УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЖИДКОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
DEVICE FOR LIQUID PHASE EPITAXY OF MULTILAYER SEMICONDUCTOR STRUCTURES

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройствам для жидкофазной эпитаксии многослойных полупроводниковых структур.
В современной оптоэлектронике в качестве материала для излучателей ближнего ИК-диапазона традиционно используют эпитаксиальные структуры на основе твердых растворов GaAs-AlGaAs, полученные методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ). И в силовой электронике, в последнее время, набирает силу тенденция все более широкого применения p-i-n структур GaAs взамен обычного кремния. Эти структуры также выращивают методом ЖФЭ. Важнейшую роль в технологическом оформлении процесса ЖФЭ играют материал и конструкция графитового устройства, в котором, собственно, и происходит эпитаксиальный рост. Современные структуры GaAs-AlGaAs для оптоэлектроники и силовой техники представляют собой сложные эпитаксиальные композиции с набором слоев заданного состава, легированных разным типом примесей в различных концентрациях, значительная часть которых являются летучими. Процесс ЖФЭ проводят в протоке технологического газа, как правило, водорода, что вызывает перераспределение легирующих компонентов через газовую фазу, вызывая неконтролируемое загрязнение ростовых растворов-расплавов. С другой стороны, существуют варианты исполнения процесса ЖФЭ, где газовую среду преднамеренно используют для легирования введения примеси в требуемом количестве в ростовый раствор-расплав.
Известно (US, патент 5,733,815) устройство для получения эпитаксиальных структур, состоящее из двух кварцевых контейнеров: большого с секционным держателем для подложек и малого для ростового раствора-расплава, причем малый расположен внутри большого. Два контейнера соединены между собой. Контакт расплава с подложками осуществляется поворотом реактора, в котором установлены оба контейнера, вокруг своей оси. Удаление расплава с поверхности подложек происходит при обратном повороте реактора.
13
-3
Известное устройство предназначено для изготовления высоковольтных быстродействующих p-i-n структур GaAs, которые формируют за счет контролируемого введения паров воды в ростовую камеру из газовой фазы. Устройство позволяет выращивать слаболегированные слои GaAs с концентрацией носителей заряда менее 10 см, которые обеспечивают получение структур с высокими пробивными напряжениями.
Принципиальным недостатком данного технического решения является невозможность получения в одном технологическом цикле нескольких эпитаксиальных слоев, т.к. устройство не предполагает смену растворов-расплавов. Это не позволяет в одном эпитаксиальном процессе реализовать конечную многослойную структуру с сильнолегированными буферным и контактным слоями, что, в свою очередь, вызывает необходимость использования двух- или трехстадийной эпитаксии, которая неоправданна как экономически, так и с точки зрения структурного совершенства получаемой эпитаксиальной композиции. Прерывание эпитаксии всегда приводит к дополнительным дефектам на межстадийной границе раздела.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для жидкофазной эпитаксии (RU, патент 1306175). Устройство содержит корпус с крышкой, контейнер с емкостями для исходных расплавов, снабженный поршнями с толкателем, подвижный многосекционный держатель для размещения подложек, включающий второй толкатель, камеру роста и каналы для подачи и вывода расплавов. Контейнер с емкостями расположен под держателем подложек, крышка снабжена выступами для удаления излишков расплава, а оба толкателя жестко соединены между собой.
Основным недостатком данного технического решения является взаимное неконтролируемое легирование летучими примесями соседних растворов-расплавов через открытую поверхность растворов-расплавов и газовую фазу в процессе эпитаксии, что существенно ограничивает возможность использования в одном эпитаксиальном процессе ростовых растворов-расплавов с примесями разного типа проводимости, а также с большим различием в концентрации легирующей примеси (сильно и слаболегированные).
Также недостатком этого графитового устройства следует признать сложность процесса его загрузки перед эпитаксией, что выражается в загрузке емкостей контейнера исходной шихтой и установке поршней при закрытых дополнительной плоскостью каналах для подачи расплава и в накрытии всей этой конструкции корпусом, а затем и переворотом кассеты вокруг продольной оси. Это может приводить к неконтролируемому вытеканию расплавов из емкостей, смешиванию их между собой. Также этот факт предъявляет повышенные требования к квалификации персонала.
Техническая задача, на решение которой направлено разработанное устройство, состоит в обеспечении изоляции определенных объемов ростовых растворов-расплавов от газовой фазы во время процесса эпитаксии и значительное упрощение процесса загрузки графитового устройства.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в обеспечении подавления нежелательного взаимодействия примесей в разных ростовых расплавах между собой через газовую фазу, что приводит к повышению технических или электрофизических характеристик получаемых эпитаксиальных структур.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанное устройство для жидкофазной эпитаксии многослойных полупроводниковых гетероструктур, содержащее корпус с крышкой, контейнер с емкостями для исходных расплавов, снабженный поршнями, многосекционный держатель подложек, камеру роста и каналы для подачи и вывода расплавов, причем контейнер с емкостями расположен под многосекционным держателем подложек, а крышка снабжена выступами для удаления излишков расплава. Кроме того, устройство дополнительно содержит дополнительные емкости для части используемых расплавов, установленные над контейнером, каждая из которых снабжена крышкой с грузом и отверстием с возможностью слива расплава в располагающийся ниже основной контейнер.
Предпочтительно емкости в контейнере и крышка изготовлены из кварца.
На чертеже изображено предлагаемое устройство в продольном разрезе (элемент общего вида фиг.1), при этом использованы следующие обозначения: корпус 1, крышка 2, контейнер 3, поршни 4, камера роста 5, пластина 6 с каналами, дополнительные емкости 7, крышки 8 дополнительных емкостей 7, груз 9, слив 10 из дополнительных камер, емкости 11 для растворов, толкатель 12, ванна 13 отработанных растворов, держатель 14 многосекционный, контейнер 15 с дополнительными емкостями 7.
Разработанное устройство содержит графитовый корпус 1 и крышку 2. Внутри корпуса размещен контейнер 3 с поршнями 4 и емкостями 11 для исходных расплавов, а также толкатель 12. Между ванной для отработанных расплавов 13, многосекционным держателем подложек 14, контейнером 3 и контейнером 15 с дополнительными емкостями с расплавами 7 расположена пластина 6 с каналами для подачи расплавов в камеру роста 5.
Работу с устройством осуществляют следующим образом. Контейнер 3 устанавливают в корпусе так, чтобы конусообразная часть поршня находилась в самой нижней точке клина толкателя 12. В круглые колодцы контейнера 3 помещают поршни 4. В надпоршневое пространство, представляющее собой совокупность емкостей 11, загружают исходные материалы для расплавов.
1-x
x
При выращивании гетероструктур на основе твердых растворов GaAlAs расплавы формируют на основе Ga, Al, GaAs и легирующих компонентов Zn, Ge, Mg, Si, Те, Sn для получения p- или n-типа проводимости.
Количество емкостей 7 и 11 зависит от количества эпитаксиальных слоев, которые необходимо получить. Сверху на контейнер устанавливают пластину 6 с каналами для подачи расплавов. Затем на пластину устанавливают многосекционный подложкодержатель, а также ванну 13 для отработанных расплавов и контейнер 15 с дополнительными емкостями 7. В дополнительные емкости 7 также загружают исходные компоненты расплавов. После этого дополнительные емкости 7 герметизируют крышками 8 с грузами 9. В многосекционный подложкодержатель 14 попарно устанавливают исходные подложки рабочей поверхностью друг к другу, после чего держатель 14 фиксируют относительно корпуса крышкой 2, обеспечивая герметичность каждой камеры роста. После чего устройство помещают в реактор, а затем в печь, где и происходит процесс эпитаксиального наращивания.
При достижении определенной температуры с использованием манипулятора происходит перемещение контейнера 3 и пластины 6 с каналами для подачи расплавов относительно неподвижных корпуса 1, ванны 13 и контейнера 15. Во время этого поршень наезжает на клин, выдавливая расплав вверх. Через канал для подачи расплава происходит последовательное заполнение всех ростовых камер. Причем продольное перемещение контейнера 3 соответствует полному поднятию поршня и следующий за ним поршень оказывается в начальном положении у кромки клина. Излишки расплава собираются в ванне 13.
При использовании дополнительных емкостей 7 расплав из них под тяжестью крышки 8 с грузом 9 поступает через отверстие 10 и каналы в пластине 6 в надпоршневое пространство (емкости основные) 11, откуда в последствие, после описанной выше процедуры, расплав поступает в ростовые каналы. В емкости 11 располагающиеся под контейнером 15 с емкостями 7 компоненты расплава в этом случае не загружают. Взаимное исходное положение контейнеров 15 и 3 определяется очередностью использования находящихся в них рабочих расплавов. Причем слив расплавов из дополнительных емкостей 7 происходит непосредственно перед подачей его в ростовую камеру, что исключает его длительное взаимодействие с парогазовой фазой в кварцевом реакторе.
После наращивания слоев печь откатывают, реактор охлаждают и разгерметизируют, устройство с готовыми структурами извлекают из реактора.
Таким образом, основным техническим преимуществом данного устройства по сравнению с прототипом является возможность использования в процессе многослойного эпитаксиального наращивания расплавы со значительным (до четырех порядков) различием в уровнях легирования примесями разного типа проводимости, что позволяет выращивать принципиально недостижимые в варианте прототипа эпитаксиальные композиции. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет значительно упростить процесс загрузки растворов-расплавов.
1-x
x
Предложенное графитовое устройство было использовано для получения нескольких типов структур, в частности - p-i-n-структур GaAs для силовых диодов (1) и многопроходных светоизлучающих гетероструктур красного цвета свечения на основе твердых растворов GaAlAs (2).
Пример 1.
Получение p-i-n-структур GaAs для силовых диодов.
-
+
Известная технология получения p-i-n структур состоит в наращивании основной p-i-n композиции в первой стадии, химико-механического удаления избыточной n-области и дальнейшего наращивания контактного n-слоя во второй стадии.
-
-
+
-
-
16
17
-3
-
-
14
15
-3
18
-3
+
Для достижения низких значений прямого падения напряжения необходимо изготавливать многослойную p-p-i-n-n сразу в одном эпитаксиальном процессе с использованием последовательно сменяемых как минимум трех растворов-расплавов. Первый для выращивания буферного слоя между подложкой и основным p-i-n слоем (с концентрацией носителей в интервале 10-10 см). Второй для выращивания непосредственно p-i-n-области расплава с выходом на концентрацию носителей заряда в конце слоя, находящуюся в интервале 5·10-5·10 см. Из третьего раствора-расплава выращивают сильнолегированный примесью теллура до концентрации носителей не менее 10 см n-слой толщиной 3-10 мкм, который имеет максимальную проводимость. Получить низкие концентрации во втором слое при использовании открытых емкостей для расплавов не удается, поскольку происходит легирование второго слоя через газовую фазу теллуром, находящимся в третьей емкости. При этом второй расплав необходимо должен контактировать с газовой фазой, поскольку водород принимает участие в химических реакциях, происходящих в расплаве, обеспечивающих получение слаболегированной области. Данная задача была успешно решена с использованием предложенного графитового устройства.
+
+
+
-
-
+
18
-3
Для этой цели проводили загрузку галлия, компонентов шихты и подложек GaAs p-типа проводимости в разработанное графитовое устройство. Два первых расплава располагали в емкостях 11, а третий расплав в герметичной емкости 7. Зазор между подложками был выбран 1.5 мм. В кварцевом реакторе в атмосфере водорода с точкой росы около -80°C выполняли предварительный отжиг расплавов галлия с дополнительными примесями (гомогенизацию) для растворения всех компонентов шихты в расплавах и образования растворов-расплавов требуемого состава в течение 90 минут при температуре 940°C и потоке водорода через реактор 3 л/мин, после чего систему охлаждали до температуры 910°С, при которой первый раствор-расплав приводили в контакт с подложками GaAs p-типа проводимости и начинали кристаллизацию буферного эпитаксиального слоя p-типа проводимости толщиной 8-11 мкм путем принудительного охлаждения ростовой системы со скоростью около 0.7°C/мин. Затем при температуре 900°C производили смену растворов-расплавов. Из второго раствора-расплава выращивали основной p-i-n слой до температуры 840°C, где производили слив третьего расплава из емкости 7 в емкость 11, а затем его подачу в ростовый объем. Далее в интервале температур 840-835°C из третьего раствора-расплава выращивали контактный n-слой толщиной 3.5-4.5 мкм с концентрацией носителей (1.5-2.0)·10 см. После этого систему охлаждали до комнатной температуры. Графитовую кассету разгружали, полученные структуры химически отмывали от остатков раствора-расплава по стандартной технологии. Из полученных эпитаксиальных структур GaAs были изготовлены чипы с использованием стандартных методов фотолитографии, травления, напыления и вжигания контактов. Измерения характеристик приборов проводились в непрерывном и импульсном режимах при комнатной температуре 20°C.
-
+
-
+
Формирование всей структуры за один эпитаксиальный процесс значительно упрощает и удешевляет технологический цикл, за счет исключения из маршрута сложной и дорогостоящей операции - химико-механического удаления избыточной n-области, а также дополнительного отдельного эпитаксиального процесса выращивания n-слоя. Все это позволяет заметно снизить общее последовательное сопротивление структуры, а следовательно, и уменьшить прямое падение напряжения на 10%. При этом точность фиксации по толщине и концентрации носителей заряда оптимального положения n-n границы намного выше, что улучшает воспроизводимость основных технических параметров.
Основные электрофизические параметры чипов p-i-n-структур GaAs приведены ниже:
- прямые токи, If - 1-100 А,
- прямые напряжения, Uf - 1.3-1,8 В,
- обратные напряжения, Ur - 400-1200 В,
- время обратного восстановления, trr - 20-70 нс,
- максимальная рабочая температура кристалла - до 250°C.
Увеличение значений обратного пробивного напряжения p-i-n-структуры GaAs до 1400 В может быть достигнуто в случае использования специальной кварцевой вставки в емкости 7, а также кварцевой крышки 8 (фиг.2).
Пример 2.
Получение многопроходных светоизлучающих гетероструктур красного цвета свечения (λ=650÷700 нм).
1-x
x
При выращивании таких структур как n-p-p, так и p-p-n полярности в качестве широкозонных эмиттеров используют слои GaAlAs с высоким содержанием Al (X>0,55). В области таких составов у большинства легирующих примесей используемых в жидкофазной эпитаксии (Zn, Mg, Те, Ge, Si, Sn) происходит увеличение энергии активации. Поэтому для получения сопоставимых с более низкими составами (0<X<0.35) уровней легирования слоев необходимо использовать гораздо большие (в несколько раз) концентрации примесей в жидкой фазе, что приводит к значительному изменению состава газовой фазы внутри реактора. Еще большие трудности возникают при использовании больших концентраций примесей с противоположным типом проводимости.
Разработанное графитовое устройство было использовано при получении многопроходных p-p-n гетероструктур красного цвета свечения λ=670 нм.
17
-3
17
-3
+
18
-3
Содержание в растворе-расплаве арсенида галлия определяли из расчета диаграммы состояния Ga-Al-As. Проводили загрузку галлия, компонентов шихты для растворов-расплавов p-типа проводимости в емкости 11, а для двух расплавов n-типа, которые формируют p-n-гетеропереход и сильнолегированный контактный слой в емкости 7 контейнера 15. В кварцевом реакторе в атмосфере водорода с точкой росы около -80°C выполняли предварительный отжиг расплавов галлия с дополнительными примесями (гомогенизацию) для растворения всех компонентов шихты в расплавах и образования растворов-расплавов требуемого состава в течение 120 минут при температуре 1030°C и потоке водорода через реактор 3 л/мин, после чего систему охлаждали до температуры 1020°C, при которой первый раствор-расплав приводили в контакт с подложками GaAs p-типа проводимости и начинали кристаллизацию первого широкозонного контактного эпитаксиального слоя p-типа проводимости толщиной 15-20 мкм с концентрацией носителей около 7-8·10 м, путем принудительного охлаждения ростовой системы со скоростью около 0.5°C/мин. Затем при температуре 980°C производили смену растворов-расплавов. Из второго раствора-расплава выращивали второй эпитаксиальный слой до температуры 920°C, где опять производили смену растворов-расплавов. Интервал роста третьего и четвертого широкозонного слоя - 920-850°C и 850-780°C соответственно. Концентрация носителей в этих слоях составляла 5·10см. Пятый расплав использовали для кристаллизации активного излучающего слоя. Интервал его роста составлял 780-778°C. Одновременно с подачей пятого расплава в камеры роста 5 осуществляли слив двух (шестого и седьмого) расплавов n-типа проводимости из емкостей 7 контейнера 15 в пустые емкости 11. При температуре 778°C происходило формирование p-n перехода подачей шестого расплава в камеры роста, а затем при 770°C в ростовой объем подавался седьмой расплав для формирования контактного n слоя с концентрацией носителей (1.5-2.0)·10 см. По достижении 650°C эпитаксию прекращали, систему охлаждали до комнатной температуры. Графитовую кассету разгружали, полученные структуры химически отмывали от остатков раствора-расплава в ультразвуковой ванне. Из полученных эпитаксиальных структур GaAlAs были изготовлены стандартные излучающие чипы размером 300×300 мкм с использованием известных методов фотолитографии, травления, напыления и вжигания контактов. Измерения характеристик чипов проводились при комнатной температуре 20°C.
Основные электрофизические параметры излучающих чипов приведены ниже:
Мощность излучения Po - 3.5-4.0 мВт при токе 20 мА;
Прямое напряжение Uf<1.85 B при токе 20 мА;
r
Обратное напряжение U - 15-20 В при токе 10 мкА;
Длина волны электролюминесценции 670±5 нм.
По сравнению с вариантом прототипа применение предложенного технического решения позволило увеличить мощность излучения на 30-40% при одновременном снижении значений прямого напряжения на 5-10%.