Физика/2. Физика твердого тела
Д. ф.-м. н. Болдыревский
П.Б., к. ф.-м. н. Коровин А.Г.
Нижегородский
государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Россия
Влияние газодинамических факторов на
кинетику роста полупроводниковых слоев в процессе МОС - гидридной эпитаксии.
Эпитаксия
из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений (МОС) и
гидридов (МОС – гидридная эпитаксия (МГЭ/MOCVD), наряду с
молекулярно-лучевой эпитаксией в сверхвысоком вакууме (МЛЭ/MBE),
является основным методом создания полупроводниковых нано-гетероструктур –
перспективных материалов электронной техники [1-3]. К основным техническим
преимуществам этого метода по сравнению с другими системами эпитаксиального
наращивания из газовой фазы следует отнести возможность финишной обработки
подложек (отжиг) в контролируемой атмосфере (обычно - водород и летучий
компонент); отсутствие травящих монокристаллическую поверхность реагентов;
раздельное и точное регулирование всех компонентов газовой смеси; относительно
низкий уровень автолегирования; широкие возможности получения полупроводниковых
твердых растворов заданного состава на уровне наноразмерных гетероструктур и
контролируемого легирования в процессе эпитаксии с использованием
соответствующих металлоорганических соединений и гидридов. Все указанные задачи
и технологические преимущества могут быть реализованы только в том случае,
если исходные вещества, используемые в
процессе роста и легирования полупроводниковых структур, включая газ-носитель
водород, обладают достаточно высокой степенью чистоты.
Обычно,
для МГЭ используются два типа реакционных камер: горизонтальный реактор с
подложкодержателем в виде плоской пластины, расположенной вдоль потока газовой
смеси и вертикальный реактор с подложкодержателем в виде вращающегося диска,
поверхность которого перпендикулярна поступающему потоку. Последнее более
предпочтительно для промышленных технологических установок с высокой
производительностью.
Нами
рассмотрено влияние газодинамических факторов на кинетику и механизм роста
монокристаллических слоев в процессе МГЭ при пониженном давлении (low-pressure)
в газовой фазе. В целом, в условиях эпитаксии при пониженном давлении (, соответственно
снижаются инерционность газообмена и переходных процессов в реакционной камере,
что повышает однородность распределения толщин эпитаксиальных слоев по площади
полупроводниковых структур и позволяет формировать резкие гетеропереходы.
Установлено [4, 5], что в достаточно широком диапазоне параметров процесса
эпитаксии рост полупроводниковых слоев лимитируется диффузионным
массопереносом. При этом скорость эпитаксиального роста w определяется
диффузионным потоком осаждаемого вещества к поверхности подложки в соответствии
с выражением:
(1)
где j- поток частиц вещества к
подложке; D - коэффициент диффузии; - концентрация
осаждаемого вещества в ядре потока вдали от подложки; - поверхностная
концентрация; δ- толщина
диффузионного слоя.
Учитывая
только конвективную диффузию, т.е. пренебрегая вкладом естественной конвекции и
термодиффузии в формирование диффузионного слоя, в условиях ламинарности газового
потока можно считать , где - толщина
пограничного газодинамического слоя.
Тогда,
без учета краевых эффектов для пластины – подложкодержателя имеем:
(2)
где x- координата,
отсчитываемая от края пластины, обращенного к потоку; -
линейная скорость потока; ν- кинематическая
вязкость газа.
Если,
для вращающегося диска, линейная скорость газового потока связана с частотой
вращения ω соотношением [6]:
( 3)
то
поверхность диска равнодоступна для диффузии и
определяется выражением:
(4)
Таким
образом, для сохранения ламинарности
потока, наряду с числами Рейнольдса, Грасгофа и Рэлея, необходимо учитывать
условие (3) при выборе параметров процесса эпитаксии и конструкционных
характеристик реакционной камеры.
В
условиях эксперимента, эпитаксиальный рост арсенида галлия без ухудшения
кристаллической структуры и морфологии поверхности, при атмосферном давлении
наблюдался в интервале частот вращения 10-90 об/мин. При пониженном давлении и
неизменной концентрации МОС на входе в зону роста линейная скорость газового
потока увеличивается на порядок, что
позволяет соответственно увеличить частоту
вращения диска - подложкодержателя до 900-1000 об/мин без срыва потока у
поверхности диска в турбулентность. Увеличение частоты вращения диска приводит
к уменьшению толщины диффузионного слоя, в результате чего происходит
соответствующее увеличение скорости роста. Зависимость, показывающая увеличение
скорости роста с повышением частоты вращения диска-подложкодержателя в
диапазоне частот 100 – 1000 об/мин наблюдалась также авторами [7]. При частоте
вращения более 500 об/мин происходит
переход из диффузионного режима роста в кинетический, где лимитируют
поверхностные процессы упорядочивания и
встраивания частиц ростового вещества. В этом случае наблюдалось
ухудшение морфологии поверхности, которое, прежде всего, было связано с
появлением дефектов в виде пирамид роста. Для близких к оптимальным параметрам
процесса в диффузионном режиме (температура осаждения 600-700 0С) скорость эпитаксиального роста слоев
арсенида галлия определяется концентрацией МОС (триметилгаллий) на входе в зону роста и практически не
зависит от давления в реакционной камере. Расчетные значения скоростей роста,
полученные с использованием выражений (2) и (4), достаточно хорошо согласуются
с экспериментальными данными при условии =0, что соответствует
полному равновесному выходу арсенида галлия в твердую фазу. В расчетах, при
переходе от теоретических характеристик к экспериментально измеряемым величинам
учитывались конструкционные пара метры реакционной камеры; диаметр используемых
подложек арсенида галлия d=50 мм.; среднее значение
коэффициента диффузии принималось равным D=0,16 [4].
Литература:
1. Manasevit H.M., Simpson W.I.// J.
Electrochem. Soc.
– 1969- V. 116. – P.1725-1729.
2.
Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / Под ред. Л.Ченга, К. Плога.
М.: «Мир», 1989. 580 с.
3.
Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Копьев П.С. и др. // Нано – и
микросистемная техника. 2003. № 8. С. 3-15.
4.
Фролов И.А., Болдыревский П.Б., Друзь Б.Л., Соколов Е.Б.// Известия АН СССР.
Неорганические материалы. 1977. Том 13. №5. С.773-776.
5.
Болдыревский П.Б., Хрыкин О.И.// Известия АН СССР. Неорганические материалы.
1990. №10. С.2215-2217.
6. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика.
–М.: «Наука», 1962.- 450С.
7. P. Zhang, H. Wei, G. Cong et ai. Thin
Solid Films // - 2008. №516. C.525-528.