ПОДЛОЖКА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
SUBSTRATE FOR GROWING EPITAXIAL LAYERS OF GALLIUM ARSENIDE

Изобретение относится к электронной технике, а именно к материалам, предназначенным для изготовления полупроводниковых приборов широкого класса применения с использованием эпитаксиальных слоев арсенида галлия.
В настоящее время достигнуто высокое качество автоэпитаксиальных слоев арсенида галлия по электрофизическим свойствам. Несмотря на это эпитаксиальные слои арсенида галлия до сих пор не могут вытеснить кремниевые слои в массовом производстве электронной техники. Связано это с тем, что для современной технологии их производства требуются подложки из монокристаллов арсенида галлия с диаметром 250 мм и более. Однако современные возможности промышленной технологии выращивания монокристаллов арсенида галлия ограничены диаметром около 100-150 мм. Увеличение диаметра монокристаллов свыше этого размера приводит к возникновению радиальной неоднородности состава монокристаллов арсенида галлия.
Делались многократные попытки выращивания качественных слоев арсенида галлия на других альтернативных подложках (подложки для гетеро-эпитаксиальных слоев арсенида галлия), однородных по составу при большом диаметре монокристаллов, например на кремнии или на сапфире. Эти попытки были безуспешными в первую очередь из-за большой разницы в периодах кристаллических решеток арсенида галлия с одной стороны и кремния и сапфира, с другой стороны.
Известны так же попытки нанесения переходных слоев между арсенидом галлия и, например, кремнием для уменьшения разницы в периодах кристаллических решеток между соседними эпитаксиальными слоями, которые оказались малоуспешными [1].
В работе [2] предложен новый подход к выбору подложек для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия, а именно на использовании подложек, изготовленных из интерметаллидов, (к которым относится и сам арсенид галлия), но с металлическим типом проводимости. В этом патенте в качестве подложек впервые предложено использовать монокристаллы интерметаллидов бинарных сплавов NiAl, CoAl, AlTi, NiGa в качестве подложек для эпитаксии арсенида галлия. К достоинству этих материалов подложек следует отнести очень низкое давление паров компонентов, позволяющее не беспокоится о превышении критического давления паров компонентов в процессе синтеза исходного материала интерметаллида и предотвратить (существенно снизить) испарение одного из компонентов в процессе выращивания монокристаллов, которое обычно приводит к нарушению стехиометрии в выращенном монокристалле. С этой точки зрения в отличие от синтеза арсенида галлия, технология выращивания этих монокристаллов более проста и выращивание качественных, достаточно однородных по составу монокристаллов большого размера не представляло больших проблем. К недостаткам этих материалов следует отнести в первую очередь относительно высокую температуру их плавления (например, у NiAl температура плавления равна ~1660°C). Это требует для выращивания монокристаллов данных соединений применение специального высокотемпературного оборудования. Необходимость использования такого оборудования затрудняет применение более простого горизонтального метода Бриджмена, широко используемого в лабораторной практике.
3
2
2
3
2
2
2
Существенное снижение температуры выращивания монокристаллов для подложек по сравнению с [2] достигнуто при использовании интерметаллических соединений, описанных в патенте [3], который является прототипом предполагаемого изобретение. Предложенные в этом патенте интерметаллические соединения имеют значительно более низкие температуры плавления (станнат никеля - NiSn-1138°С, алюминат никеля - NiAl-1264°С, германат кобальта - CoGe-1200°С, германат никеля - NiGe-1200°С, антимонид палладия - PdSb-805°С, полуантимонид марганца - MnSb-948°С, арсенид олова - SnAs-605°С. Такие относительно низкие температуры плавления существенно упрощают выращивание этих монокристаллов. Монокристаллы выращивались как методом Чохральского, так и более простым и доступным в применении методом Бриджмена.
Рентгеновским микроанализом подложек, изготовленных из выращенных монокристаллов, было установлено, что эти подложки в пределах чувствительности рентгеновского микроанализа достаточно однородны по составу по всей своей поверхности. Выращенные на этих подложках эпитаксиальные слои отличались достаточно высоким кристаллографическим совершенством. Однако измерение электрофизических свойств эпитаксиальных слоев арсенида галлия, выращенных на этих подложках-показало, что даже при достаточно низких температурах роста (300-350°C) происходит постепенное ухудшение электрофизических свойств этих слоев (старение) по сравнению со свойствами слоев, выращенных на арсенид галлиевых подложках. Это приводит к сильному ограничению применения таких структур в создании компонентов микроэлектронных устройств. Проведенные нами исследования по температурной зависимости электрофизических свойств (подвижность электронов в эпитаксиальном слое от температуры подложки в момент выращивания) показывают, что в отличие от обычных случаев, когда повышение температуры подложки способствует повышению подвижности электронов, в нашем случае повышение температуры приводит к ухудшению их электрофизических свойств. По нашему мнению это связно с тем, что при увеличении температуры подложки активизируется процесс диффузии одного из компонентов материала подложки в растущий на нем эпитаксиальный слой арсенида галлия.
Заявленные в [2, 3] интерметаллиды представляли собой соединения нестехиометрического состава. Как показали наши исследования, в этих интерметаллидах наблюдается заметная диффузия одного из компонентов (как правило, избыточного) как по всей монокристаллической подложке, так и диффузия в растущий на этой подложке слой арсенида галлия. Эта диффузия компонентов из подложки в растущий слой при повышенных температурах происходит практически постоянно, что приводит к ухудшению стабильности электрофизических параметров выращенного слоя.
Техническая задача, решаемая в предполагаемом изобретении - исключение вредной диффузии компонентов подложки в эпитаксиальный слой арсенида галлия. При этом достигается положительный технический результат, а именно, повышается стабильность электрофизических параметров выращенного слоя.
3
3
5
3
3
5
3
2
2
3
4
3
Указанная техническая задача решается тем, что в качестве материала подложек предлагается использовать интерметаллиды из группы: лантаниды галлия GaLa и GaLa, циркониды галлия Ga Zr и GaZr, цирконид алюминия AlZr, церид алюминия CeAl, бериллид палладия BePd, лантанид магния MgLa, лантанид алюминия AlLa, станнид платины PtSn, лантанид индия InLa, цирконид олова SnZr, плюмбит платины PtPb.
Предложенные интерметаллические соединения состоят преимущественно из элементов третьей группы: лантана, галлия, индия, алюминия или элементов четвертой группы - циркония, свинца, олова, создающих в случае их попадания в арсенид галлия только мелкие уровни, не захватывающие основные носители. Это выгодно отличает указанные материалы от материалов, использованных в [3] - металлов переходной группы - никель, кобальт, марганец, создающих в арсениде галлия обычно крайне нежелательные глубокие уровни.
Эти интерметаллические соединения имеют не только хорошее согласование кристаллических решеток с выращиваемым на них слоем арсенида галлия, но и обеспечивают стабильность электрофизических параметров выращиваемых на них активных слоев, (в таблице 1 и приведены некоторые свойства этой группы интерметаллидов).
Таблица 1
Соединение
Al<sub>3</sub>Zr
Ga<sub>3</sub>Zr
BePd
Al<sub>2</sub>Ce
Pt<sub>3</sub>Sn
Al<sub>2</sub>La
GaLa<sub>3</sub>
Периоды кристаллических решеток, Å
a<sub>t</sub>=4.013
a<sub>t</sub>=3.963
a<sub>k</sub>=8.19
a<sub>k</sub>=8.055
a<sub>k</sub>=4.004
a<sub>k</sub>=8,145
a<sub>k</sub>=5.66
Температура плавления, °C
1580
1275
1455
1480
1402
1405
615
Несовпадение периодов кристаллических решеток, в %:
+0.389
-0.85
+0.265
+0.75
+0,18
+1,88
+0.12
Соединение
Ga<sub>3</sub>La<sub>5</sub>
Ga<sub>3</sub>Zr<sub>5</sub>
InLa
MgLa
PbPt<sub>3</sub>
SnZr<sub>4</sub>
Периоды кристаллических решеток, Å
a<sub>t</sub>=8.056
a<sub>g</sub>=8.080
a<sub>k</sub>=3.985
a<sub>k</sub>=3.970
a<sub>k</sub>=4,058
a<sub>k</sub>=5.65
Температура плавления, °C
825
1600
1125
745
916
1327
Несовпадение периодов кристаллических решеток, %:
+0.763
+1.06
-0.318
-0.69
+1,5
-0,05
a<sub>k</sub> - постоянная кубической решетки,
a<sub>t</sub> - постоянная тетрагональной решетки,
a<sub>g</sub> - постоянная гексагональной решетки
Нами были выращены монокристаллы этих интерметаллидов, из них готовились подложки для эпитаксиального роста и проводился процесс эпитаксиального роста методом молекулярной эпитаксии по известным методикам, описанным, в частности, в патенте [2]. Проведенные нами исследования подтвердили, что качество эпитаксиальных структур GaAs, выращенных на поверхности этих интерметаллических соединении отличаются достаточно высоким совершенством, пригодным для приборного применения. Главным их достоинством является стабильность электрофизических свойств во времени: контрольные измерения таких важных параметров эпитаксиальных слоев как подвижность и концентрация электронов в течение года не обнаружило никаких заметных изменении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kadowa et al. Study of initial buffer in GaAs-on-Si grows Journal of crystal grows 115 (1991), 128-132.
2. Патент РФ №2267565, МПК С30 В 19/12 «Подложка для выращивания эпитаксиальных слов арсенида галлия».
3. Патент РФ №2308784, МПК HO1L 21/203 «Подложка для выращивания эпитаксиальных слов арсенида галлия».