldon та ін. Jour. Appl. Phys. 58 (11), 4186 (1986).
1. Підкладка для вирощування епітаксійних плівок арсеніду галію, виконана з монокристалу інтерметалевого з'єднання, відрізняється тим, що інтерметалеве з'єднання є одним з бінарних сплавів нікелю, кобальту, титану з алюмінієм або бінарним сплавом нікелю с0 ).
2. Підкладка по п.1, яка відрізняється тим, що бінарні сплави нікелю з алюмінієм і нікелю з галієм додатково містять інтерметалічне з'єднання, що є бінарним сплавом берилію з нікелем у кількості 22,6±3 ат.% і 20,6±3 ат. % відповідно.
3. Підкладка за п.1, яка відрізняється тим, що бінарні сплави кобальту з алюмінієм і титану з алюмінієм додатково містять інтерметалічне з'єднання, що є бінарним сплавом берилію з кобальтом у кількості 15,4±3 ат.% і 1,8±0,3 ат.% відповідно.