Изотермический вариант жфэ

1. Метод ступенчатого охлаждения широко применяется для выращивания эпитаксиальных слоев. Этот метод основан на том, что в отсутствии контакта с подложкой из-за существенной разницы в структуре ближнего порядка полупроводниковых материалов в жидкой и твердой фазах, раствор-расплав способен выдерживать значительные переохлаждения, составляющие до 15÷20⁰С.

Рис. 70. Изотермический вариант выращивания слоев соединения АВ методом ЖФЭ. а – диаграмма состояния при постоянном давлении; б – температурно-временной график процесса: I – момент приведения в контакт подложки и раствора-расплава, II – момент прерывания контакта подложки и раствора-расплава.

При выращивании эпитаксиальных слоев методом ступенчатого охлаждения (рис. 70.) после гомогенизации расплава в интервале времени ₁₂ снижают температуру до Т_н., создавая при этом в растворе-расплаве переохлаждение Т, приводят расплав в контакт с подложкой, выдерживают в интервале времени ₃₄ (в этот период происходит эпитаксиальный рост слоя), после чего расплав удаляют. Скорости кристаллизации в этом методе выращивания обычно выше, чем при равновесном охлаждении и практически не поддаются контролю. Косвенно регулировать скорость кристаллизации возможно лишь величиной переохлаждения Т.

Расчет толщины эпитаксиального слоя проводят, как и в предыдущем случае, в рамках приближений. При ступенчатом охлаждении выражения принимают вид:

• для конечной жидкой фазы:

, (84)

где ;

• для полубесконечной жидкой фазы:

. (85)

Метод ступенчатого охлаждения применяют обычно при выращивании гетероструктур, так как подрастворение подложки в этом случае минимально, однако толщина выращенных слоев лимитируется допустимой величиной переохлаждения. Увеличивать объем расплава нецелесообразно. Поэтому применяют комбинированный метод, заключающийся в том, что сначала приводят подложку в контакт с переохлажденным расплавом (ступенчатое охлаждение), а затем проводят программируемое снижение температуры (равновесное охлаждение). Толщину слоев определяют по результатам расчета обоих последовательных процессов.

При изотермических процессах пересыщение раствора-расплава можно реализовать за счет изменения его состава в процессе выращивания, то есть в результате подпитки. Подпитка раствора-расплава может быть из жидкой, газовой и твёрдой фазы.

2. Подпитка из жидкой фазы – это вариант изотермического смешивания двух насыщенных растворов.

Реализация этого способа понятна из рис. 71. в качестве исходных расплавов выбираются два с одинаковой температурой ликвидус. После гомогенизации расплавов по аналогии с рис 70. снижают температуру до температуры ликвидус для составов С₀ и С₁, стабилизируют ее, приводят расплав состава С₀ в контакт с подложкой и дозировано подают в него расплав состава С₁. Из полученного нового пересыщенного для температуры выращивания расплава состава С₂ и происходит кристаллизация эпитаксиального слоя.

Рис. 71. Схема реализации варианта изотермического смешивания: а – в двухкомпонентной системе; б – в трехкомпонентной ситеме.

3. Подпитка из газовой фазы.

• положительная подпитка: введение в раствор-расплав летучего с помощью создания избыточного давления его паров в реакторе;

• отрицательная подпитка: изменение состава раствора-расплава в результате испарения летучего растворенного компонента.

Расчеты производятся по выражениям, аналогичным приведенным в разделе «Легирование летучей примесью из расплава».

Техническая реализация основана на проведении процессов в закрытом реакторе, снабженным контейнером с летучим компонентом, помещенным в специальную температурную зону.

4. Подпитка из твёрдой фазы (сэндвич метод в градиенте температур) аналог зонной плавки в температурном градиенте.

Рассмотренные варианты широкого применения не нашли в виду их малой гибкости и нетехнологичности.

Аппаратурное оформление

Реализация по способу осуществления контакта с подложкой:

1. Контакт погружения (метод Нельсона)

Рис. 9.7. Схема установки для выращивания эпитаксиальных пленок Ge методом жидкостной эпитаксии: 1 — герметичная камера; 2 — нагреватель; 3 — тигель; 4 — расплав; 5 — растворяемое вещество; 6 — держатель; 7 — подложка.

2. Механическое нанесение (устройство слайдерного типа)

3. Гидравлическая подача