Синтез полупроводниковых гетеропереходов

В настоящее время гетеропереходы изготавливаются эпитаксиальным наращиванием одного полупроводникового материала на другой. Поэтому большинство рас­смотренных в 2.1.1 методов формирования полупроводниковых пленок на твер­дых подложках широко используем в производстве полупроводниковых гетеро­переходов. Основными из них это методы: химических, газотранспортных реак­ций, сплавления, выращивания из раствора, испарения и распыления в вакууме.

Для того, чтобы сформировать изотипные и анизотипные гетеропереходы в структу­рах ИП оптических излучений, электрические параметры которых обусловлены свойствами составляющих компонентов, исходные материалы должны обладать близкой кристаллической структурой и иметь мало различающиеся постоянные решетки (а₁ а₂), гдеΔа = (a₁-a₂)/ (a₁+a₂)∙100 %. Допускается выбирать гетеропары с Δа < 5 %, поскольку при Δа ≥ 5 % на границе раздела возникают состояния n_s, существенно ухудшающие электрические свойства гетероструктур, если n_s≥ 10¹⁴ см^-2, то практически исключается транзисторный эффект.

При выборе компонен­тов гетероперехода необходимо учитывать коэффициенты термического расширения, существенное различие которых может привести к появлению дислокаций несо­ответствия, пластичности деформированной структуры. Также для формирования гетероструктур необходимо свести к минимуму эффекты перекрест­ного легирования компонентов гетеропереходов, а также автолегирование выра­щенного слоя. Поэтому следует обоснованно выбирать аппаратные средства и параметры техпроцесса (использование низких температур и условий, не вызы­вающих травления подложки).

Формирование гетеропереходов монокристаллической структуры с высоки­ми электрическими параметрами реализуется с помощью методов газотранспорт­ных реакций в закрытой, открытой и замкнутой системах. Используем системы на основе диспропорцирования иодида; транспортные, в которых носителем яв­ляется НС1; на базе водородных соединений и водяного пара. Получение гетеропереходных структур ИП с диспропорцированием иодида осуществляем в закры­той и открытой системах.

В закрытой системе с двухзонным профилем печи иско­мый материал переносится от нагретого источника в область с меньшей темпера­турой. Выращивание пленочных компонентов гетероперехода в открытой систе­ме осуществляем в трехзонной печи.

Используются транспортные системы (на основе НС1) трех видов: системы ти­па сэндвич; системы, непосредственно оперирующие с НСl (источник и подлож­ка находятся на значительном расстоянии); системы, в которых НС1 получается из хлорида конденсирующего материала.

При формировании гетеропереходов типа кристалл-слой в структурах ИП используем метод пограничного сплавления, в котором в зависимости от харак­тера процесса выделяются три части: сплавление при полном расплавлении од­ного из материалов; сплавление на границе раздела; выплавление из металличе­ского раствора.

Для формирования резких гетеропереходов в структурах ИП их выращиваем из раствора методом движущегося растворителя [35]. Метод "пар - жидкость твердое тело" используем для создания резких полупроводниковых гетеро­переходов путем кристаллизации из раствора вещества, состоящего из раствори­теля и материала кристалла, который подается в раствор из паровой фазы.Для формирования многослойных гетероэпитаксиальных полупроводниковыхсистем в структурах ИП из раствора используем методы жидкофазной эпи­таксии [37], которые можно разделить на две группы: в основе первой лежит принцип нормальной направленной кристаллизации (наращивание идет из жид­кой фазы определенного состава и объема); вторая базируется на принципе про­граммируемой зонной перекристаллизации (используется слой жидкой фазы оп­ределенного объема, значительно меняющийся за счет его подпитки из внешней среды).Формирование чувствительных элементов ИП в виде изо- и анизотипных тонкопленочных гетеропереходов также осуществляем с помощью рассмотрен­ных методов импульсного испарения, реакционной диффузии трех темпера­турных зон.

Одним из основных методов получения высококачественных чувст­вительных элементов преобразователей оптических излучений типагетерострук­тур кристалл-слой является метод эпитаксиального выращивания из паровой фа­зы, а типа слой-слой, сформированных на металлической подложке - метод жид­кофазной эпитаксии и сочетание способов реакционной диффузии и трех темпе­ратур.Для синтеза р-n гетеропереходов из соединений А₃В₅ и А₂В₆ типа слой-слой на твердое основание ИП разработан специальный метод, механизм функционирования и характеристики которого описаны в [38].

По указанной методике пленочныегетероструктуры из соединений А₂В₆ и А₃В₅ формируются следующим образом.

На твердую подложку, обладающую совершенной поверхностью и выполненную из металла-омического контакта к наращиваемому внутреннему слою наносится, например вакуумным напылением, слой металлического компонента соединения, поскольку ионы металла обладают более высокой скоростью диффузии через растущую пленку, чем ионы металлоида и кроме того металлические пленки растут совершенной структурой при более низких температурах. Одновременно в атомарный поток металла путем испарения из другого нагревателя вводится атомарный поток легирующей примеси, концентрация которого задается температурой испарителя. При использовании в качестве легирующей примеси элементов I, II, III, V, VI групп таблицы Менделеева температура испарителя составляет интервал 500-1400 °С. Толщина наносимого на металлическую подложку слоя компонента А₂d_B определяется требуемой толщиной внутреннего слоя гетероперехода d₀ и с учетом соотношения плотностей используемого металла и образовавшегося соединения составляет d_B≥ (0,7 – 0,9) d₀.Подложка с нанесенным слоем компонента помещается в специально соз­данную многокамерную вакуумную печь, позволяющую реализовать все техно­логические операции способа. Конструкция установки изображена на рисунке 2.3, а ее характеристики изложены в [38].

В процессе термопрогрева подложки с компонентом А₂ и компонента В₆ происходит рост внутреннего слоя гетеропере­хода по механизму реакционной диффузии с одновременным легированием при­месью заданного типа.

Гетероструктуры обладают низкой концентрацией инородной примеси (до 10⁹ см^-3) и высокой однородностью, т.е. высоким коэффициентом передачи,когда скорость роста первого слоя A_nB_m в гетеропереходе поддерживается на уровне 7-12 А°/С, что обеспечивается величиной потока испаряемых компонентов В_m, равной 8∙10¹⁷…5∙10¹⁸ см^-3 . Как следует из рисунка 2.3 б, оптимальная на­ращивания внутреннего слоя ZnTe-ZnSe гетеропереходов составляет 8-12 А°/С и 6-10 А°/С для CdTe-CdSeгетероструктур.

Постоянная скорость роста слоя A_nB_m достигается равенством в стехиометрическом отношении числа диффундирующих ионов А_n через растущую пленку на ее поверхности к числу хемосорбированных ионов В_т на этой поверхности и поддерживается на заданном уровне, если температура подложки во время про­цесса наращивания меняется по закону

(2.3)

где Т₀ – начальная температура подложки, К;

- время процесса, мин.;

К – частный множитель, К/мин

б)

VN, А°/С

а)

Кu, 103 5.102 102

4 6 8 10 12 1416

а) 1 – реакционная камера; 2 – нагревательные камеры; 3 – заслонки; 4 – загру­зочные окна; 5 –подложкодержатель с подложкой; 6 – экран; 7 – вакуумный аг­регат; 8 – кронштейн реакционной камеры; график зависимости б)K_u = f (V_N) приТ = 20 °С: 1 –ZnTe–ZnSeгетеропереход; 2 –CdTe–CdSe– гетеропереход

Рисунок 2.3 – Структурная схема установки формирования гетеропереходов изсоединений A_nB_m

Процесс наращивания наружного слоя производится до полу­чения требуемой толщины 1 – 3 мкм.

Достоинством метода является отсутствие нагрева стенок реактора и осаждение материала только на нагретых подложках.