5.3.2 Жидкофазная эпитаксия

При жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) исходные вещества (твердые растворы или соединения) растворяют в специально подобранном легкоплавком и химически инертном к исходным веществам расплаве (галлии, индии и т. п.). Такой расплав приводят в контакт с подложкой. После установления теплового равновесия между компонентами системы начинают охлаждение расплава по определенному закону, обеспечивающему кристаллизацию эпитаксиального слоя на подложке. Легирующие примеси вводят при составлении исходного расплава или из газовой фазы. По окончании осаждения эпитаксиального слоя избыточный расплав механически удаляют с подложки, после чего подложку выводят из реактора и охлаждают до комнатной температуры.

П одробнее процесс ЖФЭ рассмотрим на примере арсенида галлия [10]. На рис. 5.7 показана фазовая диаграмма системы Ga – As. Начало охлаждения соответствует точке a на рис. 5.7. Охлаждение идет до точки b, при этом в растворе - расплаве сосуществуют две фазы и происходит осаждение GaAs вплоть до точки с фазовой диаграммы, где оно прекращается.

Рисунок 5.7 - Фазовая диаграмма системы Ga – As

Для реализации метода ЖФЭ широко используют кассеты слайдерного (сдвигового) типа (см. рис. 5.8). В начале процесса галлий помещают в слайдерную кассету. Затем, чтобы удалить примеси, его отжигают при температуре 1000 °С в течение 4 - 10 ч. Для насыщения галлия мышьяком к его раствору добавляют поликристаллический GaAs. С помощью последующего отжига при температуре около 800 °С в течение 40 ч удаляют летучие примеси, такие, как кислород и сера. После обезгаживания загружается подложка и вводятся необходимые примеси. Следующий этап состоит в нагревании системы в течение 2 - 3 ч до температуры, примерно на 15 °С превышающей температуру роста, с последующим охлаждением до температуры роста (700 - 800 °С). Подложка располагается в графитовом держателе и может скользить под расплавом. Это позволяет получать наиболее однородные пленки и наилучшим образом удалять остатки расплава.

Рисунок 5.8 – ЖФЭ с использованием слайдерной кассеты:

1-4 – растворы-расплавы; 5 – подвижный графитовый держатель растворов-расплавов; 6 – выдвижной стержень; 7 – термопара; 8 – графитовый держатель подложек; 9 – кварцевая труба

Рассмотренный метод ЖФЭ может быть усовершенствован за счет ограничения объема расплава. Для этого на расплав сверху помещают пластину из GaAs. Эта пластина располагается параллельно подложке и отделяется от нее слоем расплава толщиной несколько миллиметров. В такой ситуации, когда тонкий слой расплава находится между пластинами GaAs, улучшается однородность насыщения, температурная однородность расплава и подавляется конвекция, что приводит к улучшению однородности растущей пленки по составу и толщине.

Скорость роста ограничивается диффузией мышьяка сквозь жидкую фазу; коэффициент диффузии равен D ≈ 5·10^-5 см²/с. Толщина расплава, которая может находиться в равновесии с подложкой, составляет приблизительно:

где t - время.

Скорость роста W может быть найдена из термодинамических соображении:

где R - скорость охлаждения, °С/с; C_S - количество атомов As в единице объема твердого вещества; - наклон линии ликвидуса, выраженный в градусах Цельсия, отнесенных к количеству атомов As в единице объема. Таким образом, толщина слоя пропорциональна t^3/2, что соответствует экспериментальным данным.

В системах ЖФЭ, в которых конвекция доминирует над массопереносом, могут быть получены более высокие скорости роста. Однако в таких системах однородность пленки по составу и толщине обычно хуже.

Большим преимуществом метода ЖФЭ является то, что выращенный слой содержит меньше примесей, чем исходные компоненты, т. к. большая часть примесей остается в процессе кристаллизации в жидкой фазе. Из-за температурной зависимости коэффициента распределения в принципе может возникнуть неравномерное распределение примесей по толщине растущего слоя. Однако в процессе роста концентрация примесей в жидкой фазе увеличивается. При оптимально выбранном режиме роста эти два эффекта почти компенсируют друг друга, в результате чего образуются практически однородные слои.

Предпочтительнее использовать легирующие добавки с низким коэффициентом распределения и низким давлением паров, т. к. при этом уменьшается нежелательное взаимное влияние различных расплавов. Элементы II и VI групп не используют, поскольку у них давление паров и коэффициенты распределения слишком высоки.

Методом ЖФЭ можно выращивать слои от 0,1 мкм до нескольких сотен микрометров толщиной. Трудность выращивания очень толстых слоев обусловлена необходимостью поддержки постоянства параметров системы в течение длительного времени. Качество слоев сильно зависит от качества подложек. Подложки должны быть чистыми, без окисла, с низкой плотностью дислокации, т. к. дефекты структуры подложки обычно переходят и в выращиваемые эпитаксиальные слои. Одним из способов повышения качества является выращивание специально нелегированных буферных слоев между подложкой и основным эпитаксиальным слоем.