Полупроводниковых преобразователей оптических излучений
Для синтеза новых высокоэффективных полупроводниковых ИП оптических излучений требуется решение проблемы, связанной с исследованием известных методов получения пленочных твердотельных компонентов, многослойных структур на базе проводящих, диэлектрических, полупроводниковых и магнитных материалов применительно к их комплексному использованию в техпроцессе производства ИП излучений. В этой связи решение указанной проблемы потребовало доработки известных и создания новых методов формирования полупроводниковых приборных структур под конкретную задачу создания комплексной технологии формирования многофункциональных миниатюрных ИП оптических излучений.
Преобразователи оптических излучений реализуются на основе пленочных структур типа металл-полупроводник-диэлектрик и обладают высокими электрофизические свойства. Важным фактором надежной и качественной работы миниатюрных ИП является точное определение соответствующих методов и средств создания металлических, полупроводниковых и диэлектрических компонентов.
К наиболее эффективным методам формирования пленочных структур ИП на базе металлов, диэлектриков и полупроводников относятся: выращивание из расплава, из раствора; электролитическое осаждение; термическое испарение в вакууме; ионно-плазменное распыление и химическое осаждение из газовой фазы.
Формирования однородных по составу и структуре тонких пленок ИП из металлов, полупроводников и диэлектриков напылением в вакууме осуществляем следующими методами: электроннолучевым, ионно-плазменным и лазерным напылением термическим и дискретным испарением. Это возможен, если температура распыляемого материала Т0 ниже температуры плавления Тпл и процесс испарения представляет возгонку распыляемого вещества.
При наращивании проводящих слоев испарители изготавливаем из тех же проводящих материалов. Если Т0≥ Тпл, а расплавляемый материал образует с металлическим испарителем химическое соединение - источник загрязнения, используем выполненные из инертных термостойких материалов тигли с косвенным подогревом. Перспективным следует считать высокочастотный индукционный нагрев, поскольку он позволяет непосредственно передавать энергию испаряемому материалу.
Получение пленочных структур ИП из разлагающихся сплавов, химических соединений полупроводников и диэлектриков распылением в вакууме связано с рядом трудностей, обусловленных разложением таких структур при плавлении. Поэтому предложено [40] использовать дискретное испарение. При этом напыляемое вещество наносится последовательно и малыми порциями, чтобы состав конденсата на подложке практически соответствовал исходному составу частиц. Большое значение при дискретном испарении имеет выбор материала и конструкции испарителя. Поскольку испаритель работает при температурах порядка2000°С, для испарения массы и слабой реакции с испаряемым веществом используем плоские ленты из тугоплавких металлов.
Для формирования пленочных компонентов ИП оптических излучений из соединений типа А3В5 и А2В6 разработан метод трех температур [41], который основывается на раздельном испарении в вакууме компонентов бинарных соединений АВ из двух отдельных испарителей, нагретых до различных температур. Формирование стехиометрических пленок обеспечивается тем, что температуруподложки поддерживаем в интервале .
Ионно-плазменное распыление представляет собой наиболее гибкий и управляемый способ формирования металлических, полупроводниковых и диэлектрических пленок ИП высокой чистоты [42].
Используются три варианта ионного распыления дляполучении пленочных компонентов ИП:
- стандартная диодная система тлеющего разряда;
- диодный вариант на переменном токе с ассиметричной схемой;
- распыление в плазме несамостоятельного разряда низкого давления с термоэлектрическим катодом.
Пленки диэлектриков и высокоомных полупроводников в структурах миниатюрных ИП оптических излучений формируем методом высокочастного распыления по указанному в [42] технологическому режиму. Данный метод предусматривает периодический съем создаваемого бомбардирующими ионами положительного заряда путем подачи, например на металлический электрод с диэлектрической мишенью, высокочастотного (ВЧ) напряжения. Наиболее часто используем в техпроцессе формирования пленок ИП два вида систем ВЧ-распыления: с вспомогательным (триодная система) и высокочастотным (диодная система) разрядами. Также при синтезе пленочных приборных структур ИП используем химические методы формирования: осаждение из паровой (газовой) фазы и электрохимическое, в основе которых лежат электрическое разделение ионов (при электрохимическом осаждении) или тепловые эффекты (при осаждении из паровой фазы)[42,43]. Методы электрохимического осаждения позволили формировать пленочные структуры металлов, сплавов и оксидов.
При формировании пленочных структур ИП химическим осаждением вещества из газовой фазы используем две группы, отличающиеся способом доставки атомов от источника к растущему кристаллу [42].
К первой группе относятся методы диссоциации и восстановления газообразных химических соединений, а ко второй - методы газотранспортных реакций. Обе группы характеризуются разной системой переноса веществ газовой фазы - закрытой или открытой.В закрытой системе переноса действует двухзонный температурный режим, обеспечивающий эпитаксиальное наращивание в структурах ИП пленок элементарных полупроводников, соединений АзВ6 и А2В6 методом ионного транспорта. К достоинствам закрытой системы относятся простота аппаратурной реализации и исключение возможности какого-либо вмешательства в ход процесса.Методы формирования пленочных структур ИП в открытой [42] и закрытой системах аналогичны, только в первом случае постоянным остается давление, а во втором - объем. Кроме того, в открытой системе реализован двухзонный или трехзонный профиль печи. Метод осаждения в этой системе обладает высокой производительностью, универсальностью, обеспечивает эффективный контроль кристалличности и степени легирования формируемых пленок. Поэтому он является перспективным для формирования слоев элементарных полупроводников и химических соединений на любых твердых подложках ИП с заданными параметрами.
Всоздаваемых нами миниатюрных ИП оптических излучений на основе пленочных структур из интерметаллических соединений А3В5, А2В6 обычно металлическое основание является омическим контактом к полупроводниковому слою. Перспективными для создания таких структур преобразователей является метод реакционной диффузии, посредством которого на металлическом компоненте соединения - омическом контакте, расположенном в первой термической зоне вакуумной двухзонной камеры, наращивается пленка соединения вследствие диффузии атомарного потока металлоида из второй зоны камеры и химического взаимодействия ионов на поверхности растущей пленки.При выборе требуемых методов формирования пленочных структур из заданных материалов в техпроцессе производства полупроводниковых ИП оптических излучения учитываем их основные технические характеристики, сложность используемого оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры, длительность технологических процессов. Кроме того, учитываем тип требуемой пленки, ограничения в выборе подложек, а в случае формирования многослойных структур преобразователей - совместимость различных процессов (таблица 1.4).
Таблица 1.4- Сравнительная характеристика методов получения тонких
пленок
Метод | Контролируемыепараметры | Преимущества | Недостатки |
Вакуумноеиспарение; | Температураиспарителя, температура | Большой выбор испаряемых материалов и подложек | Необходимость сложного вакуумного оборудования, невозможность испарения тугоплавких металлов и сплавов,разлагающихсясоединений,загрязнений, конденсата остаточными газами |
Дискретное | Температура испарителя и подложки, степень вакуума | Возможность испаренияразлагающихся химических соединений и сплавов | Высокая критичность температуры испарителя: при температурах испарителя ниже оптимальной наблюдается фракионирование сплава на составляющие. |
Продолжение таблицы 1.4 | |||
Индукционное | Температура тигля и подложки, степень вакуума | Возможность испарения термостойких материалов, незначительное загрязнение испаряемого вещества ионами тигля | Невозможность испарения разлагающихся сплавов и соединений. Образование шлаков, затрудняющих процесс нанесения пленок. Загрязнениеконденсатаостаточнымигазами |
Электронно-лучевое | Ток луча, температура подложки, степень вакуума, время испарения | Возможность испарения тугоплавких металлов. Отсутствие взаимодействия между испарителем и испаряемым веществом | Загрязнение конденсата продуктами полимеризации паров вакуумного масла (при масляной откачке). Влияние рентгеновского излучения на качество готовых структур |
Лазерное | Мощность луча, время испарения, температура подложки, степень вакуума | Возможность испарения тугоплавких металлов и сплавов без выброса частиц жидкой и твердой фазы. Возможность локального формирования пленок. Отсутствие источников загрязнения испаряемого вещества | Сложностьоборудования |
Ионно-плазменное распыление: по диодной схеме | Температура подложки, плотность ионного тока, потенциал мишени | Возможность получения пленок металлов, сплавов и соединений при высоких давлениях (4 МПа и выше) | Значительное загрязнение пленки примесями газовой атмосферы камеры, а также примесями материала подложки или подложко-держателя. Обратная диффузия атомов распыляемого материала к мишени. Необходимость охлаждения мишени |
Потриоднойсхеме | Плотность ионного тока, потенциал мишени, температура подложки | Устранение обратной диффузии атомов распыляемого материала к мишени. Возможность распыления металлов, сплавов и соединений при низких температурах | Загрязнение пленок примесями газовой атмосферы камеры, а также примесями материала подложки испарителя. Необходимость охлаждения мишени |
Продолжение таблицы 1.4 | |||
Осаждение | Энергияионов, степеньвакуума | Возможность распыления металлов сплавов и соединений в условиях высокого вакуума. Возможность контроля содержания примесей газа в пленках | Загрязнение пленок атомами, распыляемыми из ускоряющихся электронов. Необходимость охлаждения мишени |
Химическиеметоды: электрохимическоеосаждение | Плотностьтока | Возможность осаждения металлических пленок на тверды подложки. Простота оборудования и техпроцесса | Ограниченное число материалов, подверженных электролизу (14 из 70 металлов) |
Восстановление | Давлениегаза, температураподложки | Возможность исключения в реакциях разложения загрязнения формируемой пленки продуктами побочных реакций | Критичность к выбору оптимальной температуры подложки, высокая ее температура, ограниченное число материалов, удовлетворяющих условиям реакции получения качественных пленок |
Разложение с термическимнагревом | Температура разложения соединений, температура подложки, давление | Возможность получения пленок различных материалов (в том числе и тугоплавких) на различных подложках. Простота оборудования | Загрязнение побочными продуктами реакции конденсата. Трудности управления реакцией разложения и высокая температура подложки, что ограничивает выбор реакции |
Разложение с нетермическимнагревом | Пороговая энергия соответствующего излучения, температура подложки, давление | Снижение температуры подложки и температуры разложения соответствующего вещества, возможность создания сложных тонкопленочных композиций, минуя процессы фотолитографии | Возможность загрязнения пленок продуктами побочных реакций и продуктами полимеризации, образующимися в процессе облучения. Сложное оборудование |
Продолжение таблицы 1.4 | |||
Реакционнаядиффузия (терм. выращ) | Температураподложки, давлениепаров | Простоеоборудование и технология | Ограниченная толщина. Ограниченное число материалов, дающих когерентную пленку |