20. Химические процессы при эпитаксии [25, 26].

«Эпи» - на, «таксис» - расположить в порядке. Эпитаксиальный слой (ЭС) - плёнка монокристаллического материала, осаждённого на кристаллическую подложку и сохраняющая морфологию этой подложки. Существует 3 метода получения ЭС: 1) конденсация из паровой фазы в вакууме; 2) кристаллизация из газовой фазы с помощью химических взаимодействий; 3) кристаллизация из жидкой фазы.

Основные стадии эпитаксиального осаждения из газовой фазы с помощью химических взаимодействий: 1) перенос реагентов к поверхности кристаллической подложки; 2) адсорбция реагентов на поверхности подложки; 3) реакция на поверхности; 4) десорбция продуктов реакции; 5) перенос продуктов реакции от кристалла к основному потоку; 6) кристаллизация вещества. Стадии 3 и 6 происходят одновременно. Стадии 1 и 5 зависят больше от скорости газового потока, чем от температуры подложки (t_подл). Стадии 2, 3, 4, 6 являются активационными и сильно зависят отt_подл, но не зависят от скорости потока.

Эпитаксия Siпутём восстановления тетрахлоридаSi(SiCl₄).

Схема установки эпитаксии Si(чистого и легированного В и Р).

1 - Н₂, 2 - краны, 3, 3´,3´´ - сосуды, 4 - реактор, 5 - индуктор, 6 - пластинаSi, 7 - сапфировая подложка, 3 -SiCl₄(SiHCl₃), 3´-SiCl₄+BBr₂, 3´´-SiCl₄+PCl₃

Рисунок 20.1

Другие методы эпитаксии: 1) пиролиз тетраиодида Si(SiI₄) проводится при 1100^оС по реакциям:SiI₄ ↔SiI₂+ 2I, 2SiI₂↔Si+SiI₄; 2) пиролиз силана (SiH₄) при 1000^оС по реакции:SiH₄→Si+ 2H₂.

Метод жидкофазной эпитаксии заключается в наращивании монокристаллического слоя из металлического расплава, насыщенного п/п материалом, эпитаксиально рекристаллизующимся на поверхность подложки. В качестве растворителя используется легкоплавкий компонент наращиваемого соединения (это позволяет уменьшить температуру кристаллизации и разницу температур на границе твёрдое тело – жидкость, что повышает чистоту наращиваемого слоя и снижает концентрацию вакансий). Наибольшее распространение этот метод получил для выращивания эпитаксиальных слоёв п/п соединенийA^IIIB^V.

Технология изготовления структур на п/п соединениях типа A^IIIB^V. Развитие таких структур обусловлено новыми направлениями в п/п электронике – оптоэлектроники, систем отображения информации, п/п лазеров и др. Методы выращивания из газовой фазы – гидридный и хлоридный методы эпитаксии, для выращивания используются горизонтальный и вертикальный реакторы. Для выращивания соединенийGaInPиGaAlS: 1) лодочка с расплавленнымGa,In, илиAlпомещается в зону источника (температура 700÷1000^оС); 2) над лодочкой сGaпропускается смесь Н₂+ НCl(0,1÷10%) – образуются хлориды металлов, которые поступают в зону смешения с более высокой температурой; 3) в эту же зону вводят гидридыPH₃,AsH₃,NH₃– образуется смесь хлоридов и гидридов, а в зоне осаждения идёт их реакция, приводящая к образованиюGaAs,GaP,GaAsP.

Методы выращивания из жидкой фазы: 1) с поворачивающейся лодочкой, в которой контакт раствора с подложкой достигается при наклоне реактора; 2) с вертикальной лодочкой; 3) в многокамерной лодочкой, в которой слои последовательно выращиваются при контакте с различными растворами. Причиной зарождения кристаллов из расплава является пересыщение расплава по мере понижения его температуры.

О применении метода MOCVD(метода металлоорганического химического вакуумного напыления (диффузии)) для получения кристаллов сверхярких светодиодов см. выше.

Сравнение химической и жидкостной эпитаксии.Химические методы эпитаксии позволяют более просто и с большей точностью управлять составом соединений, но при этом растущие плёнки загрязняются примесями из реактора. При жидкофазном методе возможно неконтролируемое изменение состава в процессе роста, но скорости роста больше (широко применяется для получения толстых слоёв), а стоимость структур выше. В газофазном методе (пиролиз) расходGaменьше и лучше управляемость.

Конденсация в вакууме заключается в получении в вакууме направленного потока атомных частиц (отдельных атомов, молекул или ионов) исходного твёрдого или расплавленного вещества и последующей их конденсации на подложке (образуются аморфные, поликристаллические или монокристаллические плёнки данных веществ). Существуют 2 метода создания направленных потоков – термическое испарение и катодное распыление.