Способ получения монокристаллов фосфида индия, легированного оловом

Изобретение относится к технологии полупроводниковых соединений. Сущность изобретения: в способе получения монокристаллов фосфида индия, легированного оловом, нелегированный монокристалл фосфида индия облучают полным спектром реакторных нейтронов с последующим нагревом, отжигом и охлаждением. Нагрев и охлаждение ведут с определенной скоростью, а отжиг проводят при температуре, определяемой по представленной зависимости. Данный способ позволяет производить легирование пластин фосфида индия оловом до высоких концентраций, повысить однородность распределения олова и подвижность электронов. 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии полупроводниковых соединений типа А^ШВ^V и может быть использовано при получении монокристаллических пластин фосфида индия, легированного оловом.

Монокристаллы фосфида индия легируются традиционно в процессе выращивания из расплава методом Чохральского. Данный способ обладает рядом недостатков, в первую очередь высокой неоднородностью распределения легирующей примеси в объеме материала (до 20÷25% по диаметру и до 50÷100% по длине слитка); низкой стабильностью параметров после термообработки; высокой степенью компенсации. Кроме того, при высоких уровнях легирования монокристаллов фосфида индия не вся вводимая примесь находится в электрически активном состоянии, наблюдается политропия вводимой примеси. Широкое применение фосфида индия в производстве электронных приборов, высокая степень интеграции приборов выдвигают более жесткие требования к качеству и геометрическим размерам монокристаллов. Улучшение параметров материала металлургическими способами в процессе выращивания монокристаллов в настоящее время практически невозможно.

Целью изобретения является легирование пластин фосфида индия оловом до высоких концентраций, повышение однородности распределения олова и подвижности электронов.

Поставленная цель достигается тем, что при осуществлении способа легирования монокристаллов фосфида индия оловом, включающего введение олова в твердый образец, термообработку и охлаждение, олово вводят путем облучения потоком частиц, содержащим тепловые нейтроны, нагрев ведут со скоростью 20÷50 град/мин, термообработку проводят в течение 20 мин при температуре, определяемой зависимостью

T_отж=800+(lgN_Sn-16)·30 [°С],

где N_Sn - концентрация вводимой легирующей примеси олова [см^-3].

Причем охлаждение ведут сначала со скоростью 4÷12 град/мин до температуры 450÷500°С, а затем со скоростью 10÷20 град/мин до температуры 300÷350°С.

Облучение фосфида индия тепловыми нейтронами приводит к превращению изотопа In¹¹⁵, составляющего 96% естественной смеси, в олово по реакции In¹¹⁵(n,γ)In¹¹⁶→Sn¹¹⁶.

Образующиеся атомы олова в узлах катионной подрешетки проявляют себя как доноры.

Распределение вводимой примеси по глубине (в направлении потока частиц) имеет следующий характер:

N_Sn (x)=Ф_тN₀Kσexp(-N₀Kx),

где Ф_т - флюенс тепловых нейтронов, см^-2; N₀ - концентрация атомов вещества, см^-3; К - содержание необходимого изотопа, %, σ - сечение активации изотопа, см².

Величина флюенса тепловых нейтронов определяется заданной величиной концентрации олова согласно зависимости

Ф_т=N_Sn/N₀Kτ,

где N_Sn - концентрация олова, вводимого в результате ядерных реакций.

При толщине образца d<<(N₀Kσ)^-1 получается равномерно легированный образец.

Отжиг образцов в указанных условиях обеспечивает удаление радиационных дефектов, возникающих в материале в процессе облучения.

При скорости нагрева меньше 20 град/мин в материале в результате диффузии точечных структурных дефектов образуются частично скоагулированные термостабильные кластеры, отжиг которых требует более высоких температур.

Верхний предел скорости нагрева 50 град/мин обеспечивает полное разрушение различного рода скоплений точечных дефектов. Превышение этого предела приводит к появлению новых дефектов, ухудшающих однородность распределения вводимой примеси.

Так как температура термообработки, при которой происходит полный распад радиационных дефектов, зависит от флюенса нейтронов, то было выведено уравнение, которое позволяет при заданной скорости нагрева достаточно точно определить оптимальную температуру термообработки в зависимости от флюенса тепловых нейтронов. Продолжительность термообработки, как показывает опыт, должна быть не менее 20 мин. При времени выдержки меньше 20 мин не успевают полностью аннигилировать радиационные дефекты.

Оптимальный режим охлаждения кристалла после отжига радиационных дефектов является ступенчатым. При этом на первом этапе скорость охлаждения должна быть в пределах 4÷12 град/мин до температуры 450÷500°С. Необходимость в такой скорости вызвана тем, что кристалл должен пройти нижний предел пластичности с оптимально низкой скоростью, чтобы исключить генерацию дополнительных дефектов, образующихся при охлаждении в режиме закалки. Верхний предел скорости охлаждения, при которой начинают возникать дополнительные дефекты, определен экспериментально и равен 12 град/мин.

При скорости охлаждения ниже 4 град/мин успевает произойти перестройка совокупности точечных структурных дефектов, например, с образованием необратимых кластеров, в состав которых входят атомы олова, не проявляющие донорных свойств. Этот процесс имеет место при достаточно длительной выдержке материала при температурах ниже 450÷500°С, поэтому охлаждение облученного кристалла от 450÷500°С до комнатной температуры следует вести со скоростью порядка 15÷30 град/мин. При этом верхний предел скорости охлаждения определяется механической прочностью термообработанного материала.

Подобный режим термообработки позволяет избавиться от радиационных дефектов, улучшить однородность электрофизических свойств кристалла и повысить подвижность носителей заряда. Оптимальную температуру отжига вычисляли по формуле в зависимости от флюенса тепловых нейтронов.

Пример 1.

Нелегированный монокристалл фосфида индия, полученный методом Чохральского, диаметром 76 мм с концентрацией и подвижностью электронов (1÷3)×10¹⁶ см^-3 и 5500 см²В^-1 с^-1 соответственно и неоднородностью распределения носителей заряда по диаметру 25% разрезают на пластины толщиной до 2 мм, которые вводят в канал ядерного реактора и облучают полным спектром реакторных нейтронов при интенсивности потока тепловых нейтронов (1÷5)×10¹² см^-2 с^-1 до набора флюенса тепловых нейтронов 2×10¹⁷ см^-2. После дезактивации образцы запаивают в вакуумированную кварцевую ампулу для последующего отжига.

Зная флюенс нейтронов, по предлагаемой формуле предварительно рассчитывают температуру отжига радиационных дефектов

T_отж=800+(lgN_Sn-16)·30 [°С].

Затем подготовленную ампулу с облученными образцами помещают в печь сопротивления и нагревают со скоростью 20 град/мин до температуры 830°С, выдерживают при этой температуре в течение 20 мин, затем охлаждают до температуры 450-500°С со скоростью 4 град/мин, далее до температуры 300-350°С со скоростью 10 град/мин. После термообработки измеряют коэффициент Холла, что подтверждает наличие концентрации электронов в кристалле на уровне 4×10¹⁷ см^-3. При этом подвижность электронов составляет μ=5000 см^-2В^-1с^-1, а неоднородность распределения концентрации электрически активного олова по диаметру пластины составляет Δ=2,1%.

Пример 2.

Нелегированный монокристалл фосфида индия, полученный методом Чохральского, диаметром 76 мм с концентрацией и подвижностью электронов (1÷3)×10¹⁶ см^-3 и 5500 см²В^-1с^-1 соответственно и неоднородностью распределения носителей заряда по диаметру 25% разрезают на пластины толщиной до 2 мм, которые вводят в канал ядерного реактора и облучают полным спектром реакторных нейтронов при интенсивности потока тепловых нейтронов (1÷5)×10¹² см^-2 с^-1 до набора флюенса тепловых нейтронов 2×10¹⁸ см^-2. После дезактивации образцы запаивают в вакуумированную кварцевую ампулу для последующего отжига.

Зная флюенс нейтронов, по предлагаемой формуле предварительно рассчитывают температуру отжига радиационных дефектов

T_отж=800+(lgN_Sn-16)·30 [°С].

Затем подготовленную ампулу с облученными образцами помещают в печь сопротивления и нагревают со скоростью 50 град/мин до температуры 860°С, выдерживают при этой температуре в течение 20 мин, затем охлаждают до температуры 450-500°С со скоростью 12 град/мин, далее до температуры 300-350°С со скоростью 20 град/мин. После термообработки измеряют коэффициент Холла, что подтверждает наличие концентрации электронов в кристалле на уровне 4×10¹⁸ см^-3. При этом подвижность электронов составляет μ=4500 см^-1В^-1с^-1, а неоднородность распределения концентрации электрически активного олова по диаметру пластины составляет Δ=1,9%.

Пример 3.

Нелегированный монокристалл фосфида индия, полученный методом Чохральского, диаметром 76 мм с концентрацией и подвижностью электронов (1÷3)×10¹⁶ см^-3 и 5500 см²В^-1с^-1 соответственно и неоднородностью распределения носителей заряда по диаметру 25% разрезают на пластины толщиной до 2 мм, которые вводят в канал ядерного реактора и облучают полным спектром реакторных нейтронов при интенсивности потока тепловых нейтронов (1÷5)×10¹² см^-2 с^-1 до набора флюенса тепловых нейтронов 2×10¹⁹ см^-2. После дезактивации образцы запаивают в вакуумированную кварцевую ампулу для последующего отжига.

Зная флюенс нейтронов, по предлагаемой формуле предварительно рассчитывают температуру отжига радиационных дефектов

T_отж=800+(lgN_Sn-16)·30 [°С].

Затем подготовленную ампулу с облученными образцами помещают в печь сопротивления и нагревают со скоростью 50 град/мин до температуры 890°С выдерживают при этой температуре в течение 20 мин, затем охлаждают до температуры 450-500°С со скоростью 12 град/мин, далее до температуры 300-350°С со скоростью 20 град/мин. После термообработки измеряют коэффициент Холла, что подтверждает наличие концентрации электронов в кристалле на уровне 3×10¹⁹ см^-3. При этом подвижность электронов составляет μ=4000 см^-2В^-1с^-1, а неоднородность распределения концентрации электрически активного олова по диаметру пластины составляет Δ=1,8%.

В таблице приведены данные, характеризующие влияние температуры термообработки, скоростей нагрева и охлаждения на электрофизические параметры материала, легированного оловом путем облучения нейтронами.

По сравнению с базовым объектом, за который принят способ легирования фосфида индия в процессе кристаллизации из легированного оловом расплава, предложенный способ позволяет получить материал, имеющий приблизительно на порядок меньшую неоднородность по концентрации электронов и подвижность, большую на 10-30% для конкретной концентрации носителей заряда.

Источники информации

1. А.Я.Нашельский. Производство полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1989, 271 с.

2. Н.Г.Колин, Д.И.Меркурисов, С.П.Соловьев. Электрофизические свойства ядерно-легированного фосфида индия. ФТП, т.34, вып.2, с.157, 2000.

Таблица
№ образца	Флюенс тепловых нейтронов, Фт×10-18, см-2	Скорость нагрева, град/мин	Температура отжига, Т, °С	Скорость охлаждения до 450-500°С, град/мин	Скорость охлаждения до температуры 300-350°С, град/мин	Концентрация электронов, n×10-18, см-3	Подвижность электронов, μ, см2В-1с-1	Неоднородность распределения концентрации электронов, Δ, %
1	0,2	20	830	4	10	0,4	5000	2,1
2	2,0	50	860	12	20	4,0	4500	1,9
3	20,0	50	890	12	20	40,0	4000	1,8
4	0,2	70	830	4	10	Механические напряжения
5	0,2	20	830	20	10	Закалочные эффекты
6	2,0	20	800	12	20	2,0	4000	15,0
7	2,0	50	950	12	20	4,0	1900	20,0

Способ получения монокристаллов фосфида индия, легированного оловом, путем облучения полным спектром реакторных нейтронов с последующим нагревом, отжигом и охлаждением, отличающийся тем, что, с целью повышения подвижности носителей заряда и электрической активности легирующей примеси в монокристаллах, нагрев ведут со скоростью 20-50 град/мин до температуры отжига, определяемой по формуле

T_отж=800+(lgN_Sn-16)·30 [°C],

где N_Sn - концентрация вводимой легирующей примеси олова [см^-3], отжиг проводят в течение 20 мин, а последующее охлаждение ведут со скоростью 4÷12 град/мин до температуры 450÷500°С, а затем со скоростью 15÷30 град/мин до температуры 300÷350°С.