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 (60 мм.рт.ст), 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 , 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.