Эпитаксия

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИCTEPCTBO НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-технический факультет

Кафедра физической электроники

Реферат

по дисциплине

«Кристаллография»

на тему:

«Эпитаксия»

Выполнил:

Раффа Владислав Викторович

студент 3 курса

Проверил: доцент кафедры физической электроники

Лисицын Сергей Викторович

Ставрополь, 2021



Оглавление

Введение

1. Эпитаксия - общий обзор

2. Основные закономерности роста эпитаксиальных пленок при выращивании из газообразной среды

3. Причины образования структурных дефектов

4. Методы эпитаксии

4.1 Жидкостная эпитаксия

4.2 Эпитаксия из газообразной фазы

4.3 Молекулярно-лучевая эпитаксия

Заключение

Список использованных литературных источников



Введение

Электроника за последние десятилетия прошла огромный путь развития от простейших аналоговых схем середины XX века до современной полупроводниковой электроники с наноразмерной архитектурой. [1]

Существует большое количество способов производства современных полупроводниковых структур и устройств. Одним из таких способов является эпитаксия.

Сам термин «эпитаксия» был введен в 1928 году французским исследователем Л. Руайе. [1] Сам процесс эпитаксии достаточно интересен с технической стороны. Это процесс, который происходит в вакуумном пространстве и заключается в нарастании одной кристаллической породы над другой, при этом каждый новый слой повторяет ориентацию решетки каждого предыдущего слоя. Процесс эпитаксии можно разделить на два основных вида: гомоэпитаксию и гетероэпитаксию, когда вещества подложки идентичны и, соответственно, различаются. Однако, это достаточно простоая классификация, которая основана на типах подложки и выращиваемого кристалла. Процесс эпитаксиального роста можно разделить с технологической точки зрения, так, существует большое количество видов эпитаксиального выращивания. [2]

Целью данной работы является рассмотрение технологических процессов эпитаксиального роста кристаллов.

Для выполнения данной цели были поставлены следующие задачи:

Рассмотреть процесс эпитаксии.

Рассмотреть основные закономерности роста пленок в газофазной среде.

Рассмотреть причины образования структурных дефектов и их виды.

Рассмотреть основные виды процессов эпитаксии.



1. Эпитаксия - общий обзор

Слово эпитаксия состоит из двух греческих слов: «эпи» - «над» и «таксис» - «упорядочивание». Поэтому термин эпитаксия означает наращивание кристаллографически ориентированных монокристаллических слоев на монокристаллические подложки или друг на друга. Монокристаллическая подложка в процессе выращивания играет роль затравочного кристалла. [3]

Можно выделить два вида эпитаксии: гомоэпитаксию (автоэпитаксию) и гетероэпитаксию.

Гомоэпитаксия - это наращивание монокристаллической пленки на подложку из того же вещества, что и пленка. Например, наращивание эпитаксиальной пленки кремния на подложу (объемный кристалл) из монокристаллического кремния.

Гетероэпитаксия - это наращивание пленки на инородную подложку. Например, наращивание эпитаксиальной пленки PbTe на монокристаллическую подложку BaF2. Однако при гетероэпитаксии кристаллические решетки пленки и подложки должны быть подобны, а параметры решеток близки для обеспечения роста монокристаллического слоя. [3]

Методы эпитаксиального выращивания монокристаллических пленок получили широкое распространение в технологии полупроводниковых приборов только тогда, когда научились получать пленки заданного состава, обладающие параметрами, близкими к параметрам объемных кристаллов. Можно сказать, что научно-технический прогресс в области микроминиатюризации интегральных схем в значительной мере обязан внедрению в производство методов эпитаксиальной кристаллизации. Замена объемных кристаллов эпитаксиальными пленками позволила повысить выход годных приборов, сократить длительность операций, снизить их себестоимость.

К основным преимуществам эпитаксиальной технологии можно отнести следующее:

Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых пленок осуществляется, как правило, при температурах более низких, чем температуры получения объемных монокристаллов. При этом упрощается контроль за процессом кристаллизации и обеспечивается лучшая воспроизводимость свойств. Понижение температуры роста сопровождается замедлением диффузии примесей (в том числе и загрязняющих) в процессе получения эпитаксиальных пленок. В итоге улучшаются выходные параметры полупроводниковых материалов.

Эпитаксиальные методы роста позволяют достаточно просто осуществлять легирование монокристаллических пленок непосредственно в процессе их выращивания, обеспечивают однородное распределение легирующих элементов в пленках, дают возможность выращивать резкие p ? n-перехода со скачкообразно меняющейся концентрацией (рисунок 1). [1]

Рисунок 1 - Схемы окрестностей p ? n-перехода в случаях диффузионного (а) и эпитаксиального (б) легирования

При создании p ? n-перехода методом диффузии примесей в кристалл по обе стороны от перехода располагаются довольно широкие области сильно скомпенсированного материала.

Применение эпитаксиальных слоев на подложке предоставляет разработчику приборов возможность изменения профиля легирования в изготовляемой структуре в гораздо более широких пределах, чем это возможно при использовании диффузии или ионной имплантации.

Существенной особенностью эпитаксиального наращивания из газообразной фазы является возможность осаждения чистого материала на сильно легированных подложках. Такая возможность чрезвычайно важна для производства полупроводниковых квантовых генераторов света (лазеров). С другой стороны, для ряда приложений (например, для изготовления транзисторов) необходимы тонкие эпитаксиальные слои полупроводниковых соединений на высокоомных подложках. Эпитаксиальные методы позволяют это довольно просто реализовать.

Использование эпитаксиальных пленок в электронной промышленности позволило существенно улучшить характеристики туннельных и лазерных диодов, разработать технологию получения транзисторов с высоким коэффициентом усиления на высоких частотах, мощных и высоковольтных транзисторов. На применении эпитаксиальных слоев основано производство таких приборов, как планарные полевые транзисторы, выполненные на структуре металл-окисел-полупроводник с изоляцией V-образными канавками (V-МОП). Эпитаксиальные структуры также используются для улучшения характеристик памяти с произвольным доступом и комплементарных интегральных МОП-схем. Новые перспективы в технике открыло применение эпитаксиальных гетероструктур, создание которых другими методами затруднено, в полупроводниковых приборах (например, для изготовления инжекционных лазеров). Кроме того, эпитаксия дает возможность получения многослойных структур со свойствами каждого слоя, практически не зависящими от свойств предыдущего слоя. Это открывает широкие возможности для разработки качественно новых типов электронных приборов.

Следует отметить, что интенсивная разработка технологических методов тонкопленочной эпитаксии, обеспечивающих прецизионное управление процессом роста и контроль качества получаемых структур, позволила совершить качественный скачок в развитии физики полупроводников. История развития физики полупроводников такова, что если основными объектами исследования лет 30 назад были монокристаллы, а лет 15 назад - эпитаксиальные пленки, то сейчас - это многослойные гетероструктуры, сверхрешетки, структуры с квантовыми нитями и точками.

Действительно, в ходе исследования свойств очень тонких пленок был обнаружен ряд новых интересных физических эффектов, которые открыли возможность создания принципиально нового класса полупроводниковых приборов - приборов, разработанных на основе свойств структур с квантовыми ямами. Не удивительно, что в настоящее время структуры с квантовыми ямами, нитями, точками являются одними из наиболее интенсивно исследуемых объектов в физике полупроводников, а характеристика стран как «технологических держав» в значительной мере определяется именно уровнем развития технологии получения таких структур. [4]



2. Основные закономерности роста эпитаксиальных пленок при выращивании из газообразной среды

В литературе принято разделять газообразные фазы на паровые и газовые. Паровой фазой называют газообразную фазу, состав которой совпадает с составом выращиваемого из нее нелегированного вещества или соединения. Газовой называют газообразную фазу, состав которой отличается от состава выращиваемого из нее нелегированного вещества или соединения.

Эпитаксиальное наращивание может осуществляться по схеме пар (газ) -кристалл [п(г)-к], а также по схеме пар (газ) - жидкость - кристалл [п(г)-ж-к]. В обоих схемах перенос вещества к месту конденсации происходит через газообразную фазу, поэтому скорость роста эпитаксиальных пленок оказывается невысокой.

Движущей силой процесса конденсации из газообразных фаз, как и любого фазового перехода, является разность термодинамических потенциалов газообразной и твердой фаз, причем величина ДG определяется ДP, где ДP - абсолютное пересыщение газообразной фазы, равное разности между фактическим давлением газообразной фазы и равновесным давлением пара при данной температуре. Величина пересыщения определяет скорость роста кристаллической пленки. [2]

При росте по схеме п(г)-к процесс осаждения атомов на подложку с образованием и ростом монокристаллических зародышей можно представить следующим образом. При соударении атома с поверхностью подложки он либо адсорбируется на ней, либо возвращается обратно в газообразную фазу. Процесс адсорбции характеризуется коэффициентом термической аккомодации бT , который определяется как:

где T1 и E1 - температура и энергия поступающих на поверхность атомов, Ta и Ea - температура и энергия атомов адсорбированного слоя, Tп и Eп - температура и энергия атомов на поверхности подложки. Очевидно, что Ta зависит от температуры подложки и от температуры падающих частиц, то есть Ta = f(T1,Tп).

Установлено, что, как правило, влияние температуры пучка на температуру адсорбированного слоя мало. В этом случае процессы, происходящие на подложке, в значительной степени определяются величиной Tп. Если Ta = Tп, то бT = 1, что соответствует «прилипанию» атомов к подложке - полной аккомодации. При этом обычно происходит неориентированный рост пленки. Если Ta > Tп, то бT < 1, а на поверхности подложки происходит миграция атомов, которая может закончиться либо их десорбцией, либо их встраиванием в растущий зародыш. Следует отметить, что миграция (поверхностная диффузия) крайне необходима для получения монокристаллических пленок. Поверхностная диффузия приводит к тому, что атом «находит» свое равновесное положение и в результате на подложке образуются макроскопические ориентированные зародыши кристалла.

После достижения равновесия в адсорбированном слое (равновесие между адсорбированными частицами и зародышами) начинается образование стабильных зародышей конденсируемой фазы (центров новой фазы). Рост и срастание центров новой фазы приводит к образованию эпитаксиальных слоев. Образование первых стабильных зародышей требует больших пересыщений, чем их последующий рост. [2]

Таким образом, адсорбированный на поверхности подложки атом может участвовать в одном из трех процессов:

1) десорбции с поверхности (обычно при больших Tп);

2) образовании вместе с другими атомами стабильного зародыша;

3) присоединении к уже существующему зародышу.

Для полного описания процесса зародышеобразования необходимо знать следующие основные характеристики:

размер критического зародыша;

скорость образования центров новой фазы и концентрацию критических зародышей с учетом возможного их изменения со временем;

3) структуру и ориентацию критических зародышей. Все эти величины тесно связаны с условиями роста - степенью пересыщения газообразной фазы, температурой конденсации, скоростью конденсации, скоростью поверхностной диффузии, структурой и чистотой поверхности подложки и т. д.

Температура конденсации Tk также оказывает значительное влияние на критические размеры и ориентацию зародышей. Так, при больших пересыщениях и низких Tk преобладает неориентированный рост. С повышением Tk при некоторой определенной температуре T происходит изменение числа атомов в критическом зародыше (по крайней мере от 1 до 2), и тогда уже должен наблюдаться ориентированный рост. Таким образом, при низких Tk велика вероятность образования стабильных критических зародышей, но отсутствует ориентация. При повышении Tk скорость зародышеобразования падает, но начинает преобладать ориентированный рост (рисунок 2).

При больших пересыщениях и невысоких температурах конденсации, когда вероятность десорбции мала, скорость конденсации приблизительно равна интенсивности потока пара. Поэтому можно установить связь между температурой начала ориентированного роста или температурой смены ориентации скоростью конденсации. [2]

Рисунок 2 - Зависимость скорости образования зародышей от температуры конденсации

Реальные температуры источника и подложки при выращивании ориентированных монокристаллических пленок выбираются с учетом оптимизации всех параметров. Большое внимание при эпитаксиальном росте пленок должно уделяться присутствию в системе загрязняющих газов. При наличии инородного газа, адсорбированного на поверхности подложки или растущей пленки, эпитаксия возможна лишь при условии, что скорость адсорбции инородного газа не превышает скорости присоединения атомов к ориентированному зародышу.

При росте пленок по механизму п(г)-ж-к на границе раздела фаз подложка - пленка возможны следующие ситуации:

1) На фронте кристаллизации образуется сплошной слой жидкой фазы значительной толщины. Процессы роста эпитаксиальной пленки в этом случае подобны процессам роста кристаллов из расплавов (растворов).

2) На фронте кристаллизации образуется сплошная тонкая пленка жидкой фазы толщиной l, причем l находится в пределах от lmin до lmax. При l < lmin пленка существует в виде отдельных островков; при l > lmax сплошность пленки нарушается и на поверхности подложки образуются капли жидкой фазы.

Процессы роста эпитаксиальной пленки из капель аналогичны; различие заключается лишь в том, что фронт кристаллизации не сплошной. При кристаллизации тонкой пленки жидкой фазы (в том числе и тонкопленочных островков) процессы роста могут отличаться от процессов роста кристаллов из капель жидкой фазы в связи с тем, что строение пленки жидкой фазы и жидкой макрофазы (жидкости того же состава) может быть различным.



3. Причины образования структурных дефектов

В любом технологическом процессе могут существовать свои недостатки и сложности его реализации. Одним из существенных недостатков при эпитаксиальном росте пленок является образование структурных дефектов в кристаллической решетке. Далее будут рассмотрены виды дефектов и основные причины их формирования.

Одной из важнейших практических задач при выращивании эпитаксиальных монокристаллических пленок является выяснение причин образования дефектов. Большая часть исследований посвящена изучению различных стадий роста эпитаксиальных пленок с целью нахождения способов, позволяющих снизить число дефектов в них. Исследование структуры пленок в процессе их роста позволило определить основные источники дефектов в пленках. К ним относятся следующие.

1. Дефекты подложки. Пленка может наследовать дислокации подложки.

2. Дислокации несоответствия.

3. Малоугловые границы, образующиеся при срастании стабильных крупных зародышей, имеющих различную ориентацию.

4. Дефекты упаковки, возникающие при коалесценции зародышей. Причина их возникновения - несоответствие решеток зародышей, связанное с нарушением порядка чередования атомных плоскостей при слиянии стабильных зародышей по сравнению с ненарушенным монокристаллом. Дефекты упаковки могут возникать и в месте контакта зародыша и подложки.

5. Дислокации, возникающие из-за эффектов пластической деформации растущей пленки. После коалесценции зародышей и образования сплошной пленки механизм возникновения дислокаций несоответствия перестает действовать. Вместе с тем с ростом толщины пленки в связи с уменьшением доли несоответствия, компенсируемой за счет упругой деформации, напряжение, при котором начинается пластическая деформация, уменьшается, что ведет к возрастанию плотности дислокаций.

6. В случае сильно легированных подложек дефекты в эпитаксиальных слоях могут вызываться выделениями и предвыделениями второй фазы в подложке.

7. Загрязнения поверхности подложки также могут приводить к образованию дефектов в эпитаксиальном слое. [5]



4. Методы эпитаксии

4.1 Жидкостная эпитаксия

Основным преимуществом метода жидкостной эпитаксии является то, что рост эпитаксиальной пленки происходит при температурах более низких, чем температура плавления исходного вещества.

эпитаксия пленка дефект

Рисунок 3 - Диаграмма состояния системы Ge-In

Разберем подробнее этот метод выращивания эпитаксиальных пленок на примере системы Ge-In. Для этого рассмотрим диаграмму состояния системы Ge-In со стороны In. Температура плавления индия значительно ниже, чем у Ge (рисунок 3), поэтому он и используется в качестве растворителя. Из диаграммы следует, что, меняя процентное содержание индия в сплаве Ge-In в соответствии с линией ликвидуса, можно менять температуру кристаллизации сплава. При охлаждении жидкой фазы вдоль линии 1 при температуре 400?C (точка пересечения с линией ликвидуса) раствор переходит в пересыщенное состояние и из него начинает выделяться твердая фаза, состав которой, согласно фазовой диаграмме, будет соответствовать чистому Ge, а состав жидкой фазы будет определяться по точке пересечения коноды с линией ликвидуса, то есть будет содержать 92% In и 8% Ge. По мере дальнейшего охлаждения составы твердой и жидкой фаз будут изменяться по линиям солидуса и ликвидуса (при равновесном охлаждении) соответственно, а их количество будет определяться правилом рычага.

Практически метод жидкостной эпитаксии реализуется следующим образом (рисунок 4). Подложка Ge n-типа с ориентацией <111> закрепляется в верхней части наклонного графитового тигля, в нижней части которого находится раствор Ge в In. После достижения температуры 520?C нагрев тигля прекращается (раствор находится в перегретом состоянии) и его наклоняют так, чтобы раствор покрыл подложку. Далее начинается медленное охлаждение тигля, в процессе которого подложка Ge успевает частично раствориться (?8 мкм) до установления равновесной концентрации Ge в растворе; при этом ликвидируются поверхностные нарушения подложки. Затем при фиксированной температуре происходит эпитаксиальное наращивание Ge на подложке с образованием пленки толщиной ?25 мкм. После осаждения при температуре 350?C тигель возвращают в исходное положение, извлекают из печи и остаток In удаляют с поверхности кристалла.



Рисунок 4 - Схема установки для выращивания эпитаксиальных пленок Ge методом жидкостной эпитаксии: 1 - герметичная камера; 2 - нагреватель; 3 - тигель, 4 - расплав, 5 - растворяемое вещество, 6 - держатель, 7 - подложка

При необходимости легирования примесь добавляют в раствор с учетом ее коэффициента разделения в условиях роста пленки. В качестве подложки для Ge оптимальными материалами служат сам Ge и GaAs, находящийся с ним в одном изоэлектронном ряду и имеющий очень близкий параметр кристаллической решетки.

Широкое распространение для выращивания пленок посредством жидкостной эпитаксии получил метод движущегося растворителя. Для выращивания эпитаксиальных пленок, например, GaAs (система Ga-As, Ga - растворитель) используются следующие ростовые условия: температура тигля ?900?C, а градиент температуры вдоль оси растущей пленки ДT ? 1.5-2 град/мм.

Метод жидкостной эпитаксии (выращивание из раствора) может использоваться и для получения сверхрешеточных структур. [6] Рост слоя достигается охлаждением жидкой фазы, контактирующей с подложкой, ниже температуры насыщения. Сам эпитаксиальный процесс состоит из ряда ростовых операций, в каждой из которых используются различные растворы, состав которых подбирается с целью обеспечить рост требуемых слоев в сверхрешетке. Операции роста чередуются с операциями переноса подложки между различными жидкими фазами, используемыми для выращивания сверхрешетки.

4.2 Эпитаксия из газообразной фазы

Процессы, происходящие при выращивании эпитаксиальных пленок методом газовой эпитаксии с помощью химических реакций, по существу, уже обсуждались при описании выращивания монокристаллов из газовой фазы. Рассматривались два основных способа выращивания эпитаксиальных пленок из газовой фазы с помощью химических реакций: 1) метод диссоциации и восстановления газообразных химических соединений и 2) метод газотранспортных реакций.

Первый способ отличается от второго тем, что в нем источником материала для роста эпитаксиальной пленки служат легколетучие химические соединения, которые подвергаются термической диссоциации или восстановлению соответствующим газообразным восстановителем на поверхности подложки, то есть для роста эпитаксиальной пленки используются химические реакции, происходящие только на поверхности подложки. При этом поверхность подложки играет роль катализатора. Каталитическая активность подложки зависит от строения поверхности (кристаллографии) и наличия активных центров на ней. Выбираются такие химические реакции, продукты которых, за исключением кристаллизующегося вещества, являются газами и легко удаляются из зоны реакции. Для достижения стационарного процесса роста образующиеся в результате химических реакций газы необходимо непрерывно удалять, для чего всегда целесообразно использовать проточные системы.

Во втором методе в основе выращивания пленок из газовой фазы лежат обратимые химические реакции, то есть используется возможность изменения направления реакции в зависимости от температуры. В зоне источника химические реакции идут с образованием летучих химических соединений, содержащих кристаллизуемое вещество. Затем летучие соединения за счет конвекции переносятся в зону конденсации, где происходит обратная химическая реакция с выделением кристаллизуемого вещества. В этом методе принципиальна обратимость химических реакций в отличие от первого.

Скорость роста эпитаксиального слоя определяется выходом химических реакций и поэтому зависит от концентрации взаимодействующих компонентов в газовой смеси, давления в системе, скорости прохождения газовой смеси над подложкой, каталитической активности и температуры подложки. Эти параметры можно регулировать в процессе эпитаксиального наращивания. Для каждого материала или группы схожих материалов подбираются такой тип реакций и такие условия конденсации, которые обеспечили бы наилучшие структурные и электрические параметры выращиваемых эпитаксиальных пленок. Рассмотрим примеры выращивания эпитаксиальных пленок этими способами.

4.3 Молекулярно-лучевая эпитаксия

МЛЭ или MBE представляет собой процесс эпитаксиального роста слоев различных соединений, происходящий за счет реакций между термически создаваемыми молекулярными или атомными пучками соответствующих компонентов на поверхности подложки, находящейся в сверхвысоком вакууме при повышенной температуре. В основе этой технологии лежит возможность роста эпитаксиальных пленок, по существу, в динамическом режиме в отличие от более традиционных методов, где рост идет в условиях, близких к термодинамическому равновесию. МЛЭ характеризуется:

относительно низкой температурой роста (на 100-200?C меньше, чем при жидкофазовой и газотранспортной эпитаксии);

Рассмотрим более подробно этот метод получения сверхрешеточных структур на примере выращивания сверхрешеток на основе GaAs. В работе [7] впервые было показано, что разложение газовой смеси металлорганического соединения триметилгаллия (CH3)3Ga и гидрида мышьяка (арсина) AsH3, проводимое при температуре 600-700?C в атмосфере H2, можно использовать для выращивания тонких эпитаксиальных пленок GaAs в открытом (проточном) реакторе. Следует отметить, что MOCVD хорошо подходит для массового производства приборов с субмикронными слоями и имеет ряд преимуществ перед другими технологиями. [8,9]

Эпитаксия в процессе MOCVD осуществляется при пропускании однородной газовой смеси реагентов с газами-носителями над нагретой подложкой в реакторе с холодными стенками. Энергия для нагревания газовой смеси обычно создается мощным радиочастотным генератором с частотой порядка 450 кГц. Этот же генератор нагревает и графитовый держатель, на котором размещена монокристаллическая подложка. При этом газовая смесь вблизи поверхности подложки нагревается до высоких температур, а стенки реакционной камеры остаются относительно холодными, что приводит к осаждению полупроводниковой пленки на поверхности подложки (реакция идет при повышенных температурах) при малых потерях реагирующих веществ на поверхности реактора. Тщательно контролировать необходимо только температуру подложки, причем небольшие ее изменения не играют роли, поскольку большинство свойств пленок, полученных MOCVD, малочувствительны к таким изменениям температуры.

Парциальными давлениями различных газовых компонентов можно управлять с помощью электроники, контролирующей скорость потока от каждого из источников. Это позволяет с высокой точностью управлять всеми параметрами роста, обеспечивая надежную воспроизводимость результатов.

Металлорганические соединения, используемые для получения полупроводниковых пленок при комнатной температуре, как правило, являются жидкостями, обладают высоким давлением паров и могут быть легко доставлены в зону реакции путем пропускания газа-носителя, например H2, через жидкости, которые играют роль источников. Кроме того, используемые для роста полупроводниковых пленок гидриды при комнатной температуре являются газами и обычно берутся в качестве добавок к H2. Эти металлорганические и гидридные компоненты смешиваются в газовой фазе и пиролизуются (при 600-800?C, как правило) в потоке водорода в открытом реакторе при атмосферном или несколько зоны, в которых происходят различные физические явления. Первая - зона создания молекулярных пучков. Вторая - зона пересечения пучков от различных источников, где смешиваются испаряемые вещества, образуя паровую фазу, вступающую в контакт с подложкой, на которой происходит кристаллизация. Поверхность подложки, где происходят основные реакции между компонентами, является третьей зоной в системе МЛЭ.

Эффузионные ячейки, используемые в системах МЛЭ, обычно представляют собой либо цилиндрические, либо конические тигли с характерным диаметром 1-2 см, длиной 5-10 см, диаметром эффузионного отверстия 5-8 мм и его толщиной ?0.5 мм. Для изготовления тиглей используется пиролитический графит высокой чистоты или пиролитический нитрид бора BN. Тигель помещается внутрь нагревателя из окиси алюминия. В стандартных конструкциях эффузионных ячеек (рисунок 5) проволочная спираль танталового нагревателя фиксируется двумя концентрическими цилиндрами из Al2O3. Внутренний цилиндр особой формы содержит тигель, а внешний цилиндр окружается несколькими слоями тонкой гофрированной танталовой фольги для эффективной теплоизоляции отдельных ячеек. К тиглю подведена термопара, обеспечивающая контроль за температурой в эффузионной ячейке. Каждая эффузионная ячейка монтируется на молибденовом держателе, обеспечивающем возможность точной юстировки и быстрого демонтажа. Вся ячейка имеет общую водяную рубашку, эффективно теплоизолирующую ее от окружающей среды.

Рисунок 5 - Схематическое изображение эффузионной ячейки, используемой в современной системе МЛЭ: 1 - конический тигель из пиролитического BN, графита или стеклоуглерода, 2 - нагревательное устройство, 3 - радиационные экраны, 4 - термопара, 5 - оболочка нагревателя, 6 - водяное охлаждение,

7 - трубка из фольги, 8 - выводы термопары, 9 - силовой ввод

Первый теоретический анализ распределения потоков в молекулярном пучке принадлежит Кнудсену, который изучал эффузию из малого отверстия в эффузионной ячейке, содержащей идеальный газ. Идеальная кнудсеновская ячейка содержит пар, находящийся в равновесии с испаряемым веществом, и имеет эффективную апертуру в виде малого отверстия (отверстие не имеет стенок). По одну сторону отверстия находится газ под давлением p1, по другую сторону давление газа равно p2, причем p1 p2. Линейные размеры отверстия не превосходят длин свободного пробега при обоих указанных давлениях. Газовые резервуары вне (p2) и внутри (p1) ячейки столь велики, что молекулы сталкиваются друг с другом значительно чаще, чем со стенками. Если справедливы следующие предположения: 1) молекулы имеют одинаковые точечные массы, 2) силы взаимодействия между молекулами отсутствуют, 3) распределение молекул по скоростям является максвелловским, 4) газ является изотропным

Результаты, полученные Кнудсеном, полезны и при использовании эффузионных ячеек с отверстиями большого диаметра. При этом необходимо рассматривать большое отверстие как комбинацию малых точечных отверстий, а создаваемые ими потоки складывать. Однако при значительной толщине отверстия оно начинает оказывать коллимирующее воздействие на молекулярный пучок, что вызывает дополнительные осложнения.

В реальных системах МЛЭ редко используются идеальные кнудсеновские ячейки, так как необходимо проводить эпитаксиальный рост на большой площади. Реальные эффузионные ячейки имеют значительно большую апертуру, чем необходимо для равновесной ячейки.

Однородность толщины пленок, выращенных методом МЛЭ, зависит от однородности молекулярного пучка по площади подложки. Однородность молекулярного пучка определяется взаимным расположением ячеек и подложек и соосностью их расположения. Задача подбора оптимальной геометрии системы является достаточно сложной задачей, подходы к решению которой освещены в специальной литературе. [10,11]

Основные этапы эпитаксиального роста полупроводниковых соединений, в том числе и для метода МЛЭ:

1) подвод питающего вещества к поверхности роста;

2) адсорбция составляющих вещество атомов и молекул на поверхности подложки;

3) миграция атомов и молекул по поверхности подложки, реиспарение;

4) встраивание составляющих вещество атомов и молекул в кристаллическую решетку, образование стабильных зародышей;

5) коалесценция зародышей.

Образование пленки на твердой подложке неразрывно связано с фазовым превращением, характерным для выбранного метода роста. В методе МЛЭ это фазовое превращение представляет собой переход из сильно неравновесной паровой фазы в тонкопленочную твердую фазу.

Анализ процессов, происходящих на поверхности роста, показал, что способность атомов двигаться по поверхности, их среднее время пребывания там, поток атомов и молекул на растущую поверхность пленки являются кинетическими параметрами, оказывающими решающее влияние на процессы роста при МЛЭ.

Для исследования особенностей роста в технологии МЛЭ используют соответствующие методы анализа. К этим методам относятся дифракция быстрых электронов, Оже-электронная спектроскопия (AES), масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS) и другие современные методы исследования. В настоящее время большинство исследовательских и значительная часть технологических установок МЛЭ содержат встроенное перечисленное выше аналитическое оборудование, позволяющее проводить анализ процессов роста непосредственно в ходе выращивания эпитаксиальных пленок.

Дифракция быстрых электронов применяется для исследования поверхностной структуры, микроструктуры и степени гладкости выращиваемых пленок. Она используется также для контроля за изменением структуры верхних атомных слоев в ходе эпитаксиального роста пленок при различных параметрах роста и для наблюдения топографии поверхности.

Метод электронной Оже-спектроскопии используется для изучения химического состава поверхности подложки и определения химического состава растущего слоя.

Масс-спектрометрия вторичных ионов служит мощным методом определения химического состава поверхностных слоев твердого тела. Ее преимуществами перед Оже-спектроскопией является высокая абсолютная чувствительность по многим элементам, хорошая элементная избирательность и высокое разрешение по массам. Этот метод можно использовать для анализа объемного материала и исследования профиля поверхности, для определения остаточных газов в ростовой камере, анализа состава материалов источников и для изучения десорбционных явлений на поверхности эпитаксиального слоя.

Данные по поверхностной кинетике роста и легирования могут быть получены с помощью методики модулированного молекулярного пучка. [12,13] В этой методике изменение падающего молекулярного пучка приводит к изменению во времени концентрации адсорбированных молекул на поверхности подложки и благодаря этому - к изменению скорости десорбции, что может быть измерено с помощью масс-спектрометрии. С другой стороны, модулируя поток десорбции, можно непосредственно определить, какие атомы и молекулы уходят с поверхности, выделив их на фоне остаточных газов. Дополнительное использование методов электронной Оже-спектроскопии и дифракции электронов позволяет получать дополнительные сведения о поверхности подложки на любой стадии процесса, а в совокупности с программированной термодесорбцией дает также дополнительную информацию о стехиометрии поверхности.

Разновидностью метода МЛЭ является лазерная МЛЭ, в которой ис- парение исходных компонентов осуществляется с помощью импульсного излучения мощного лазера. [14, 15] Этот метод был применен для выращивания сверхрешеток HgTe-CdTe. Пучок атомов ртути создается испарителем эффузионного типа. Поликристаллические образцы CdTe и Te помещаются в танталовые лодочки, установленные на поворотной площадке, и поочередно подвергают воздействию сфокусированного лазерного луча. Особенности процесса лазерной МЛЭ, в первую очередь, связаны с более высокой температурой источников. В случае лазерной МЛЭ CdTe испарялся в виде атомов кадмия и теллура в отличие от обычной МЛЭ, при которой испарение происходило в виде атомов кадмия и молекул теллура. Таким образом, состав паровой фазы оказывался различным, что сказывалось на характере процесса эпитаксии, а именно ориентация подложки в случае лазерной МЛЭ оказывала существенно меньшее влияние на рост эпитаксиальной пленки, чем в случае обычной МЛЭ.



Заключение

Эпитаксия - достаточно сложный технологический процесс, который имеет два основных вида: гомо- и гетероэпитаксию. Далее классифицировать сам процесс можно по нескольким категориям, основной же считается, классификация по фазовому состоянию, в котором происходит рост. Процессы эпитаксиального роста имеют ряд преимуществ перед другими процессами, в частности: рост осуществляется при более низких температурах, упрощенная возможность легирования монокристаллических пленок в процессе их выращивания, возможность изменения профиля в легируемой структуре.

Эпитаксиальное наращивание в газовой среде, как основной, может осуществляться по механизму пар-кристалл, а также пар-жидкость-кристалл. Из-за переноса вещества в газовой фазе скорость роста пленок оказывается невысокой. Рост пленки происходит по механизму зародышееобразования, и атом в адсорбированном слое может принимать три состояния: десорбции с поверхностью, образовывать стабильный зародыш и присоединяться к уже существующему зародышу.

Дефекты оказывают значительное влияние на структуру получаемых пленок, были рассмотрены основные виды дефектов и причины их формирования.

Так же были рассмотрены основные виды процессов эпитаксии, среди которых: жидкостная эпитаксия; эпитаксия из газообразной фазы и молекулярно-лучевая эпитаксия. Каждый метод призван решать поставленные исследователями цели и задачи, а потому, достаточно сложно утверждать об однозначных преимуществах и недостатках перечисленных методов перед другими.



Список использованных литературных источников

Кардона, М. Основы физики полупроводников / М. Кардона, Ю. Питер. - М. : Физматлит, 2002. - 560 с.

Тенденции развития эпитаксиальной технологии нитридных соединений / А.А, Арендаренко [и др.] // Материалы электронной техники. - 2015. - Т. 18, № 1. - С. 5-15 4.

Ландау, Л.Д. Теоретическая физика, Статистическая физика, Том 5, Часть 1 / Л.Д. Ландау, Е.М, Лифшиц. - М. : Физматлит, 2002. - 616 с.

Милнс, А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках / А. Милнс. - М. : Мир, 1977. - 562 с.

Родин, Т.Р. Монокристаллические пленки / Т.Р. Родин, Д. Уолтон. - М. : Мир, 1966. - 400 с.

Уфимцев, В.Б. Физико-химические основы жидкофазной эпитаксии / В.Б. Уфимцев, Р.Х. Акчурин. - М. : Металлургия, 1983. - 222 с.

Manasevit, H.M. Single-crystal gallium arsenide on insulating substrates / H.M. Manasevit, E. Veyhoff // Applyed Physic Letters. - 1968. - Т. 156, № 12. - С. 156-159

Balk, P. Deposition of III-V compounds by MO-CVD and in halogen transport systems -- A critical comparison / P. Balk, E. Veyhoff // Journal of Crystal Growth. - 1981. - Т. 1, № 55. - С. 35-41

Dapkus, P.D. A critical comparison of MOCVD and MBE for heterojunction devices / P.D. Dapkus, B.A. Joyce // Journal of Crystal Growth. - 1984. - Т. 1, № 64. - С. 345-355

Херман, М. Полупроводниковые сверхрешетки / М. Херман, Д. Уолтон. - М. : Мир, 1989. - 240 с.

Herman, M.A. Physical problems concerning effusion processes of semiconductors in molecular beam epitaxy / M.A. Herman, B.A. Joyce // Vacuum. - 1982. - Т. 9, № 32. - С. 555-565

Foxon, C.T. Interaction kinetics of As2 and Ga on {100} GaAs surfaces / C.T. Foxon, B.A. Joyce // Surface Science. - 1977. - Т. 1, № 64. - С. 293-304

Kurz, E.A. Improvements to the molecular beam Fourier analysis technique / E.A. Kurz, J.B. Hudson // Applications of Surface Science. - 1984. - . - Т. 4, № 17. - С. 485-496

HgTe?CdTe superlattices grown on GaAs?(100) oriented substrates by molecular beam epitaxy / J.M. Ballingall [и др.] // Applied Physics Letter. - 1986. - Т. 871, № 49. - С. 41-49

Boero, F.J. Far-infrared and high-field magnetotransport studies on a new superlattice: HgTe/CdTe / F.J. Boero, N.P. Ong, J.T. Cheung // Solid State Community. - 1985. - Т. 1, № 54. - С. 35-39

Размещено на Allbest.ru

...