Epitaksial o’sishning prinsip va metodlari

1.3. Epitaksial o’sishning prinsip va metodlari
Tartibli o’sish asosida zarralarning minimal natijaviy energiyaga intilishi
yotib, bunga, qoidaga ko’ra, ularning regulyar joylashuvida erishiladi. Hajmiy
kristalning o’sishida (masalan, eritmadan) asosiy muammo shundaki, bu
minimum chuqurligi zarraga regulyar panjarada kerakli joyga yetib olishi uchun
zarur bo’lgan kinetik energiyaga mos kelar ekan. Buning natijasida, kristallar
ko’p miqdorli nuqsonlar (bo’sh o’rinlar, molekulalar orasida atomlar,
dislokatsiyalar va h.k) bilan o’sadi. Bundan tashqari, hajmiy o’sish bir necha
yo’nalish bilan bir vaqtda yuz berib, buning natijasida kristallar ko’pincha blokli
bo’ladilar. Nuqsonlarning qo’shimcha manbalari kristalga shixtadan va
o’stiruvchi qurilma konstruksiyasi elementlaridan tushuvchi begona
kirishmalardir.
Epitaksial o’sishning afzalliklari:
1.
O’sish yo’nalishni va o’suvchi qatlam strukturasini beruvchi
avvaldan tayyorlangan kristal tekislikning mavjudligi;
2.
O’stiruvchi sirtning orasi erish temperaturasidan ancha pastligiga
asoslangan o’sish jarayonining notekis xarakteri;
3.
O’suvchi materiallar atomlar effektiv sirtiy diffuziyasining
mavjudligi;
4.
O’suvchi materialning yuqori chastotaliligi va kristallanish
elementiga ega o’suvchi strukturalarning kontaktda bo’lmasligi;
16
2-BOB. YARIMO’TKAZGICH ASBOBLAR TEXNOLOGIYASIDA
EPITAKSIYADAN FOYDALANISH ASOSLARINI O’RGANISH
2.1. Epitaksial o’tqazishning asosiy usullari,
kremniy va germaniy epitaksiyasi
Yarimo’tkazgich
asboblar
va
integral
mikrosxemalar
tayyorlash
texnologiyasida yarimo’tkazgich materialga ba’zi qarama-qarshi talablar
qo’yiladi. Masalan, impulsli diodlarda teshilish kuchlanishini oshirish uchun
yarimo’tkazgich plastinkaning solishtirma qarshiligini oshirish kerak, u esa
ikkinchi tomondan, yoyilma oqim qarshiligi o’sishiga, asbobning impuls
xossalari
va
tezkorligini
yomonlashtiradi.
Tranzistorlar
tayyorlash
texnologiyasida ham muammolar mavjud. Masalan, kollektor sohasining
solishtirma qarshiligini katta bo’lishi yuqori teshilish kuchlanishi olishiga imkon
beradi, biroq kollektor hajmida katta miqdordagi zaryadlar to’planishiga olib
kelib, transistor tezkorligini kamaytiradi va kollektorning katta ketma-ket
qarshiligi tranzistor quvvatini chegaralab qo’yadi. Xuddi shunday muammolar
boshqa yarimo’tkazgichli asboblar va integral mikrosxemalar tayyorlashda ham
uchraydi. Epitaksiya usuli yaratilishi yuqoridagi muammolarni yechishda
anchagina imkoniyat berdi.
Epitaksiya termini XX asrning 50-yillarida paydo bo’lib, u «epi» – sirti,
«taksis» — joylashish ma’nolarini anglatadi. Binobarin, epitaksiya bu kristall
taglik sirtida muayyan yo’nalishli kristall qatlamni o’stirishdir. Demak,
epitaksial qatlam — taglik tuzilishini saqlovchi, kristall taglikka o’tqazilgan
monokristall material. Epitaksial o’sish jarayonida hosil bo’luvchi faza
epitaksial qatlam o’sishi yordamida kristall panjarani qonuniy davom ettiradi.
O’tish qatlami kristall fazada o’suvchi taglik tuzilishi to’g’risidagi
ma’lumotni tashuvchi vazifasini bajaradi. Epitaksial jarayonning uch guruhi:
avto, getero va xemoepitaksiya ko’rinishlari ma’lum.
1.
Avtoepitaksiya (gomoepitaksiya) – taglik moddadan kimyoviy farq
qilmaydigan, tuzilishi bo’yicha bir xil bo’lgan taglik sirtida yo’nalishli kristall
17
qatlam o’stirish jarayonidir. Bu jarayonda gomogen elektron – kovak tuzilma
paydo bo’lishi imkoni yaratiladi.
2.
Geteroepitaksiya — kristallokimyoviy o’zaro ta’sir natijasida taglik
modda tarkibidan farq qiladigan modda qatlamining yo’nalishli o’sishi
jarayonidir.
3.
Xemoepitaksiya — tashqi muhitdan keluvchi modda bilan
taglikning o’zaro kimyoviy ta’siridan yangi faza hosil bo’lgani holda moddaning
yo’nalishli o’sishi jarayonidir. Hosil bo’lgan xemoepitaksial qatlam, tarkibi
bo’yicha, taglik moddadan va sirtga keluvchi moddadan ham farq qiladi.
O’suvchi qatlam hosil bo’lishidagi fizik – kimyoviy hodisalar tabiati farqi
bo’yicha epitaksiyaning uchta asosiy texnologik usullari mavjud:
1. Vakuumda molekulalar oqimidan molekulyar – nur epitaksiya;
2. Gaz yoki bug’ – gaz aralashmasida kimyoviy o’zaro ta’sir oqibatida
yuz beradigan gaz fazali epitaksiya;
3. Eritish yoki suyuq fazadan re – kristallanish yo’li bilan suyuq fazada
epitaksiya.
Quyida qisqacha bu uchta usulning asosiy xususiyatlarini ko’rib chiqamiz.
Molekulyar–nur epitaksiya. Vakuumda molekulyar–nurlar oqimidan hosil
qilinadigan epitaksiya moddaning to’g’ri ko’chishidan sodir bo’ladi. Modda –
manba yuqori vakuumda fokuslangan elektron nur oqimi yordamida molekulyar
zarrachalar oqimini uzluksiz bug’latib (oraliq o’zaro ta’sirsiz) taglikka yetkazib
beriladi. Taglik sirtga o’tirgan yarimo’tkazgich zarralari molekulyar o’zaro ta’sir
ostida yarimo’tkazgich kristalli yo’nalishini aniqlovchi to’g’ri tizimni hosil
qiladi. Epitaksial qatlam o’sishi sirt bo’ylab yuz beradi va o’suvchi qatlam taglik
tizimini qaytaradi.
Molekulyar–nur epitaksiyaning boshqa turi–bu sublimatsiya usulidir. Bu
usulda taglikdan bir necha yuz mikrometr narida joylashgan yarimo’tkazgichni
elektr tokida qizdirish bilan bug’lantirib epitaksial qatlam hosil qilinadi. Bu
holda na’muna–manba suyultmaydi, faqat bug’lanish va uning taglikka
ko’chishi yuz beradi. Olingan qatlam o’ta yuqori solishtirma qarshilikka ega
18
bo’ladi, chunki vakuumli kamerada kirishmalar kam bo’ladi. Biroq, bu usulning
unumdorligi kichik bo’lganligi uchun ishlab chiqarishda qo’llanilmaydi.
Kimyoviy o’zaro ta’sir yordamida gaz fazada epitaksiya. Gaz fazada
yarimo’tkazgich atomlari kimyoviy birikmalar tarkibida ko’chib, kimyoviy
o’zaro ta’sir yordamida ajralib taglikka o’tiradi. Kimyoviy birikmada elementar
yarimo’tkazgichlar – germaniy va kremniy qatnashishi mumkin. Ishlab chiqarish
sharoitida epitaksial qatlamlarni olish kimyoviy usullari ancha keng qo’llaniladi.
Gaz fazada epitaksial o’sishning mexanizmlaridan ikkitasini ko’rib o’tish
mumkin. Birinchi mexanizmga asosan, taglikda yarimo’tkazgich taglik sirtida
kataliz dissotsiatsiya reaksiyasi natijasida hosil bo’ladi. Ikkinchisiga asosan,
taglikdan yuqoriroqda yarimo’tkazgich birikmalari parchalanishi sodir bo’ladi.
Gaz fazada diffuziya yo’li bilan yarimo’tkazgich zarrachalar taglikka yetib
boradi.
Yarimo’tkazgich atomlarining ajralib chiqish kimyoviy reaksiyalarini
to’rtta guruhga ajratish mumkin:
1. Galoid birikmalarini dissotsiyalanishi:
2𝑌𝑎𝐺
2
↔ 𝑌𝑎𝐺
4
+ 𝑌𝑎 (2.1)
bu yerda Ya – yarimo’tkazgich atomi (germaniy, kremniy); G – galoid atomi
(xlor, ftor, brom, yod).
2. Galoid birikmalarini vodorod bilan tiklash reaksiyasi:
𝑌𝑎𝐺
4
+ 2𝐻
2
↔ 𝑌𝑎 + 4𝐻𝐺 (2.2)
𝑌𝑎𝐻𝐺
3
+ 𝐻
2
↔ 𝑌𝑎 + 3𝐻𝐺 (2.3)
3.
Qizdirish natijasida birikmalarning parchalanishi – piroliz (issiqlik
sochilish):
19
𝑌𝑎𝐻
4
↔ 𝑌𝑎 + 2𝐻
2
(2.4)
4. Ikkita bosqichda o’tuvchi kimyoviy ko’chish reaksiyasi:
𝑌𝑎 + 2𝐻𝐺 ↔ 2𝐺
2
+ 𝐻
2
(ko’chish) (2.5)
𝑌𝑎𝐺
2
+ 𝐻
2
↔ 𝑌𝑎 + 2𝐻𝐺 (ko’chish) (2.6)
Bu yerdagi barcha reaksiyalar qaytuvchi. Reaksiya qaytishi yo’nalishi va
o’tirish tezligi boshlang’ich moddalar zichligi va jarayon rejimiga bog’liq.
Suyuq fazada epitaksiya. Suyuq fazali epitaksiya usuli to’yingan
yarimo’tkazgich material eritmasidan yarimo’tkazgich monokristall qatlamini
o’stirishdan iborat. Eritmaga cho’ktirilgan yarimo’tkazgich taglik sirtida uni
sovitish natijasida kristallanishi yuz beradi. Ko’pchilik hollarda suyuq fazadan
kristallanishda erituvchi sifatida yarimo’tkazgich suyuq holatida eruvchanligi
yuqori bo’lgan metall, masalan, Al–Si yoki Au–Si tizimdan foydalaniladi.
Yarimo’tkazgich birikmalarining suyuq fazada epitaksiyasini olish uchun
erituvchilar sifatida oson eruvchi birikma tarkiblovchilari, masalan, GaAs va
GaP uchun Ga qo’llaniladi. Bu esa kristallanish temperaturasi kamayishiga,
taglik eritma chegarasida temperatura gradienti kamayishiga olib keladi va
o’stirilgan qatlam tozaligini oshiradi.
Gaz va suyuq epitaksial qo’shilgan usul (bug’–suyuq–qattiq jism jarayoni)
istiqbollidir. Yarimo’tkazgich taglik sirtiga evtektik tarkibli suyuq fazani hosil
qiluvchi yupqa metall qatlam surkaladi. Bu past temperaturalarda epitaksial
qatlamlarni olish imkonini baradi. Yarimo’tkazgich atomlari suyuq qatlam bilan
taglik hosil qilgan chegara orqali gaz faza orqali o’tiradi va ularning
diffuziyalanishi natijasida kristallanish yuz beradi. Bu yerda eritma qatlami 1
mkm dan oshmaydi va amalda epitaksial qatlam o’sish tezligi eritmada
diffuziyalanish vaqtiga bog’liq bo’lmaydi.
Epitaksiya usulida olingan tuzilmalar tavsifnomalari qotishmali usulidagiga
asosan o’xshashdir.
|