Газды фазалық эпитаксия.Жартылай өткізгішті наноқұрылымдарды эпитаксиалды өсіру. Эпитаксиалды өсудің принциптері мен әдістері Лекция-3 Оқытушы: Калкозова Ж.К

Газофазная эпитаксия Остановимся на одном из наиболее распространенных VD методов изготовления наноструктур, а именно на технологии MOCVD. В методе MOCVD осуществляется эпитаксиальный рост материалов путем осаждения на подложку продуктов термического разложения (пиролиза) молекул органических газов, содержащих необходимые химические элементы, называется методом осаждения металлоорганических соединений из газообразной фазы. В отличие от MBE при MOCVD рост происходит не в вакууме, а в присутствии газа при умеренных давлениях. При комнатных температурах металлоорганические соединения находятся в жидком или даже твердом состоянии.

Поскольку эти вещества, как правило, имеют высокое давление паров, их можно легко доставить в зону химической реакции путем продувки газа носителя через жидкости или над твердыми телами, играющими роль источников. В качестве газа носителя используют водород или инертные газы (гелий, аргон). Идею метода MOCVD можно проиллюстрировать с помощью рисунка, схематически изображающего реактор, в котором происходит эпитаксиальный рост структуры (рис ). Рис Схема горизонтального реактора открытого типа с охлаждаемыми стенками для MOCVD: 1 – кварцевый корпус, 2 – катушка высокочастотного генератора для нагревания подложки, 3 – блок нагревания, 4 – подложки, 5 – водяное охлаждение (впуск), 6 – водяное охлаждение (выпуск). Схематически показано распределение скоростей v и температуры T в газовом потоке в диффузионном слое вблизи подложки.

Кристаллизация материала на нагретой подложке, расположенной в реакторе с холодными стенками, осуществляется при пропускании над ней однородной газовой смеси реагентов с газом-носителем. В результате пиролиза, при котором газообразные соединения разлагаются на компоненты на горячей поверхности, образуется стабильное твердое полупроводниковое соединение. Температура пиролиза составляет С. Подложка и растущая пленка обычно нагреваются высокочастотным генератором с частотой 450 к Гц.

Пиролиз происходит в открытом реакторе при атмосферном или пониженном давлении ( 70 мм рт. ст.). Снижая давление газовой смеси при выращивании соединений можно управлять градиентом изменения состава основных компонент и примесей в гетероструктуре. При пониженных давлениях выращивание ведется при больших, чем при атмосферном давлении скоростях газового потока, что позволяет получать более однородные слои. Методом MOCVD могут быть последовательно выращены многослойные, многокомпонентные эпитаксиальные структуры в едином ростовом цикле, поскольку к реактору можно подключить несколько источников различных материалов и изменять состав газовой смеси в реакторе.

Скорость, с которой можно обеспечить нужное изменение, зависит от геометрии реактора и величины полного потока газа через реактор. При высоких скоростях потока изменение состава можно осуществлять достаточно быстро и, следовательно, можно получать гетеропереходы с резкой гетеро границей. Методом MOCVD можно выращивать структуры достаточно высокого качества с толщиной отдельных слоев, составляющих всего 5-6 межатомных расстояний. На рис представлено изображение промышленной установки MOCVD. Рис Промышленная MOCVD установка фирмы AIXTRON.

При газофазной эпитаксии кристаллов, типа GaAs, исходными ростовыми материалами являются газообразные алкиды металлов (на- пример, Ga(CH 3 ) 3 ) и также газообразный арсин - AsH 3. Технологичес- кий процесс происходит в замкнутом объеме - реакторе, но, в отличие от МПЭ, процесс не требует высокого вакуума. Струи исходных мате- риалов направляются на нагретую подложку, на которой происходит химическая реакция: Ga(CH 3 ) 3 + AsH 3 = GaAs + 3CH 4

Слой GaAs осаждается на подложку, а второй продукт реакции – газообразный метан, CH 4, откачивается из реактора. Нагрев подложки необходим по двум причинам: во-первых, химическая реакция является эндотермической, т.е. требует дополнительного тепла, и это тепло поставляется из подложки, а во-вторых, так же как в методе МПЭ, нагрев способствует поверхностной диффузии атомов. Давление газов в реакторе может варьироваться в широких пределах в зависимости от требований к выращиваемым структурам. Уменьшение давления повышает резкость гетеро границ, но при этом повышается возможность загрязнения ростовых материалов в результате контакта со стенками реактора. Для уменьшения такого контакта реактор иногда заполняется буферным газом – водородом или азотом.

Достоинства ГФЭ: Существенно большие, чем в МПЭ, простота и устойчивость процесса роста. Приблизительно в десять раз большая скорость роста (около 10 мкм/час). Более дешевые ростовые материалы. Недостатки ГФЭ: Невозможность обеспечить высокую чистоту технологического процесса. Невозможность непосредственно контролировать процесс роста. Технические сложности, связанные с высокой токсичностью используемых материалов.

Достоинством технологии MOCVD является возможность получать структуры большой площади с высокой скоростью роста, удовлетворяющие требованиям массового промышленного производства. Современные MOCVD установки оснащаются горизонтальными «планетарными реакторами» (рис ), позволяющими работать одновременно с большим числом подложек, вращающимися в процессе роста гетероструктур. Это приводит к высокой однородности слоев по отношению к составу основных компонентов и легированию.

22 Рис Планетарный реактор для MOCVD установка фирмы AIXTRON. Следует подчеркнуть, что MOCVD метод является лишь одной, хотя и широко используемой, разновидностью производства наноструктур путем осаждения из газообразной фазы (VP - Vapour Deposition). VP методы можно разделить на два больших класса: химическое (CVD – Chemical Vapour Deposition) и физическое (PVD – Physical Vapour Deposition) осаждение из газообразной фазы [1.2.1,1.2.2]. При физическом осаждении (PVD) материал покрытия переходит из твердого состояния в газовую фазу в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала. Энергия, распределение и плотность потока частиц определяются методом нанесения, параметрами процесса и формой источника частиц.

Испарение осуществляется за счет резистивного сопротивления, индукционного нагрева, электронно-лучевых пучков, низковольтной дуги, полого катода, катодной или анодной дуги, лазерного луча. Процессы могут проходить с дополнительной ионизацией или без нее, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него. Распыление бывает диодное или магнетронное, при постоянном токе или токе высокой частоты, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него, с дополнительной модификацией магнитного поля (несбалансированной или с замкнутым полем) или без нее.

Для нанесения слоев на подложку в подавляющем большинстве случаев применяется один из трех методов ионного осаждения. К ним относятся: испарение электронным пучком, испарение электрической дугой, распыление (магнетронное) ионной бомбардировкой. Процессы осаждения протекают в среде инертного газа в присутствии реакционного газа (например, азота и/или ацетилена) при отрицательном напряжении смещения на подложке.