Арсенид индия. Свойства, применение. Особенности получения эпитаксиальных пленок - -*новый или неперечисленный*- - Скачать бесплатно
Московский Государственный
Технический Университет им. Н. Э. Баумана
Калужский филиал
КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ И МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Курсовая работа
по курсу:” Технология материалов электронной техники”
ТЕМА: ” Арсенид индия. Свойства, применение. Особенности получения
эпитаксиальных пленок.”
Выполнил: Тимофеев
А. Ю.
Группа: ФТМ-71
Проверил: Кунакин Ю.
И.
г. Калуга
1996 год
Содержание
Введение. 3
Электрофизические свойства объемного арсенида индия. 3
. Зонная структура арсенида индия. 3
. Оптические свойства арсенида индия. 4
. Подвижность в арсениде индия. 5
Методы глубокой очистки индия и мышьяка. 6
. Методы глубокой очистки индия. 6
. Методы получения мышьяка и его соединений высокой
степени чистоты. 7
Эпитаксиальное наращивание арсенида индия
из газовой фазы. 7
. Система In-AsCl3-H2 . 8
. Система In-HCl-AsH3-H2. 9
. Система InAs-SiCl4-H2. 10
. Пиролиз МОС. 11
Жидкофазная эпитаксия арсенида индия. 12
Молекулярно лучевая эпитаксия арсенида индия. 13
Заключение. 14
Список использованной литературы. 16
Введение.
Эпитаксиальный арсенид индия - перспективный материал электронной техники.
Высокая подвижность электронов в арсениде индия прямозонная структура
позволяют использовать его для изготовления высокоэффективных электронных и
оптоэлектронных приборов, в частности быстродействующих транзисторов и
интегральных схем, фотоприемных детекторов ИК - диапазона, инжекционных
лазеров с длиной волны (3,5 мкм.
Однако широкое использование тонкопленочных структур арсенида индия
сдерживается отсутствием полуизолирующих подложек в связи с малой шириной
запрещенной зоны арсенида индия. Следует также отметить недостаточную
механическую прочность материала. Указанные проблемы могут быть преодолены,
по крайней мере частично, при гетероэпитаксиальном выращивании арсенида
индия. В этом случае, как правило, эпитаксию проводят на подложках арсенида
галлия с ориентацией поверхности (001).
Значительное рассогласование параметров решеток арсенида индия и арсенида
галлия 7.4% приводит при получении гетероэпитаксиальных пленок арсенида
индия и арсенида галлия методами газотранспортной и жидкофазной эпитаксии к
формированию переходного слоя значительной толщины и к большей плотности
морфологических и структурных дефектов. Это обусловлено ограничениями как
физического характера, присущим данным эпитаксиальным технологиям, так и
ограничениям, связанными с “ненаблюдаемостью” процесса роста.
Электрофизические свойства объемного арсенида индия.
Зонная структура арсенида индия.
Зона проводимости.
Арсенид индия является прямозонным полупроводником, у которого зона
проводимости сферически симметрична и минимум ее находится в центре зоны
Бриллюэна. Вблизи минимума кривизна зоны велика, вследствие чего
эффективная масса электрона очень мала и равна me(0.026 m0.
Зона проводимости имеет не-параболичную форму, кривизна ее уменьшается с
увеличением энергии. Экспериментальные результаты подтверждают
непараболичность зоны проводимости. Измерение эффективной массы на
поверхности уровня Ферми, приведенное для образцов с различной
концентрацией электронов, показало увеличение эффективной массы с ростом n-
кол-личеством носителей заряда (рис.1).
[pic]
Рис.1. Зависимость эффективной массы электрона от концентрации электронов.
Валентная зона.
Расчеты зоной структуры валентной зоны показали, что зона тяжелых дырок
состоит из двух подзон, сдвинутых относительно точки [pic]=0 в направлении
[111] на величину 0.008 а-1б .
В максимумах энергии не более чем на 0.006 эВ превышает энергию,
соответствующую центру зоны Бриллюэна. Зона легких дырок вырождена с зоной
тяжелых дырок при [pic]=0. Имеется также третья зона, положение которой
обусловлено спин-орбитальным взаимодействием. Величина эффективных масс и
некоторые характеристики зонной структуры приведены ниже:
Ширина запрещенной зоны Eg=0.35 эВ (300 К)
Температурная зависимость Eg=(0.44-2.8(10-4T)эВ
Эффективная масса электрона me*=0.026 m0
Эффективная масса тяжелой дырки mp*=0.41 m0
Эффективная масса легкой дырки mi*=0.025 m0
Эффективная масса дырки в зоне
спин-орбитального расщепления mj*=0.083 m0
Энергия спин-орбитального расщепления (Eg=0.43 эВ.
Оптические свойства арсенида индия.
Наибольший практический интерес представляет спектральный диапазон в близи
края собственного поглощения. Именно в этой области длин волн (3-5 мкм)
работают фотоприемники, изготовленные из эпитаксиальных структур арсенида
индия.
Поглощение света в толстом полупроводника может быть описано выражением
I=I0(1-k)(exp(-(X), (1)
где I0 - интенсивность падающего излучения, k - коэффициент отражения, ( -
коэффициент поглощения, X - координата.
Величина коэффициента отражения в близи края собственного поглощения не
превышает 30-40% и может быть оценена из выражения
[pic] (2)
где n - показатель преломления.
. В полупроводниках, как правило, одновременно работает несколько
механизмов поглощения света. Основные из них:
. собственное или фундаментальное поглощение;
. эксионное;
. поглощение свободными носителями;
. решетчатое;
. внутризонное.
Полный коэффициент поглощения в случае одновременного участия нескольких
механизмов поглощения равен:
[pic]. (3)
В указанном диапазоне длин волн 3-5 мкм и обычно используемой области
температур 77-300 К работает в основном два механизма: собственное
поглощение и поглощение на свободных носителях. В области собственного
поглощения прямозонная структура арсенида индия обуславливает резкую
зависимость коэффициента поглощения от энергии:
[pic],
[pic] (4)
где e - заряд электрона, h - постоянная Планка, с - скорость света. В
арсениде индия n-типа величина Еg=0.35 эВ при Т=300 К, а показатель степени
в выражении для (=0.85 n=1, в материале р-типа Еg=0.36 эВ, а n=0.5.
В легированных образцах за счет малой эффективной массы электронов с
увеличением концентрации носителей происходит быстрое заполнение зоны
проводимости электронами, в следствии чего уровень Ферми находится выше дна
зоны проводимости на величину энергии (En. В этом случае коэффициент
поглощения описывается выражением
[pic] (5)
т.е. происходит сдвиг края поглощения в сторону больших энергий.
Поглощение на свободных носителях в области длин волн, превышающих 3 мкм,
хотя слабее, чем собственное, тем не менее может играть значительную роль в
сильно легированных образцах. В этом случае ( описывается выражением
[pic] (6)
где n - показатель преломления, ( - проводимость, ( - длина волны, [pic]
Оценки показывают, что при (=3 мкм и n=1018 см-3 в пластине арсенида индия
толщиной 400 мкм поглотится около 80% светового потока.
Подвижность в арсениде индия.
Подвижность носителей заряда в кристаллах арсенида индия ограничивается
несколькими механизмами рассеивания:
. рассеянием на оптических и акустических фононах;
. на ионных примесях;
. на нейтральных примесях:
. на дефектах кристаллической решетки (дислокациях):
. на носителях заряда.
В приближении времени релаксации ( подвижность вычисляется по формуле
[pic] (7)
где ( - вычисляется для каждого механизма рассеивания отдельно.
В монокристаллических объемных образцах арсенида индия достигнуты следующие
значения подвижности:
n-тип, (=30000 см2/Вс(300К),
р-тип, (=450 см2/Вс(300К).
Сростом концентрацией примесей подвижность падает.
Методы глубокой очистки индия и мышьяка.
Для получения монокристаллов арсенида индия с высокими и стабильными
электрофизическими параметрами необходимо использовать высокочистые
исходные материалы.
Арсенид индия с трудом поддается очистке кристаллизационными методами в
следствие высокого давления диссоциации при температуре плавления, высокой
химической активности индия и мышьяка при температуре выращивания и близких
к единице значений коэффициентов распределения основных примесей в исходных
элементах, таких как сера, селен, цинк и др., а также из-за загрязнением
кремнием из кварца при высокой температуре.
Методы глубокой очистки индия.
В индии предназначенном для синтеза полупроводниковых соединений,
лимитирующими являются следующие примеси: алюминий, медь, магний, кремний,
серебро, кальций, серебро и сера.
Применяемые методы очистки индия можно разделить на химические и
физические. Методы первой группы - субхлоридный, экстракционный,
электролитический и перекристаллизация солей из растворов. Химические
методы требуют наличия сверхчистых вспомогательных материалов кислот,
щелочей, органических растворителей. Методы второй группы (физические) -
термообработка, ректификация, вытягивание из расплава и зонная плавка -
включают воздействие на индий каких-либо вспомогательных химических
реактивов.
При применении для приготовлении электролита особо чистого натрия
электролитическое рафинирование индия позволяет получить индий чистотой
99,9999% (выход по току 90%).
Субхлоридный метод получения индия высокой чистоты позволяет получать
индий чистотой 99,9999%.
Для успешного осуществления метода вакуумной термообработки необходимо
выполнения следующих условий:
. материал контейнера должен быть достаточно чистым и не взаимодействовать
с расплавленном индием;
. термообработка должна проводится в условиях высокого вакуума (10-6 мм
рт.ст.) и в остаточной атмосфере, не содержащей углеводородов.
Термообработка индия проводится в интервале температур 500-900ОС. Верхний
предел температурного интервала ограничивается взаимодействием
расплавленного индия с кварцем и значительным увеличение упругости пара
индия.
Вакуумная термообработка позволяет получить индий чистотой 99,9999%.
Зонная плавка электрически рафинированного индия позволяет осуществлять
дальнейшую очистку его от примесей.
При вытягивании кристаллов индия по методу Чохральского эффективная очистка
происходит при выращивании кристаллов с большими скоростями вращения
затравки (60-100 об/мин) и скоростью роста 2см/ч. Чистота индия выращенного
по методу Чохральского, выше 99,9999%. Применение только одного способа
очистки индия может оказаться недостаточным, и возможно потребуется
сочетание различных способов (физических и химических).
Методы получения мышьяка и его соединений высокой степени чистоты.
Общее содержание примесей в мышьяке используемом для синтеза арсенида
индия, не должно превышать 1(10-5%, суммарное содержание селена и теллура
должно быть < 1(10-6% каждого в отдельности.
Наиболее перспективными технологиями очистки мышьяка являются хлоридная и
гидридная с получением промежуточных высоко чистых продуктов треххлористого
мышьяка или гидрида мышьяка. Хлоридная схема получения чистого мышьяка
включает:
. хлорирование металлического мышьяка хлором или взаимодействие трехокиси
мышьяка с соляной кислотой;
. очистку трихлорида мышьяка ректификацией;
. восстановление очищенного трихлорида мышьяка водородом до компактного
металлического мышьяка.
Перед ректификацией треххлорида мышьяка проводят сорбционную очистку.
Для получения особо чистых гидрида мышьяка и элементарного мышьяка
используется гидридная схема. Гидридная технология мышьяка имеет ряд
преимуществ:
. содержание мышьяка в гидриде выше, чем в любом другом соединении;
. разложение гидрида мышьяка происходит при невысоких температурах и
отсутствует необходимость в восстановлении;
. гидриды имеют малую реакционную способность по отношению к
конструкционным материалам при температурах синтеза и очистки.
Недостатками гидрида мышьяка являются высокая токсичность и
взрывоопасность.
Гидридная технология очистки мышьяка состоит из следующих этапов:
. синтез арсенида металла II группы;
. гидролиз арсенида с получением арсина;
. очистка арсина сорбцией;
. вымораживание и ректификация;
. разложение арсина до металлического мышьяка.
Мышьяк, полученный по приведенным схемам, с успехом используется для
синтеза арсенида индия. Кроме того, треххлористый мышьяк находит широкое
применение для нарашивания эпитаксиальных слоев арсенида индия.
Эпитаксиальное наращивание арсенида индия из газовой фазы.
Газотранспортные процессы, в основе которых лежат обратимые химические
реакции, широко применяются для получения эпитаксиальных структур
полупроводниковых соединений А3В5. Основными достоинствами процесса
получения эпитаксиальных слоев арсенида индия из газовой фазы в проточной
системе являются:
. простота конструктивного оформления процесса;
. низкое пересыщение вещества над растущим кристаллом;
. сравнительно невысокие температуры кристаллизации, возможность
предотвращения загрязнения материалом контейнера;
. возможность управления процессом роста изменением скорости потока и
концентрации транспортирующего агента;
. широкие возможности легирования слоев различными примесями;
. возможность автоматизации процесса;
. осуществление непрерывного процесса;
. возможность получение многослойных структур и заданной морфологии.
Суммарные реакции, наиболее часто используемых для осаждения эпитаксиальных
слоев арсенида индия и переноса компонентов, в общем виде мощно представить
следующим образом:
4InГ3+As4+6H2(4InAs+12HГ; (8)
3As+2InГ3+3/2H2(3AsГ+2In+3HГ, (9)
3AsГ+2In(2InAs+AsГ3; (10)
In+As(InAs; (11)
2InAs+3Г2(InГ3+As2; (12)
2InAs+H2O(In2O+As2+H2; (13)
где Г - галоген. Арсенид индия в виде эпитаксиальных слоев получают
методами транспортных реакций либо синтезом из элементов, либо
пересублимацией соединения. Для переноса чаще всего используют галоиды
(трихлориды элементов III и V групп, хлористый водород) и воду. Галоидные
системы (хлоридные, йодидные) имеют преимущества перед системой H2O-H,
поскольку хлор и йод являются нейтральными примесями для арсенида индия.
Система In-AsCl3-H2 .
Достоинствами системы можно считать:
. малое число исходных компонентов в системе;
. устранение предварительного получения InAs, используемого в качестве
источника;
. возможность глубокой очистки AsCl3 ректификацией;
получение хлористого водорода и мышьяка высокой степени чистоты
восстановлением AsCl3 водородом.
Схема установки для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида индия с
использованием системы In-AsCl3-H2 представлена на рис.2.
Рис. 2. Схема установки для получения эпитаксиальных пленок InAs в системе
In-AsCl3-H2:
1- зона мышьяка; 2-лодочка с индием; 3-держатель с подложкой; 4-выход
водорода с продуктами реакций; 5-вход чистого водорода; 6-барботер с AsCl3.
Реактор имеет три зоны нагрева, причем печь сконструирована таким образом,
что источник индия можно наблюдать во время процесса.
Водород барботирует через испаритель с хлористым мышьяком при температуре
20ОС, и смесь AsCl3+H2 поступает в печь.
В зоне 1 печи протекает реакция :
2AsCl3+3H2 ( 6HCl+1/2As4. (14)
В зане 2 пары мышьяка взаимодействуют с индием. Смесь газов поступает в
зону источника индия и проходят реакции:
2In+2HCl ( InCl+H2; (15)
In+As4 ( 4InAs. (16)
Взаимодействие источника индия с газовой смесью происходит до насыщения
индия мышьяком. Когда индий полностью насыщается мышьяком, на поверхности
расплава образуется пленка арсенида индия, при этом избыточный мышьяк
поступает в реактор и конденсируется на холодных стенках реактора вне печи.
В течении периода насыщения индия мышьяком подложка находится вне реактора.
Продолжительность насыщения определяется количеством индия, его
температурой и скоростью поступления пара мышьяка к поверхности индия. При
использовании не полностью насыщенного источника индия состав газовой фазы
в зоне осаждения непостоянен.
При выращивании арсенида индия n-типа в системе In-AsCl3-H2 в газовый поток
вводится смесь H2S+H2 . Концентрацией H2S определяется уровень легирования.
Для получения пленок р-типа используется элементарный цинк и кадмий,
вводимые в виде легирующей добавки из испарителя с отдельной зоной нагрева.
Система In-HCl-AsH3-H2.
Принципиальными технологическими преимуществами гидридов являются
следующие:
. летучие ковалентные гидриды можно получать из всех наиболее важных в
полупроводниковой технике элементов;
. свойства гидридов позволяют успешно применять очистку, основанную на трех
фазовых переходах (жидкость- пар, твердое- пар, твердое- жидкость), а
также эффективные методы газовой очистки (сорбции, ионного обмена);
. содержание основного элемента в гидриде выше, чем в любом другом
соединении;
. гидриды имеют малую реакционную способность по отношению к
конструкционным материалам.
Недостатками гидридов являются их высокая токсичность и взрывоопасность.
При выращивании эпитаксиальных слоев этой системы мышьяк при комнатной
температуре находится в газообразном состоянии, что обеспечивает
постоянство состава газовой фазы и гибкость процесса легирования.
Типичная схема установки для наращивания эпитаксиальных слоев арсенида
индия с помощью системы In-HCl-AsH3-H2 приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема установки для наращивания эпитаксиальных слоев InAs с помощью
системы In-HCl-AsH3-H2: 1-выпускная труба; 2-подложка.
xIn+HCl xInCl+(1-x)HCl+x/2H2, (17)
где х - мольная доля HСl участвующая в реакции (сильно зависит от
температуры). Следует отметить, что реакция протекает не до конца, т.е.
химическое равновесие не наступает. Наиболее вероятной причиной
наблюдаемого отклонения от химического равновесия является геометрия
установки и значительные скорости потока газа. Гидриды элементов V группы,
в том числе и AsH3, термически неустойчивы при температурах, обычно
используемых при выращивании эпитаксиальных слоев. Основные реакции
осаждения следующие:
3InCl+1/4As4+1/2H2 ( InAs+HCl. (18)
При получении эпитаксиальных слоев арсенида индия с помощью системы In-HCl-
AsH3-H2 является гибким методом наращивания. Качество слоев, полученных с
помощью этой системы, обычно эквивалентно или даже превосходит качество
слоев, полученных с участием других систем и методов, за исключением
хлоридной системы In-AsCl3-H2.
Система InAs-SiCl4-H2.
Эпитаксиальные пленки арсенида индия высокой чистоты можно получать с
использованием в качестве транспортирующего агента тетрахлорид кремния.
Схема установки приведена на рис. 4.
Рис. 4. Схема установки для эпитаксиального наращивания InAs с
использованием системы InAs-SiCl4-H2: 1-печь; 2-первый источник InAs; 3-
второй источник InAs; 4-подложка.
Водород, насыщенный тетрахлоридом кремния, при температуре -30СО, подается
во внутреннюю трубку реакционной камеры. Продукты разложения (водород,
хлористый водород и дихлорид кремния) вместе с остатком тетрахлорида
кремния поступают во внешнюю реакционную трубу, где взаимодействуют с
первым источником арсенида индия. При этом на источнике растет пористая
пленка кремния и образуется хлорид индия мышьяк. На втором источнике,
предназначенном для полного восстановления хлоридов кремния, также
осаждается небольшое количество кремния. Эпитаксиальное наращивание пленок
арсенида индия проводится на одноименные подложки, расположенные за вторым
источником. Этот процесс можно представить
следующим
последовательнымрешением:
в реакционной камере
SiCl4 ( SiCl2+2HCl, (19)
с источник арсенида индия
2InAs+ SiCl4+ SiCl2(2Si+2InCl+1/4As4, (20)
2InAs+SiCl4(4InCl+As4, (21)
на подложке
2InCl+As2+H2(2InAs+HCl. (22)
Тетрахлорид кремния как транспортный агент в газотранспортных реакциях
имеет преимущество перед другими хлоридами:
. может быть получен особо высокой степени чистоты;
. имеет высокое парциальное давление при относительно невысоких
температурах;
. не дает донорных уровней в эпитаксиальном слое.
Пиролиз МОС.
Значительный интерес представляют реакции металлоорганических соединений.
Процессы такого рода проводятся при низких температурах, что существенно
повышает чистоту, синтезируемого соединения, кроме того синтез многих МОС
носит избирательный характер, а так как целый ряд примесей, влияющих на
электрофизические параметры полупроводниковых материалов, не образуют
аналогичных соединений, то уже в процессе самого синтеза МОС происходит
очистка от нежелательных примесей до уровня 10-5-10-6 вес %.
Основными реакциями, приводящими к образованию арсенида индия при участии
МОС, можно назвать следующие:
. термическое разложение индивидуального МОС по схеме
|
