Способ эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы

 

Способ эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы, включающий пропускание потока аммиака над источником металлического галлия и осаждение слоев на подложки, отличающийся тем, что, с целью увеличения толщины слоев, источник галлия располагают напротив подложек на расстоянии 2 - 5 мм, поток аммиака пропускают между ними со скоростью 25 - 50 л/ч и осаждение ведут при температуре 1170 - 1270^oС и температуре источника на 10 - 50^oС выше этой температуры.

Изобретение относится к способам выращивания эпитаксиальных слоев из газовой фазы и может быть использовано в электронной промышленности при создании светоизлучающих приборов на основе нитрида галлия, работающих во всей видимой области спектра. Известен способ эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы с использованием системы хлористого галлия и аммиака в потоке газа-носителя H₂, Ar на подложках корунда при температуре 720-950^oC [1] Существенным недостатком данного способа является малая толщина получаемых слоев из-за низкой скорости выращивания. При скорости выращивания 50 мкм/ч получены слои толщиной 200 мкм. Кроме того, не удается воспроизводимо выращивать более "толстые" слои, однородные по качеству, вследствие неконтролируемой кристаллизации продукта на стенках реактора, что ведет к уменьшению скорости роста по длине реактора. Наиболее близким к изобретению является способ эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы, включающий пропускание потока аммиака над источником металлического галлия и осаждение слоев на подложки [2] Недостатком указанного способа также является малая толщина выращиваемых слоев. Целью изобретения является увеличение толщины слоев. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы, включающем пропускание потока аммиака над источником металлического галлия и осаждение слоев на подложки, источник галлия располагают напротив подложек на расстоянии 2-5 мм, поток аммиака пропускают между ними со скоростью 25-50 л/ч и осаждение ведут при температуре 1170-1270^oC и температуре источника на 10-50^oC выше этой температуры. В предложенном способе для выращивания слоев используют подложки из сапфира и карбида кремния, которые располагают в непосредственной близости от источника галлия в градиенте температур, перпендикулярном подложкам. При сближении источника и подложек на расстоянии 2-5 мм обеспечивается эффективная доставка галлия и атомарного азота к подложкам. При расстоянии между источником галлия и подложками менее 2 мм происходит неконтролируемое зародышеобразование, что ведет к поликристаллическому росту. При расстоянии более 5 мм возможен унос аммиаком галлия из зоны осаждения, в результате резко замедляется скорость роста. При скоростях потока аммиака менее 25 л/ч скорость роста нитрида галлия невелика из-за недостатка в зоне роста активного азота и выделения свободного галлия на подложке, а при скоростях более 50 л/ч резко снижается массоперенос галлия к подложкам.При использовании температуры роста ниже 1177^oC наблюдается поликристаллический рост нитрида галлия вследствие зарождения большого числа малоподвижных центров кристаллизации. Выращивание при температуре выше 1270^oC происходит с интенсивным разложением растущих слоев и выделением свободного галлия на подложках даже с большими скоростями потока аммиака. Градиент температур, перпендикулярный подложкам, необходим для создания оптимальных условий переноса продуктов реакции взаимодействия галлия и аммиака к подложкам, контролируемого зарождения и роста кристаллов. Используя перепад температур между источником галлия и подложками менее 10^oC, не удается выращивать гомогенные слои нитрида галлия с большой скоростью, а следовательно, и большой толщины. При перепаде температур более 50^oC наблюдается интенсивное осаждение большого количества нитрида галлия на подложки, что ведет к поликристаллическому росту. На фиг.1 представлена зависимость скорости роста нитрида галлия от расстояния между источником галлия и подложками. Кривая I получена при следующих условиях: Скорость потока аммиака V_NH3 25 л/ч; Температура подложек (Т_п) 1170^oC; Перепад температур между источником и подложками (ΔT)=10°C. Кривая 2: V_NH3 35 л/ч, Т_п 1220^oC, ΔT=30°C. Кривая 3: V_NH3 50 л/ч, Т_п 1270^oC, ΔT=50°C.
На фиг.2 приведено устройство, поясняющее реализацию способа. В горизонтальном кварцевом реакторе 1 находится материал (например, графит), являющийся одновременно нагревателем 2 и местом помещения источника металлического галлия 3. Сверху на канавку 4 кладутся подложки 5 с расстоянием до источника галлия 2-5 мм в зависимости от режимов выращивания. Очищенный аммиак пропускается между подложками и источником галлия. Расстояние между источником и подложками регулируется глубиной канавки. Реактор с нагревателем помещают в высокочастотный индуктор 6, изготовленный таким образом, чтобы осевой градиент температур был минимальным, а радиальный перпендикулярен подложкам (направление градиента температур на фиг. 2 сверху вниз). Для изменения перепада температур между источником и подложками можно использовать шайбы 7 из материала нагревателя, которые помещаются сверху подложек. В реакторе создается вакуум не ниже 10_-3 мм рт.ст. Далее система продувается потоком аммиака и проводится выращивание нитрида галлия при температурах 1170-1270^oC, потоке аммиака 25-50 л/ч, перепаде температур 10-50^oC. Пример 1. Выращивание слоев нитрида галлия проводят на подложки из сапфира ориентации (1120), площадь каждой подложки 1 см². Конструкция нагревателя, расположение подложек соответствуют описанному выше на фиг.2. Расстояние между источником и подложками 2 мм. Скорость потока аммиака составляет 25 л/ч. Температура подложек 1170^oC. Перепад температур между источником и подложками (ΔT)10°C.. Скорость роста нитрида галлия 1,2 мм/ч. Получены слои толщиной 1 мм, объемом 100 мм³. Они были n-типа проводимости, имели концентрацию свободных электронов 3·10¹⁹ см^-3, подвижность электронов 80 см²/с. Пример 2. Подложки, ориентация, их расположение, как в примере 1. Расстояние между источником и подложками 3 мм. Скорость потока аммиака 35 л/ч. Температура подложек 1220^oC. Перепад температур ΔT=30°C.. Скорость роста нитрида галлия составляла 1,9 мм/ч. Толщина полученных слоев 1,6 мм, объем 160 мм³, слои были n-типа проводимости с концентрацией свободных электронов 5·10¹⁹ cм^-3, подвижность 50 см²/с. Пример 3. Подложки, ориентация, их расположение такие же, как в примере 1. Расстояние между источником и подложками 5 мм. Скорость потока аммиака 50 л/ч. Температура подложек 1270^oС. Перепад температур ΔT=50°C.. Скорость роста 0,3 мм/ч. Толщина полученных слоев 0,9 мм, объем 90 мм³, слои были n-типа проводимости с концентрацией свободных электронов 8·10¹⁹ см^-3, подвижностью электронов 30 см²/с. Пример 4. Выращивание проводят на подложки гексагонального карбида кремния ориентации (0001) площадью 1 см². Расположение подложек, поток аммиака, температура подложек, перепад температур такие же, как в примере 3. Расстояние между источником и подложками 2 мм. Скорость роста 2,3 мм/ч. Получены слои толщиной 2,1 мм, объемом 210 мм³ n-типа проводимости с концентрацией свободных электронов 6·10¹⁹ см^-3, подвижностью 40 см²/c. Таким образом, предлагаемый способ выращивания полупроводникового нитрида галлия позволяет увеличить толщину выращиваемых слоев более, чем в 10 раз по сравнению с известными способами, управлять процессом роста кристаллов. Причем по электрофизическим параметрам кристаллы не уступают слоям, полученным другими способами. Слои, выращенные предлагаемым способом, могут быть использованы в качестве подложек для гомоэпитаксиального роста нитрида галлия, а также для изготовления на их основе светодиодов с излучением во всей видимой области спектра.

Формула изобретения

Способ эпитаксиального выращивания нитрида галлия из газовой фазы, включающий пропускание потока аммиака над источником металлического галлия и осаждение слоев на подложки, отличающийся тем, что, с целью увеличения толщины слоев, источник галлия располагают напротив подложек на расстоянии 2 5 мм, поток аммиака пропускают между ними со скоростью 25 50 л/ч и осаждение ведут при температуре 1170 1270^oС и температуре источника на 10 50^oС выше этой температуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2