Найбільш технологічним методом вирощування гетероепітаксіальних плівок є метод газофазної епітаксії по методу відкритої труби. Метод відновлення виявляється неприйнятним із-за хімічної взаємодії хлоридів і продуктів їх відновлення з пластиною. У промисловості використовують силановий метод, тобто піролітичне розкладання SiH4 і гідриду відповідної домішки (PH3, AsH3).
На початковій стадії утворення гетероепітаксіальної плівки виникають центри кристалізації (зародки), потім відбувається зростання острівців, і їх злиття (коаленсенція) в суцільну плівку. Надалі зростання плівки обумовлене механізмом гомоепітаксії.
Верхня межа робочих температур обмежена 1150-1170
С [3], оскільки при цих температурах має місце активне хімічна взаємодія кремнію і водню з пластиною з утворенням летючих з'єднань алюмінію і унаслідок чого утворюється полікристалічна плівка кремнію. При нижчих температурах (1000 - 1100
С) рухливість атомів кремнію на сапфіровій поверхні пластини знижується, що приводить до утворення великого числа центрів кристалізації і відповідно острівців кремнію. Із-за невідповідності параметрів решіток кремнію і пластини зародки розорієнтовані на 5-6
[3] . Таким чином, до моменту утворення суцільного шару (товщина плівки 0,2 мкм) в плівці міститься велика кількість дефектів. З моменту утворення суцільного шару і зростанням товщини щільність дефектів зменшується.
Отже для отримання досить тонких і довершених епітаксіальних шарів кремнію необхідно створювати умови для більш ранньої коалесценції, збільшивши щільність зародків на початковому етапі нарощування. Це може бути досягнуто зниженням температури або підвищенням швидкості осадження (до 5 мкм/хв). Після отримання суцільного шару швидкість осадження доцільно понизити до 0,3-0,8 мкм/хв, що сприятиме утворенню структурно довершеної плівки на стадії гомоепітаксії [4].
Швидкість осадження кремнію залежить від концентрації силана у водні, температури процесу і швидкості робочої суміші.
З рисунка 4 видно, що з підвищенням концентрації силана швидкість осадження зростає, проте при цьому газофазне розкладання силану відбувається інтенсивніше, що приводить до порушення умов гетерогенної реакції. Підвищення потоку газової суміші до 15-20 см/с також підвищує швидкість осадження.
Xороша якість епітаксіальних шарів (після утворення суцільного шару) забезпечується при температурах 1050-1100
С, концентрації силану 0,08-0,15 %, швидкості потоку 12-15 см/с і швидкості осадження 0,25-0,4 мкм/хв [3].
Гетероепітаксія на пластинах які містять алюміній (сапфір, шпинель) супроводжується автолегуванням вирощуваного шару алюмінієм, який по відношенню до кремнію є акцептором. Причиною утворення атомарного алюмінію є хімічна взаємодія пластини з воднем газової суміші (відновлення алюмінію з оксиду), а також з кремнієм згідно реакції:
Si + Al2O3 - SiO2 + Al2OAl2O + H2 - Al + H2O
З рисунка 5 видно, що ефект автолегування краще виражений при нарощуванні плівки на сапфірові пластини. З підвищенням температури (при постійній швидкості осадження) концентрація алюмінію зростає. Перераховані реакції протікають на початковій стадії нарощування плівки до утворення суцільного шару, тому атоми алюмінію концентруються в основному в цьому шарі. Оскільки початковий шар характеризується високою щільністю структурних порушень, велика частина атомів алюмінію електрично
Рисунок 4 – Залежність швидкості осадження кремнію з силану від концентрації силану у водні і температури [3].
пасивна. Проте при подальшій високотемпературній обробці епітаксійного шару(окисленні, дифузії домішок) відбувається активація алюмінію і дифузія домішки в шар, що приводить до значних змін параметрів структури. Якщо вирощений шар має електронну електропровідність, то автолегування може привести до часткової або повної компенсації донорної домішки залежно від її концентрації, а також температури і швидкості нарощування.
Для ослаблення ефекту автолегування прагнуть понизити температуру і підвищити швидкість нарощування. Проте в силановому методі це призводить, як правило, до зниження ступеня структурної досконалості плівки. Радикальний шлях полягає у використанні хімічно менш активних матеріалів для пластин, а також інші методи нарощування, наприклад, вакуумної епітаксії.
Рисунок 5 – Залежність концентрації алюмінію в епітаксіальному шарі кремнію від температури при нарощування на сапфір (1), і шпинель (2) [3].
3 МОЛЕКУЛЯРНО-ПРОМЕНЕВА ЕПІТАКСІЯ
3.1 Загальна характеристика молекулярно-променевої епітаксії
Момент, коли реалізація нових ідей, здавалося, починає обмежуватися граничними можливостями технології, був успішно подоланий з появою методу молекулярно-променевої епітаксії, який є результатом фантастичного удосконалення старого способу, що широко застосовувався для отримання металевих плівок, – випаровування речовини у вакуумі. Використання чистих джерел випаровуваних матеріалів, надвисокий вакуум, точний контроль температури підкладки, різні методи діагностики плівки, що росте, в поєднанні з комп'ютерною системою управління параметрами процесу - все це, разом узяте, привело до створення якісно нової технології, здатної вирішувати задачі, що раніше здавалися нездійсненними.
Звичайно МПЕ проводять в надвисокому вакуумі при тиску 10-6 – 10-8 Па. Температурний діапазон складає 400 - 800
С. Технічно можливо застосування і вищих температур, але це приводить до збільшення автолегування і дифузії домішки з підкладки [1].Переваги методу молекулярно-променевої епітаксії:
- низька температура процесу [1]. Зниження температури процесу зменшує дифузію домішки з підкладки і автолегування. Це дозволяє одержувати якісні тонкі шари;
- висока точність управління рівнем легування. Легування при використанні даного методу є безінертним, що дозволяє одержувати складні профілі легування [1].
Суть процесу полягає у випаровуванні кремнію і однієї або декількох легуючих домішок. Низький тиск пари кремнію і легуючих домішок гарантує їх конденсацію на відносно холодній підкладці.
Передепітаксіальна обробка підкладки при використанні методу молекулярно-променевої епітаксії здійснюється двома способами :
- високотемпературний відпал при температурі 1000 – 1250
С тривалістю до 10 хвилин [1]. При цьому за рахунок випаровування або дифузії всередину підкладки віддаляється природний оксид і адсорбовані домішки;- очищення поверхні за допомогою пучка низькоенергетичних іонів інертного газу. Цей спосіб дає кращі результати. Для усунення радіактивнихх дефектів проводиться короткочасний відпал при температурі 800 - 900
С [1].Система, використовувана для МПЕ кремнію, зображена на рисунку 6. Основою установки є вакуумна система. Оскільки в процесі МПЕ потрібно підтримувати високий вакуум, установки забезпечуються вакуумними шлюзами для зміни зразків, що забезпечує високу пропускну спроможність при зміні пластин і виключає можливість проникнення атмосферного повітря. Для десорбції атмосферних газів зі стінок системи потрібен тривалий відпал у вакуумі. Для забезпечення високої якості і чистоти шару, необхідно низький тиск. Цього добиваються, використовуючи безмасляні засоби відкачування (наприклад, титановий гетерний насос).
Метод МПЕ дозволяє проводити всесторонній аналіз деяких параметрів безпосередньо під час процесу вирощування плівки. Більшість промислових установок МПЕ містять устаткування для аналізу дифракції відбитих електронів, мас-спектрометр, оже-спектрометр з можливістю дослідження оже-спектрів розпорошених іонів.
Випаровування кремнію здійснюється не шляхом нагріву тигля, як для легуючих елементів, а за рахунок нагріву електронним променем, оскільки температура плавлення кременя відносно висока. Постійна інтенсивність потоку атомів забезпечується строгим контролем температури. Для контролю температури застосовуються термопари, інфра-червоні датчики і оптичний пірометр. Управління потоками атомів легуючої домішки здійснюється за допомогою заслінок. Це дозволяє досягти хорошої відтворюваності процесу і високої однорідності, швидкості росту і рівня легування.
МПЕ використовується для виготовлення плівок і шаруватих структур при створенні приладів на основі з’єднань (GaAs) і (AlxGa1-xAs) [1]. До таких приладів відносяться лавиннопролітні діоди, перемикальні НВЧ-діоди, польові транзистори з бар'єром Шоткі, інтегральні оптичні структури.
3.2 Обладнання для молекулярно-променевої епітаксії
Установка молекулярно-променевої епітаксії складається із трьох надвисоковакуумних камер, розділених вакуумними затворами з ручним приводом (рисунок 6). В верхній камері розміщено аналітичне обладнання і маніпулятор, на якому закріпляється підкладка; в нижній камері знаходиться електронно-променевий випаровувач потужністю 10 кВт, пристосований до роботи у НВВ.Зразкивводяться до накоплюючої камери, що використовується також як шлюз для швидкої перезарядки. Всі камери окомплектовані турбомолекулярними насосами, титановими субліматорами з охолодженням кріопанелей рідким азотом та іонними насосами.