Гетероэпитаксия кремния

Гетероэпитаксия Si на диэлектрических подложках (лейкосапфир, иногда или BeO) – одно из перспективных направлений в технологии ИМС, т. к в этом случае естественным путем решается проблема изоляции элементов схемы на подложке (быстродействие микросхем возрастает на 2 порядка, увеличивается так же плотность и радиационная стойкость МС).

В качестве подложки наиболее распространен монокристаллический лейкосапфир. Он теплопроводен, имеет высокую диэлектрическую проницаемость, выращивается в диаметре до 30 см², хотя имеет не полное соответствие с Si по параметру решетки и коэффициенту термического расширения.

Лучшие результаты дает силановый метод получения (хлоридный метод менее пригоден т.к химические реагенты взаимодействуют с сапфиром). Большое внимание уделяется качеству подготовки подложки: полировка до 14; отжиг при 1500-1600°С или травление в Н₂ (фреоне) при 1450-1550°С. При этом удаляется слой 8-10 мкм. Перед эпитаксией еще раз травят в Н₂.

Al₂O_3(тв) + 2H₂→ Al₂O_(пар) + 2Н₂О_(пар)

Первый слой Si образуется в результате замещения Al в сапфире на Si.

Недостатки: 1) загрязнение слоя Al и O₂

2) неоднородные свойства по толщине

Эпитаксия полупроводниковых соединений аiiibv и трз на их основе

Эпитаксия GaAs и ТРЗ из газовой фазы.

Эпитаксию проводят из различных систем в основном хлоридного или хлоридно – гидридного состава. Наиболее распространена и дает эпитаксию высокого качества система Ga-AsCl₃-H₂ .

Реактор имеет 3 зоны нагрева:

I зона: t = 425°C (зона As)

2AsCl₃+3H₂→6HCl+1/2 As₄

II зона t = 800°C (зона Ga)

Расплав Ga + HCl → GaCl + ½ H₂

Одновременно расплав насыщается мышьяком.

III зона: t = 750 - 900°C (зона подложки)

2GaCl+ ½ As₄+H₂→2GaAs+2HCl

Скорость роста зависит от ориентации подложки: υ₁₁₁ > υ₂₁₁> υ₃₁₁>υ₁₀₀

Для получения GaP, GaАs P_1-x , GaInР; GaInPAs используют AsH₃, PH₃.

Ограничением в применении гидридов является их способность к самовозгоранию, взрыву, высокая токсичность. Поэтому их используют в разбавлении  1-5% с Ar или H₂. При получении ТРЗ GaAs_xP_1-x в зоне осаждения идет реакция GaCl + xAs_4/4 + (1-x)P_4/4+H_2/2→GaAs_x P_1-x + HCl. P и As получаются при разложении их гидридов при 900°С.

Изменяя соотношение парциальных давлений AsH₃ и PH₃ можно плавно изменять состав ТРЗ. Это имеет особое значение при выращивании ТРЗ на подложках из GaAs, между которым есть несоответствие параметров решеток. Поэтому переходный слой состоит из ТРЗ с малым содержанием фосфора.

Донорную смесь (S, Se) вводят за счет H₂S, H₂Se в H₂, а акцепторную в виде паров Zn.

Перспективно использование металло-органических соединений Ga (триметил Ga, триэтил Ga) (CH₃)₃Ga, (C₂H₅)₃Ga, диэтилхлорид галлия (C₂H₅)₂ClGa.

Преимущество металлоорганики: обеспечивается высокая гомогенизация газовой фазы, упрощается аппаратура и возможность получения высоких электрофизических характеристик слоев.

То же применяют для получения ТРЗ GaAs c Al. Эпитаксиальные слои GaN получают в системе Ga-HCl-NH ₃-Ar(He):

сначала при 800-850°С получают GaCl (Ga+HCl),

далее в зоне осаждения при 1050-1100°С идет реакция:

GaCl+NH₃→GaN+HCl+H₂.

Подложки – лейкосапфир.

Светоизлучающие структуры на основе GaN получают в одном процессе: сначала слой нелегирующего материала, затем слой, легированный цинком.

Эпитаксия в жидкой фазе для получения A^IIIB^V и их ТРЗ особенно GaAlAs и GaInP имеет ряд приимуществ:

• рост фазы может происходить при любой комбинации температур и составов вблизи линии ликвидуса;

• нет необходимости в стехиометрических расплавах;

• управление размерами слоя можно делать с высокой точностью, т.к меньше скорость роста;

• слои имеют меньшую плотность дислокаций;

• упрощается утилизация отходов (дорогого Ga).

Методы ЖФЭ могут подразделяться на:

А – методы направленной кристаллизации (процесс идет из жидкой фазы определенного состава (при снижении скорости, так как нет подпитки);

Б – методы программируемой зонной перекристаллизации (при постоянной скорости процесса за счёт введения подпитки).

Для методов «А» характерна неоднородность распределения примесей.

Для методов «Б» примеси распределяются однородно.

Растворителем, как правило, является жидкий металлический Ga. Выбор его направлен на материал с максимальной криоскопической постоянной.