книги из ГПНТБ / Арсенид галлия. Получение, свойства и применение

40 П О Л У Ч Е Н И Е I I Ф И З И К О - Х И М И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А [ГЛ. 1

методов газотранспортной эпптаксин в открытой системе наибольшее распространение получил метод, в котором в качестве источника используются галлий и трихлорид мышьяка.

Этим методом в настоящее время получен самый чи­ стый арсенид галлия [67—75]. Поэтому рассмотрим его подробнее.

На рис. 1.18 показана схема установки для эпитакснального иаращиваипя. Через кварцевую трубу (реактот)

| Z r , + H 2

Расстояние, см

Рис. 1.18. Схема установил для эпптаксналыюго наращивания

газотранспортным методом в открытой системе.

1 — кварцевая труба; 2 — источник Ga; 3 — подложка G a A s ; 4 — барботер с A s C l 3 ; 5 — ротаметр.

1, в которой расположены источник Ga 2 и подложка GaAs 3, пропускается водород и AsCl3 высокой чистоты. При этом AsCl3 является как транспортирующим газом для галлия, так и источником мышьяка.

При относительно низких температурах (300—500 °С) происходит диссоциация AsCl3 :

4AsGl3 + 6 H S - * As4 + 12HC1.

Образующийся HG1 вступает в реакцию с Ga в источнике: 2Ga + 2HCl->-2GaCl + Н я .

Свободный As сначала вступает в реакцию с Ga: 4Ga + xASi -> 4GaAs*.

По окончании этого процесса As вступает в реакцию дцспропорцнопированпя с GaCl, образуя GaAs в зоне осаждеппя:

GGaCl + As 4 - ^ 4GaAs + 2GaCl3 .

Практически процесс начинается с продувки системы потоком водорода (—1000 см3/мин). Затем включаются нагреватели и система выводится на рабочий режим: подложки GaAs находятся при температуре ~750 °С. источник Ga — при -—900 °С. После этого поток водорода снижается до ~200 см3/мин н в рзактор вводится допол­ нительно смесь Н3 —AsCi3 черэз барботер 4 (рис. 1.18), который поддерживается при температуре 23,5 °С; прп этом давление паров AsCL3 составляет 10 мм рт. ст. В этих условиях происходит газовое травление подложкп GaAs со скоростью ~0,5 мкм/мин. После снятия слоя толщиной ~ 1 мкм поток чистого водорода полностью перекрывается и начинается процесс эпитаксиальиого наращивания. Скорость роста слоя GaAs составляет —30—40 мкм/час. Рост прзкращается перекрытием потока смеси Н2 —AsCl3 и продувкой системы чистым водородом.

Таким методом был получен GaAs с самой высокой подвижностью электронов при комнатной температуре

газовой эпитаксии в открытой системе, в которой в каче­ стве источника используется арсенид галлия, в качестве

аргон [79] и т. п. Но все эти методы пока менее эффектив­ ны, чем рассмотренный выше метод.

Посредством газовой эпптакснн в открытой системе был получен безднслокацпонный эпитакснальный арсенпд гал­ лия [80], но для этих целей были использованы бездисло­ кационные подложки.

Легирование эпитакспальных слоев арсенида галлия "в открытой системе производится посредством использо­ вания отдельных газов — источников примеси, например Zn-|-H2 , H2 Se-j-H2 [77, 81] и т. п., которые вводятся в ре­ актор независимо от источников мышьяка н галлия, либо посредством использования легированных источни­ ков галлия или арсенида галлия [77]. В открытой системе легко создавать многослойные структуры в одном про­ цессе, так как легирующие примеси находятся в газовой фазе, поэтому замена типа примеси производится просто заменой одного газа на другой.

В заключение отметим, что основное достоинство ме­ тода газовой эпитаксни в открытой системе — его гиб­ кость п управляемость процессом роста. Основной не­ достаток — трудность очистки и регулировки потоков газов п сложность оборудования.

Жидкостная эпитаксия. Суть метода жидкостной эпи­ таксни состоит в следующем. Исходная подложка арсе­ нида галлия при температуре значительно ниже темпера­ туры плавления арсенида галлия покрывается жидким раствором —расплавом GayAs!-,.. После того как подлож­ ка смочится этим раствором производится охлаждение. В результате охлаждения на подложку пз жидкого раст­ вора-расплава Ga^SjL-y осаждается слой GaAs.

В настоящее время существует два метода жидкостной эпитаксии: в открытой системе (метод Нельсона) [63] и в закрытой системе (метод Гореленка—Царенкова) [64].

Ж и д к о с т н а я э п и т а к с и я в о т к р ы т о й с и с т е м е . На рис. 1.19 изображено исходное положе­ ние установки для эпитаксиальиого наращивания по ме­ тоду Нельсона.

Подложка арсенида галлия 1, ориентированная по кристаллографической плоскости (100) или (111), плотно закреплена в верхней части графитовой лодочки. Растворрасплав Ga^Sj-^. 2 находится в нижней части лодочки 3. В кварцевую трубу 4 с нагрзвателем 5 в зону с постоянной

температурой помещена лодочка; через трубу пропуска­ ется водород. В таком положении температура в системе повышается до —900 °С. Затем кварцевая труба с нагре­ вателем наклоняется так, что раствор-расплав Gav Asi_r заливается на поверхность подложки. В начальный момент

происходит частичное растворение арсенида галлия с под­ ложки до образования почти насыщенного раствора GaxAst—x. Затем система охлаждается со скоростью —Ю град/мин. В процессе охлаждения на подложке осаж­ дается слой арсенида галлия. При достижении темпера­ туры —400 °С оставшийся раствор Ga ^As^,. на подложке сливается.

В качестве растворителя арсенида галлия может быть использовано олово вместо галлия.

Важной особенностью жидкостной эпптаксии является то, что граница раздела слой — подложка совпадает

скристаллографической плоскостью (100) или (111).

Легирование эпитаксиальных слоев производится по­ средством введения соответствующих легирующих при­ месей в раствор-расплав GaA As1 _l ..

Основное достоинство метода Нельсона — простота. Основной недостаток — трудно получать эпитаксиальные слои, однородные по сопротивлению. Это обусловлено тем) что в открытой системе отсутствует фазовое равновесие между твердой, жидкой и паровой фазами, так как летучие компоненты раствора (мышьяк и легирующие примеси)

(рпс. 1.20) и в ампуле практически устанавливается фазо­ вое равновесие между твердым арсеиндом галлпя, жидким раствором-расплавом Gav As( _v и нарами мышьяка (контакт жидкого раствора-расплава Gal .Asi_l . с ампулой исклю­ чается).

арсеипда галлня из раствора-расплава Ga l .Asi_l . осаждается слон арсеипда галлпя (рпс. 1.20). Для облегчения условий

альном слое, удаляется посредством травления в соляной кислоте.

Легирование эннтаксиалыгах слоев осуществляется посредством введения соответствующих примесей в раст­ вор-расплав Ga_v Asi_r Это достигается посредством загрузки примеси в галлпн на подложке либо посред­ ством загрузки примеси в ампулу, если она является летучей.

Это обстоятельство позволяет легко легировать и изменять уровень легирования эпптакспальпых слоев арсеипда галлия как летучими, так и нелетучими примесями и по­ лучать прн этом слон заданной толщины и однородные, но сопротивлению. Кроме того, метод жидкостной эпптаксни в закрытой системе может быть использован для опреде­ ления растворимости различных примесей в арсениде галлия.

В настоящее время метод жидкостной эпнтаксин в за­ крытой системе используется как для получения слоев чистого и легированного арсеипда галлия, так и для созда­ ния р—д-структур арсеипда галлия для различных при­ боров. Так, в работе [89] получен иелегнрованиый арсенид галлпя, спектр фотолюминесценции которого состоял только из одной краевой полосы; длинноволновое излу­ чение, обусловленное глубокими рекомбпнациониыми центрами, отсутствовало. В работе [91] получен GaAs, сильно легированный теллуром с ?г=(1—2) • 101 0 см~я и под­ вижностью 1600 смУвсек при 300 °К н 1800 см2/в • сек при

стоком максимума /, ш > х =1 0 а и отношением 1т ах/Лшп^-10.

В заключение отметим, что жидкостная эпитаксия представляет особый интерес Для получения арсенпда гал­

в арсениде галлия, когда в решетке замещают атомы гал­

арсенида галлия р-тнпа традиционными методами затруд­ нительно. А, как известно, на основе арсеинда галлия, легированного кремнием, в настоящее время получены самые эффективные диодные источники спонтанного излу­ чения [92, 93].

Кроме рассмотренных выше методов получения эпитаксиального арсенпда галлия, которые в настоящее время являются основными, следует указать ц на ряд других методов, которые пока ие получили широкого распростра­ нения: метод испарения и конденсации в вакууме [94, 95], метод движущегося растворителя [96], метод малых про­ межутков [97].

1.3.Примеси и дефекты

1.3.0.Общие представления. Сведения о влиянии при­ месных атомов п других дефектов решетки па свойства полупроводников представляют большую практическую ценность. Закономерности поведения примесей в элемен­ тарных кремнии и германии во многом^присущи и .ajiCQr. ниду галлия. Однако~у~ШкТледйег6 есть свои особенности^'

Вего состав входят двй сорта атомов. В результате этого увеличивается число различных uapjm&№l.lvTOCTajaiiH£- скон реТнетшТГпапрпмер, возможны четыре ситуации при размещении атомов галлия и мышьяка в междоузлиях решетки.

Многообразие дефектов усложняет поведеипе прпмесных атомов в кристалле арсеппда галлия. Чаще всего чужеродный атом замещает тот или иной атом основной решетки или попадает в междоузлие. В первом случае действие примеси в полунроводшше определяется отно-

48 П О Л У Ч Е Н И Е И Ф И З И К О - Х И М И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А [ГЛ. 1

шеннем числа валентных электронов примесного атома к числу валеитиых электронов замещенного. В зависимости от этого посторонний атом может стать либо донором, либо акцептором. Находясь в междоузлии, примесные атомы ведут себя обычно как доноры. Элементы I I (цинк, кадмий) н V I (сера, селен, теллур) групп периодической системы в арсеииде галлия являются, как правило, примесямп замещения, причем атомы элементов I I группы замещают атомы галлия п становятся акцепторами, в то время, как атомы элементов V I группы занимают обычно места атомов мышьяка и действуют как доноры. Атомы этих элементов в арсенпде галлия создают в запрещенной зоне мелкие акцепторные н донорные уровни.

Атомы ряда элементов, как, например, кислорода, хрома и др., растворяясь в арсеииде галлия, образуют в запрещенной зоне глубоколежащие донорные или акцеп­ торные уровни. Эти уровни являются ловушками для электронов и дырок и центрами рекомбинации.

Прпмесные атомы в арсеппде галлия могут поппзоваться неоднократно, создавая не одни, а два или более примесных уровней. Так ведут себя медь н железо.

Существенное влияние па свойства арсеинда галлия должны оказывать комплексы, образованные в результате взаимодействия примесей между собой, либо примеси

Поведение примесей в процессе выращивания характе­ ризуется коэффициентом распределения (сегрегации) К. Имеющиеся данные о коэффициентах распределения раз­ личных примесей в GaAs приведены в табл. 1.1 [98]. Для многих примесей значеппя К, полученные разными авторами, расходятся. Это связано с тем, что величина К в GaAs зависит от многих условий, в том числе от концент­ рации примеси, кристаллографического направления ро­ ста, скорости роста. На рис. 1.22 представлены резуль­ таты работы [98], в которой делается попытка устаповпть корреляцию между коэффициентами распределения не­ которых примесей и тетраэдрическими ковалеитнымп радиусами их атомов п объяснить с этой позиции кажу­ щееся аномальным поведение отдельных элементов в ар­ сеииде галлпя. Эти особенности будут обсуждаться при рассмотрении каждой примеси в отдельпости.