Подложка для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия

Изобретение относится к получению монокристаллических материалов и пленок и может использоваться в технологии полупроводниковых материалов для изготовления солнечных элементов, интегральных схем, твердотельных СВЧ-приборов. В качестве материалов подложек для выращивания пленок GaAs ориентации (100) используются монокристаллы интерметаллических соединений, выполненные из одного из бинарных сплавов: NiAl, CoAl, AlTi, NiGa. Изобретение позволяет выращивать зеркальные эпитаксиальные пленки арсенида галлия в более широком диапазоне температур осаждения и пересыщения, обеспечивает упрощение технологии изготовления приборов и снижает их стоимость. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к технологии материалов для создания полупроводниковых приборов - устройств приема, обработки и передачи информации. Арсенид галлия вследствие специфической особенности зонного строения нашел широкое применение в опто- и микроэлектронике. Основная часть приборов, использующих арсенид галлия, выполнена не на массивных кристаллах и срезах из них, а на эпитаксиальных пленках и слоях, выращенных на подложках из арсенида галлия. Известно, что выращивание больших монокристаллов GaAs приборного качества до сих пор представляет заметную трудность [1], поэтому по размеру выращиваемые кристаллы GaAs значительно уступают кристаллам кремния. Именно эта технологическая трудность сдерживает широкое применение приборов на основе GaAs, с одной стороны, а с другой - стимулирует работы по замене подложек из арсенида галлия на другие, эквивалентные по кристаллографическим параметрам в качестве подложечного материала арсениду галлия, но более простые по технологии их выращивания.

Известен ряд попыток заменить монокристаллы GaAs в качестве подложек на другие, более дешевые, в частности, на кремний - основной материал современной микроэлектроники как непосредственно, так и через нанесение промежуточных - переходных слоев. Заметное несоответствие кристаллических решеток кремния и арсенида галлия приводило к эффекту старения приборов [2].

Другой подход к решению этой проблемы предложен в работе [3] - выращивание пленок GaAs на интерметаллидах на основе сплавов переходных металлов 4-го периода с элементами 5-ой группы периодической системы элементов [3]. Большим достоинством этих подложек является использование для их получения материалов с низкой упругостью пара, что позволило существенно упростить процессы синтеза интерметаллида и выращивание монокристаллов: их удается проводить и в вакууме, и в нейтральной среде (аргон) - при атмосферном давлении. Это решение является наиболее близким к предлагаемому изобретению. Особенностью этих интерметаллидов является то, что их химический состав близок к химическому составу материалов для омического контакта для арсенида галлия.

Этим известным подложкам для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия присущ один существенный недостаток - интерметаллиды этой группы кристаллизуются в гексагональном типе кристаллической решетки. Выращенные на них монокристаллические пленки GaAs растут осью [111] перпендикулярно поверхности роста (0001) подложки.

Существуют определенные отличия в технологии выращивания эпитаксиальных пленок GaAs, связанные с ростом на различно ориентированных подложках (основные направления - [100], [110], [111]). К ним относятся: разная скорость роста, разная скорость травления, морфология поверхности, в частности, гладкость (зеркальность) поверхности. Для направления роста [111], используемого в прототипе, существует известная трудность в выращивании эпитаксиальных пленок GaAs, состоящая в узком диапазоне температур и пересыщении области зеркального роста: при небольшом отклонении параметров роста от оптимальных на поверхности роста появляются тригональные пирамиды роста, что приводит к ухудшению гладкости (зеркальности) и появлению рельефа на поверхности эпитаксиальных пленок. Негладкость эпитаксиальной поверхности приводит к существенным проблемам при проведении литографии на ее поверхности.

Поэтому в промышленности в основном (за исключением специальных случаев) для эпитаксиального роста используют поверхность (100) как более устойчивую к колебаниям параметров роста. С целью более полного использования существующей промышленной технологии выращивания пленок арсенида галлия на этой плоскости необходимы другие интерметаллиды.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в разработке новых материалов, пригодных для использования их в качестве подложек для выращивания на их поверхности эпитаксиальных пленок GaAs (100) - ориентации, позволяющие использовать существующие промышленные технологии их роста, что дает возможность выращивания зеркальных эпитаксиальных пленок GaAs в более широком диапазоне температур осаждения и пересыщения.

Указанная цель достигается тем, что в качестве подложек для выращивания эпитаксиальных слоев GaAs используются монокристаллы интерметаллических соединений, выполненных из одного из следующих бинарных сплавов: NiAl, CoAl, AlTi, NiGa. При этом поверхность роста подложки имеет ориентацию (100).

Известно, что монокристаллы интерметаллидов переходных металлов 4-го периода периодической системы с элементами 3 группы - алюминием и галлием кристаллизуются в кубической (NiAl, CoAl, NiGa) и тетрагональной (AlTi) сингониях, образуя на поверхности роста (100) квадратные плоские двумерные решетки с близкими к арсениду галлия периодами кристаллических решеток. Поэтому они оказались перспективными для использования в качестве материалов для подложек при эпитаксии слоев GaAs. Для более полного согласования параметров кристаллических решеток подложек-интерметаллидов и GaAs в интерметаллиды NiAl и NiGa добавлен сплав интерметаллида NiBe в количестве и 22,6±3 ат% и 20,6±3 ат% соответственно, а в интерметаллиды CoAl и AlTi добавлен сплав интерметаллида СоВе в количестве 15,4±3 ат% и 1,8±0,3 ат% соответственно.

Из сплавов переходных металлов никеля, кобальта и титана с алюминием были синтезированы алюминий кобальт, алюминий никель, алюминий титан, а из сплавов галлия с никелем было синтезировано интерметаллическое соединение - GaNi. Отмечено, что реакции сплавления алюминия с никелем и кобальтом являются пирофорными и сопровождаются большим выделением тепла (происходит саморазогрев навески в тигле в процессе нагревания-(сплавления) компонентов в тигле.

Из синтезированных слитков методом Чохральского в установке «Кристалл - 3М» были выращены монокристаллы интерметаллидов: алюминий кобальт (температура роста ˜ 1650°±5°C), алюминий никель (температура роста ˜ 1660°±5°С), алюминий титан (1450°±5°С), никель галлий (температура роста ˜ 1220°±5°С). Эти монокристаллы выращивались как в вакууме (р˜1·10^-5 мм рт.ст.), так и в газовой среде (аргон ˜ 1 атм) с использованием тигля из двуокиси циркония. В качестве исходных материалов использовались никель электролитический вакуумной переплавки 99,99% чистоты, кобальт электролитической переплавки - 99,9%, титан - 99,9%, алюминий - 99,9% - 99,9%, галлий - 99,99%, бериллий - 99,9%. В качестве затравок применялись монокристаллы, ранее выращенные в вертикальных печах. Скорость вращения затравок составляла 30-40 оборотов в минуту, скорость вытягивания монокристаллов находилась в пределах 1,5-7 мм в час. Диаметр выращенных монокристаллов составлял 10-35 мм, длина монокристаллов - 10-15 см.

Возможные включения, осевая и радиальная однородность проверялись металлографически и рентгенографически. Выращенные монокристаллы разрезались по плоскости (100) и полировались для последующего применения в качестве подложек для эпитаксии слоев GaAs.

Методом молекулярно-пучковой эпитаксии на этих подложках были выращены эпитаксиальные пленки GaAs толщиной 1-2 микрометра, по методике, описанной в [3]. Рентгено-топографические исследования выращенных эпитаксиальных структур показали существование несоответствия периодов кристаллических решеток:

2·a (CoAl)- a (GaAs)/a (GaAs)=1,35%

2·a (NiAl)- a (GaAs)/ a (GaAs)=2,2%

2·a (AlTi)- a (GaAs)/ a (GaAs)=0,13%

2·a (NiGa)- a (GaAs)/ a (GaAs)=1,97%,

где а - период соответствующих кристаллических решеток.

Пленки GaAs (100) ориентации, выращенные на этих подложках, были зеркально-гладкими. Гладкость подложек проверялась интерферометрически.

По методике, описанной выше, нами были синтезированы BeNi и ВеСо. Установлено, что добавление следующих количеств BeNi и ВеСо в тигель для выращивания монокристаллов приводит к существенному улучшению (вплоть до полного) согласования кристаллических решеток подложки-интерметаллида и выращенного эпитаксильного слоя GaAs:

22,6±3 атомных процента BeNi для NiAl

15,4±3 атомных процента ВеСо для CoAl

20,6±3 атомных процента BeNi для GaNi

1,8±0,5 атомных процента ВеСо для AlTi

Таким образом использование в качестве подложек для выращивания эпитаксиальных слоев GaAs указанных выше интерметаллических соединений позволяет выращивать пленки и слои GaAs по промышленной технологии, при этом существенно упрощается технология роста материала подложек при сохранении их высоких потребительских качеств.

Литература

1. М.Г.Мильвицкий. Полупроводниковые материалы в современной электронике. М., Наука, 1986.

2. P.Sheldon et al. Jour. Appl. Phys. 58(11), 4186 (1986).

3. Патент РФ №2209260, МПК С 30 В «Подложка для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия» (автор Айтхожин С.А.).

1. Подложка для выращивания эпитаксиальных пленок арсенида галлия, выполненная из монокристалла интерметаллического соединения, отличающаяся тем, что интерметаллическое соединение является одним из бинарных сплавов никеля, кобальта, титана с алюминием или бинарным сплавом никеля с галлием, при этом поверхность роста подложки имеет ориентацию (100).

2. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что бинарные сплавы никеля с алюминием и никеля с галлием дополнительно содержат интерметаллическое соединение, являющееся бинарным сплавом бериллия с никелем в количестве 22,6±3 ат.% и 20,6±3 ат.% соответственно.

3. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что бинарные сплавы кобальта с алюминием и титана с алюминием дополнительно содержат интерметаллическое соединение, являющееся бинарным сплавом бериллия с кобальтом в количестве 15,4±3 ат.% и 1,8±0,3 ат.% соответственно.