Реферат: 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 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).
/>

Рис.1. Зависимость эффективной массы электрона от концентрации электронов.
--PAGE_BREAK--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. Для получения пленок р-типа используется элементарный цинк и кадмий, вводимые в виде легирующей добавки из испарителя с отдельной зоной нагрева.
Система In-HCl-AsH3-H2.

Принципиальными технологическими преимуществами гидридов являются следующие:

летучие ковалентные гидриды можно получать из всех наиболее важных в полупроводниковой технике элементов;

свойства гидридов позволяют успешно применять очистку, основанную на трех фазовых переходах (жидкость- пар, твердое- пар, твердое- жидкость), а также эффективные методы газовой очистки (сорбции, ионного обмена);

содержание основного элемента в гидриде выше, чем в любом другом соединении;

гидриды имеют малую реакционную способность по отношению к конструкционным материалам.

Недостатками гидридов являются их высокая токсичность и взрывоопасность.

При выращивании эпитаксиальных слоев этой системы мышьяк при комнатной температуре находится в газообразном состоянии, что обеспечивает постоянство состава газовой фазы и гибкость процесса легирования.

Типичная схема установки для наращивания эпитаксиальных слоев арсенида индия с помощью системы In-HCl-AsH3-H2 приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема установки для наращивания эпитаксиальных слоев InAs с помощью системы In-HCl-AsH3-H2: 1-выпускная труба; 2-подложка.

xIn+HCl xInCl+(1-x)HCl+x/2H2, (17)

где х — мольная доля HСl участвующая в реакции (сильно зависит от температуры). Следует отметить, что реакция протекает не до конца, т.е. химическое равновесие не наступает. Наиболее вероятной причиной наблюдаемого отклонения от химического равновесия является геометрия установки и значительные скорости потока газа. Гидриды элементов V группы, в том числе и AsH3, термически неустойчивы при температурах, обычно используемых при выращивании эпитаксиальных слоев. Основные реакции осаждения следующие:
3InCl+1/4As4+1/2H2 « InAs+HCl. (18)

При получении эпитаксиальных слоев арсенида индия с помощью системы In-HCl-AsH3-H2 является гибким методом наращивания. Качество слоев, полученных с помощью этой системы, обычно эквивалентно или даже превосходит качество слоев, полученных с участием других систем и методов, за исключением хлоридной системы In-AsCl3-H2.
Система InAs-SiCl4-H2.
Эпитаксиальные пленки арсенида индия высокой чистоты можно получать с использованием в качестве транспортирующего агента тетрахлорид кремния. Схема установки приведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема установки для эпитаксиального наращивания InAs с использованием системы InAs-SiCl4-H2: 1-печь; 2-первый источник InAs; 3-второй источник InAs; 4-подложка.
Водород, насыщенный тетрахлоридом кремния, при температуре -30СО, подается во внутреннюю трубку реакционной камеры. Продукты разложения (водород, хлористый водород и дихлорид кремния) вместе с остатком тетрахлорида кремния поступают во внешнюю реакционную трубу, где взаимодействуют с первым источником арсенида индия. При этом на источнике растет пористая пленка кремния и образуется хлорид индия мышьяк. На втором источнике, предназначенном для полного восстановления хлоридов кремния, также осаждается небольшое количество кремния. Эпитаксиальное наращивание пленок арсенида индия проводится на одноименные подложки, расположенные за вторым источником. Этот процесс можно представить следующим

последовательнымрешением:
в реакционной камере

SiCl4 ® SiCl2+2HCl, (19)

с источник арсенида индия

2InAs+ SiCl4+ SiCl2®2Si+2InCl+1/4As4, (20)

2InAs+SiCl4®4InCl+As4, (21)

на подложке

2InCl+As2+H2®2InAs+HCl. (22)

Тетрахлорид кремния как транспортный агент в газотранспортных реакциях имеет преимущество перед другими хлоридами:

может быть получен особо высокой степени чистоты;

имеет высокое парциальное давление при относительно невысоких температурах;

не дает донорных уровней в эпитаксиальном слое.

Пиролиз МОС.
Значительный интерес представляют реакции металлоорганических соединений. Процессы такого рода проводятся при низких температурах, что существенно повышает чистоту, синтезируемого соединения, кроме того синтез многих МОС носит избирательный характер, а так как целый ряд примесей, влияющих на электрофизические параметры полупроводниковых материалов, не образуют аналогичных соединений, то уже в процессе самого синтеза МОС происходит очистка от нежелательных примесей до уровня 10-5-10-6 вес %.

Основными реакциями, приводящими к образованию арсенида индия при участии МОС, можно назвать следующие:

термическое разложение индивидуального МОС по схеме

RnInAs®InAs+nRH (23)

разложение происходит в атмосфере водорода;

реакции элементоорганических производных, имеющими подвижный водород по схеме

(C2H5)3In+AsH3®InAs+3C2H6; (24)

совместное разложение двух или более МОС или гидридов, приводящее к образованию твердых растворах на их основе.

В качестве источников индия и мышьяка для выращивания эпитаксиальных структур используются метил- и этил производные, эфираты триметил индия. Последние соединения в сравнении с триметилиндия более технологичны, так как менее реакционно способны и удобнее как в процессе очистки, так и при проведении процесса эпитаксиального наращивания.

Как правило, процесс осаждения термическим разложением МОС осуществляется в атмосфере водорода. Возможно проведение процесса также в смеси водорода и азота или только в азоте.

В зависимости от условий проведения процесса термического разложения арсенид индия может быть получен как в виде порошка, так и в виде эпитаксиально выращенных слоев.

Одним из преимуществ метода является легкость проведения легирования в процессе эпитаксиального наращивания. С этой целью применяют широкий ассортимент алкильных соединений элементов.

Из рассмотренных диаграмм парциальных давлений для хлоридного, хлоридно-гидридного метода и пиролиза триметилиндия с арсином в водороде следует, что максимальную область осаждения арсенида индия имеет система (CH3)3In-(CH3)3As-H2, минимальную система In-AsCl3-AsH3-H2. Из этого следует, что с учетом ограничений связанных с кинетикой, процесс получения эпитаксиальных структур арсенида индия с использованием МОС менее критичен к температуре, давлению и концентрации реагентов, а осуществление этого процесса возможно в более широком диапазоне, чем в случае хлоридного метода.

Важным вопросом с точки зрения развития метода получения эпитаксиальных структур арсенида индия с использованием МОС является возможность загрязнения слоев углеродом. Термодинамическим анализом процесса получения арсенида индия по реакции

(CH3)3In+AsH3®InAs+3CH4 (25)

показано, что переход углерода в слои арсенида индия за счет вторичных превращений углеводородов (метана, этана, этилена) в присутствии избытка арсина и водорода невозможно.

Получение эпитаксиальных полупроводниковых структур с использованием МОС открывает возможности стимулирования процессов газофазного выращивания под воздействием электромагнитного поля, лазерного и ультрафиолетового облучения.

Основными особенностями и преимуществами метода являются:

простота конструкции реактора с одной высокотемпературной зоной;

более низкая температура процесса, что уменьшает эффект самолегирования, улучшает профиль распределения концентрации по толщине слоя;

возможность независимой регулировки исходных компонентов, что обеспечивает возможность получения эпитаксиальных слоев с любым заданным профилем распределения концентрации носителей заряда по толщине слоя;

отсутствие травящих агентов (HСl) в системе позволяет осуществлять рост эпитаксиальных слоев на гетероподложках;

возможность получать субмикронные эпитаксиальные слои (0.2-0.8 мкм), величина переходной области подложка-слой составляет 0.03-0.1 мкм.




Жидкофазная эпитаксия арсенида индия.


Несмотря на то, что получение эпитаксиальных слоев из паровой фазы является основным направлением в технологии изготовления полупроводниковых приборов процесс эпитаксиального оста из жидкой фазы в ряде случаев обладает некоторыми преимуществами к примеру

при получении сильнолегированных слоев;

p-n переходов высокого качества.

Выращивание эпитаксиальных слоев арсенида индия производится с использованием легкоплавких металлов или их смесей, которые могут быть как донорными так и акцепторными примесями в получаемых слоях.

На качество и электрофизические свойства эпитаксиальных слоев, выращиваемых из жидкой фазы, влияют следующие факторы:

скорость охлаждения раствора-расплава;

начальная равновесная температура раствора-расплава;

увеличение веса растворяющего вещества сверх равновесного значения;

соотношение объема расплава и контактирующей площади поверхности подложки с расплавом;

физико-химическая природа растворителя и растворимого вещества;

металлографическое состояние поверхности подложки;

чистота используемых в процессе веществ и конструкционных материалов.

На рис.5 представлена схема установки для проведения процесса эпитаксиального роста из жидкой фазы, а на рис.6 изображена кривая нагрева печи в ходе процесса.

Рис. 5. Схема установки эпитаксиального роста из жидкой фазы: 1-держатель подложки; 2-полдложка; 3-держатель раствора-расплава; 4-раствор-расплав.
Рис. 6. Температурный профиль процесса эпитаксиального роста InAs из жидкой фазы.

--PAGE_BREAK--