Способ получения тонких пленок многокомпонентных твердых растворов

 

Использование: технология получения полупроводниковых тонких пленок многокомпонентных твердых растворов контролируемого состава, в том числе эпитаксиальных, из паровой фазы на различных подложках. Сущность изобретения: способ получения тонких пленок многокомпонентных твердых растворов включает осаждение пленки на нагретую подложку из паров шихты. Вначале на подложку в неравновесных условиях наносят подслой из паров шихты осаждаемого состава толщиной не менее 40 атомных слоев. Производят изотермический отжиг подслоя в парах шихты, а затем создают между шихтой и подложкой разность температур, при которой пересыщение пара не превышает двух, после чего производят осаждение основной пленки до заданной толщины. Техническим результатом изобретения является получение на различных подложках тонких пленок многокомпонентных твердых растворов, близких по составу к составу исходной шихты, что обеспечивает хорошую воспроизводимость.

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых тонких пленок многокомпонентных твердых растворов и может использоваться при выращивании тонких пленок контролируемого состава, в том числе эпитаксиальных, из паровой фазы на разнообразных подложках.

Известен способ выращивания слоев CdHgTe, в котором на подложку из сапфира или GaAs наносят сначала эпитаксиальный слой CdTe толщиной несколько микрон, а затем выращивают эпитаксиальный слой из паров шихты HgTe. В процессе роста идет диффузионный процесс, в результате которого получается многослойная структура, центральная часть которой имеет требуемый состав. Этот способ удобен для получения диодной структуры, так как из-за градиента состава в пленке образуется p - n-переход (см., например, пат. США N 4648917, кл. 148 - 175, опубл. 1987 г.).

В указанном способе эпитаксиальный рост происходит в условиях, далеких от равновесных. Поэтому он применим для получения пленок твердых растворов, содержащих не более трех компонентов. При выращивании пленок более сложного состава, например PbSnGeTeIn, получить воспроизводимые результаты не представляется возможным.

Известен способ получения тонких пленок многокомпонентных твердых составов (Pb_1-xSn_xTe_1-y+δSe_y)_1-z(In Te)_z, включающий нагрев шихты осаждаемого состава до температуры 508 ± 2^oC, обеспечивающей пересыщение, необходимое для начала процесса зародышеобразования, и осаждение слоя из полученных паров шихты на подложку из BaF₂, нагретую до температуры 457 ± 2^oC, обеспечивающей рост слоя (см. пат. РФ N 2065223, H 01 L 21/203, БИ N 22, 1996 г.).

Этот способ, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип.

Основной недостаток способа - плохая воспроизводимость. Процесс роста идет при достаточно большой разности температур между шихтой и подложкой (~ 50^oC). Состав осаждаемой пленки отличается от состава шихты из-за того, что в таких условиях пересыщения по разным компонентам значительно отличаются. В результате состав пара, соответствующий при температуре испарения составу шихты, при температуре конденсации соответствует совершенно другому составу твердой фазы. Кроме того, при таком способе ограничен выбор материала подложки.

Предлагаемый способ решает задачу на различных подложках тонких пленок многокомпонентных твердых растворов, близких по составу к составу исходной шихты, что обеспечивает хорошую воспроизводимость.

Для решения этой задачи в известном способе получения тонких пленок многокомпонентных твердых растворов, включающем осаждение пленки на нагретую подложку из паров, получаемых при нагревании шихты осаждаемого состава до температуры, обеспечивающей пересыщение, необходимое для начала процесса зародышеобразования, вначале на подложку в неравновесных условиях из паров шихты осаждаемого состава наносят подслой толщиной не менее 40 атомных слоев и производят изотермический отжиг подслоя в парах шихты, а затем создают между шихтой и подложкой разность температур, при которой пересыщение пара не превышает двух, после чего производят осаждение пленки до заданной толщины.

Таким образом, в предлагаемом способе процесс роста основной пленки ведется при минимальной разности температур между шихтой и подложкой (5 - 10^oC), т. е. фактически в равновесных условиях. В результате состав пленок практически идентичен составу исходной шихты, что позволяет задавать и легко контролировать состав осажденных пленок, обеспечивая воспроизводимость процесса. Однако при таком температурном режиме пересыщение пара над подложкой не превышает двух, в результате чего процесс зародышеобразования очень чувствителен к типу подложки. Чтобы преодолеть это ограничение и обеспечить возможность получения тонких пленок многокомпонентных твердых растворов на подложках из различных материалов, рост основной пленки производят на подслой, предварительно осажденный на необходимую потребителю подложку из паров шихты, того же состава, что и основная пленка. Этот подслой выращивают по обычной технологии "горячей стенки" в далеких от равновесия условиях толщиной не менее 40 атомных слоев, а затем производят его изотермический отжиг в парах шихты. Отжиг удобно проводить при температуре, близкой к температуре осаждения основной пленки, чтобы в дальнейшем упростить установление необходимого для осаждения основной пленки температурного режима.

Минимальная толщина подслоя в 40 атомных слоев необходима, как показал эксперимент, для уверенного формирования структуры подслоя, которая в дальнейшем будет определять структуру основной пленки. Максимальная толщина подслоя определяется разумной длительностью изотермического отжига, в процессе которого добиваются того, чтобы состав подслоя стал идентичен составу шихты. Длительность отжига определяется толщиной и составом подслоя и температурой отжига и подбирается экспериментально. Как правило, время отжига невелико и колеблется в пределах 1 - 20 мин. После отжига кристаллографические и химические свойства подслоя близки к аналогичным свойствам будущей пленки, в результате чего последующий рост основной пленки не требует большого пересыщения пара и может происходить при разности температур ΔT между шихтой и подложкой всего в несколько градусов. ΔT подбирается экспериментально для каждого состава шихты, исходя из обеспечения разумной скорости роста при малом пересыщении и обычно составляет ~10^oC.

Предлагаемый способ был опробован в лабораторных условиях при получении тонких пленок твердых растворов PbSnGeTe[In] Эксперименты проводились на подложках из BaF₂ размером 9 х 9 мм и из Si со слоем SiO₂ диаметром 70 мм.

На подложки, нагретые до 550K традиционным методом "горячей стенки", наносился подслой толщиной 300 из шихты состава (Pb_1-xy-zSn_xGe_yIn_z)1-δTe_1+δ, где x = 0,06, y = 0,08, z = 0,01, δ = 10^-5, нагретой до температуры 710^oC (толщина 300 соответствует ~60 атомным слоям). После окончания процесса нанесения подслоя проводился его изотермический отжиг в парах шихты при температуре 700K в течение 10 мин. После этого температура шихты повышалась до 705K, а температура подложки понижалась до 695K, т.е. ΔT составляла 10K. Затем на полученном подслое проводился рост основной пленки со скоростью 1 - 2 мкм/ч до толщины 1 - 3 мкм.

С помощью рентгеноструктурного анализа были исследованы анализы и структура выращенных пленок. Полученные результаты показали, что состав пленок по всей площади подложек соответствовал составу исходной шихты. Структура пленок на BaF₂ была монокристаллической, а на Si-SiO₂ - мелкоблочной. Все пленки обладали фоточувствительностью в области 3 - 20 мкм, максимум спектральной чувствительности соответствовал 12 мкм.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает получение тонких пленок многокомпонентных твердых растворов контролируемого состава, в том числе монокристаллических, на различных подложках.

Формула изобретения

Способ получения тонких пленок многокомпонентных твердых растворов, включающий осаждение пленки на нагретую подложку из паров, получаемых при нагревании шихты осаждаемого состава до температуры, обеспечивающей пересыщение, необходимое для начала процесса зародышеобразования, отличающийся тем, что вначале на подложку в неравновесных условиях наносят подслой из паров шихты осаждаемого состава толщиной не менее 40 атомных слоев и производят изотермический отжиг подслоя в парах шихты, а затем создают между шихтой и подложкой разность температур, при которой насыщение пара не превышает двух, после чего производят осаждение пленки до заданной толщины.