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 Полупроводниковых преобразователей оптических излучений - student2.ru .

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

Наши рекомендации