Способ получения монокристаллических полупроводниковых соединений

 

Изобретение относится к электронной промышленности, в частности к производству полупроводниковых соединений, и может быть использовано для выращивания монокристалла на основе A³B⁵. Способ позволяет снизить плотность дислокаций и повысить совершенство кристаллической структуры. Полупроводниковые соединения выращивают из жидкой фазы с добавкой легирующих примесей, в качестве которых используют In и/или Bi в сочетании с одним из элементов ряда Cd, In, Bi, Si, Pb в концентрациях каждого 10¹⁸ - 5·10²⁰ см^-3 при соотношении концентраций двух выбранных элементов 1:3 - 15. В результате повышается скорость роста пленок в 1,2-3 раза, снижается плотность дислокаций на 3 порядка. 1 табл.

Изобретение относится к электронной и металлургической промышленности, в частности к производству полупроводниковых соединений, и может быть использовано для выращивания монокристаллов и эпитаксиальных структур соединений на основе А³B⁵ из жидкой фазы. Целью изобретения является снижение плотности дислокаций и повышение совершенства кристаллической структуры. П р и м е р 1. Эпитаксиальные слои твердого раствора Al_xGa_1-xAs выращивают жидкостной эпитаксией из раствора Ga, содержащего 8·10¹⁸см^-3Те и Al 5 ат. В этот раствор дополнительно вводят Bi и In в концентрациях соответственно 10¹⁸, 5·10¹⁹ и 1 ·10¹⁹, 5·10²⁰см^-3 (соотношение 1:10). As в раствор Ga вводят в виде поликристаллического GaAs ~ 5 ат. Процесс проводят в очищенном Н₂. Температура начала выращивания 940^oC, скорость охлаждения U_ox 0,4 град/мин. Подложки были из GaAs, вырезанные из кристаллов, выпускаемых промышленностью. Подложки были p-типа с концентрацией Ge 5·10¹⁷см^-3. Для сравнения с прототипом выращивают пленки из раствора на основе Ga, содержащего Te 8 ·10¹⁸см^-3 и Ge + Si с концентрациями 7,5·- 10¹⁹ и 10¹⁸см^-3,а также эпитаксиальные пленки из раствора в расплаве, содержащие запредельные концентрации In и Bi соответственно 8·10²⁰ и 5· 10¹⁷см^-3. Выращивание пленок проводят на стандартной установке в графитовом контейнере. Результаты измерения свойств полученных пленок в этом и последующих примерах приведены в таблице. Все концентрации элементов в расплаве (растворе), приведенные в таблице, соответствуют началу кристаллизации. На полученных пленках методом Ван-дер-Пау определяют концентрацию носителей заряда. Ее приравнивают концентрации Те. На микроанализаторе типа Самеса определяют концентрацию Al в пленках. Как показали эти измерения, концентрация Те и Al в пленках увеличилась соответственно в 1,6 и 1,9 раза по сравнению с прототипом и в 2,2 и 2,5 раза по сравнению с пленками, легированными только Те. Скорость выращивания пленок (их толщина) по сравнению с прототипом увеличилась в 3,1 раза. В последующих примерах концентрацию легирующей примеси и Al определяют указанным выше методом. В качестве параметров, характеризующих совершенство структуры полученных эпитаксиальных слоев и кристаллов, были приняты подвижности носителей заряда μ, плотность дислокаций Nd, плотность микродефектов Nk и полуширина пика излучения спектров фотолюминесценции (ПШФЛ). Так как сужение (уширение) ПШФЛ и увеличение (уменьшение) m в данном полупроводниковом соединении происходят одновременно при близких концентрациях носителей заряда, то достаточно определить один из этих параметров, чтобы судить о степени совершенства кристаллической структуры. Сужение (уменьшение) ПШФЛ свидетельствует о повышении регулярности в расположении компонентов соединения и, следовательно, о повышении совершенства. ПШФЛ в эпитаксиальных пленках уменьшилась в 1,2 раза по сравнению с прототипом. П р и м е р 2. Выращивают слои Al_xGa_1-xAs из раствора Ga с растворением GaAs, легированного Ge с концентрацией 2·10²⁰см^-3.В раствор дополнительно вводят Bi и Si в концентрациях соответственно 5·10¹⁸, 7·10¹⁹ и 10¹⁸, 5·10¹⁹см^-3. Выращивают пленки из раствора на основе Ga, легированного Ge с концентрацией 1 ·10²⁰см^-3 и содержащего Si 1·10¹⁹ см^-3 (прототип), а также с запредельной концентрацией Bi 6·10²⁰ и Si 5·10¹⁷см^-3. Условия выращивания были как в примере 1. В полученных пленках концентрация Ge была в 1,3 раза выше, чем в прототипе. Скорость выращивания (толщина пленок) была в 1,8 раза выше, чем у прототипа. Остальные параметры приведены в таблице. Пленки с такими же свойствами и совершенством структуры были получены при дополнительном введении в расплав Bi с концентрацией 3·10¹⁹ и Pb с концентрацией 9·10¹⁸см^-3. В пленках, полученных с указанными концентрациями Bi и Si, ПШФЛ, по сравнению с прототипом уменьшилась на 30 - 60% а в слоях, выращенных из растворов с запредельными концентрациями, увеличилась, по сравнению с прототипом, на 10% П р и м е р 3. Выращивают эпитаксиальные пленки GaAs на подложках из полуизолирующего GaAS, легированного Cr с ориентацией (100). Условия выращивания как в примере 1. Раствор Ga с растворенным GaAs легируют In с концентрацией 2· 10¹⁹см^-3. В раствор дополнительно вводят Cd и In в концентрациях соответственно 5·10¹⁸, 10¹⁹ см^-3 и 6·10¹⁹, 5·10²⁰ см^-3. В таких же условиях выращивают пленки GaAs из растворов, содержащих Cd 5·10¹⁷ и In 4· 10²⁰см^-3 (запредельная концентрация). Соотношения концентрации Cd и In в предыдущем случае 1:12 и 1:15. П р и м е р 4. Выращивают эпитаксиальные пленки GaAs из раствора Ga с растворенным GaAs (As 5 ат.) и Se с концентрацией 1,2·10¹⁹см^-3. В раствор дополнительно вводят Pb с концентрациями 6·10¹⁸, 5·10¹⁹см^-3 и In: 9·10¹⁸, 2,5 ·10²⁰см³ (соотношение концентраций Pb:In 1:15 и 1:12). Выращивают в идентичных условиях, но с концентрациями дополнительных элементов Pb и In 10¹⁸ и 8 ·10²⁰см^-3 (запредельные концентрации и соотношения), а также с Si и Sn (прототип). В выращенных пленках по предложенному способу концентрации Se была в 2,3 раза выше по сравнению с прототипом, а скорость роста увеличилась в 2,2 раза. Результаты измерений представлены в таблице. П р и м е р 5. Выращивают монокристаллы InP (Метод Чохральского) из-под флюса с избыточным давлением Не 0,7 атм. на стандартной установке. Скорость выращивания меняют по программе от 0,8 до 0,2 мм/мин. Скорость вращения кристаллов 8 об/мин. Расплав содержит Se с концентрацией 10¹⁹см^-3. Дополнительно в расплав вводят Bi и Pb в концентрациях соответственно, 2,4·10¹⁹, 10²⁰ и 8· 10¹⁸, 2·10¹⁹см^-3 (соотношения концентраций Pb и Bi были равны 1:3 и 1:5). Были выращены кристаллы из раствора, содержащие Se 1·10¹⁹ см^-3 и Si 5·10¹⁸ + Ge 2·10¹⁹ см^-3 (прототип). Концентрация Se в первых кристаллах была в 1,7 раза больше, чем у прототипа. П р и м е р 6. Выращивают монокристаллы GaAs методом Чохральского из-под флюса В₂O₃ с избыточным давлением Ar 0,7 атм. на стандартной установке. Шихта состоит из поликристаллического GaAs стехиометрического состава. Температурный градиент на фронте кристаллизации 40-50 град/см. Направление выращивания (100), а диаметр монокристаллов ≥60 мм. Скорость выращивания 1,5 см/ч, а скорость вращения кристалла и тигля составляют соответственно 10 15 и 5 об/мин. В шихту вводят In и Bi с концентрациями соответственно 15^o 10²⁰, 5·10²⁰ и 1·10¹⁹, 5· 10¹⁹см^-3 (соотношение концентрации Bi и In 1:15 и 1:10). Выращивают один монокристалл из расплава, содержащего In - 5·10²⁰см^-3. Из полученных монокристаллов по их длине вырезают три пластины толщиной 2-3 мм. Первую сразу после выхода монокристалла на диаметр, вторую из середины, а третью на 2 см выше конца монокристалла. На пластинах методом Ван-дер-Пау измеряют m, концентрация носителей заряда и r в 9 точках. Травление для определения Nd осуществляют по стандартной методике (ТУ 48-4-276-82). Выращивают один монокристалл из шихты с поликристаллическим GaAs и c Bi, концентрация которого 7·10¹⁹см^-3. Результаты измерения представлены в таблице. П р и м е р 7. Выращивают монокристаллы GaAs, как в примере 6. Шихта из поликристаллического GaAs содержит избыток Ga 50,5 ат. по сравнению со стехиометрическим составом. В шихту дополнительно вводят Bi и In с концентрациями соответственно 1 ·10¹⁹, 2·10¹⁹ и 3·10¹⁹, 1·10²⁰см^-3 (соотношение концентраций Bi и In 1:3 и 1:5). Измерения свойств проводили, как в примере 6. Результаты представлены в таблице. П р и м е р 8. Выращивают монокристаллы GaAs, как в примере 6. Шихта из поликристаллического GaAs содержит избыток As 50,2 50,8 ат. остальное - Ga. Дополнительно вводят In и Bi с концентрацией соответственно 1·10¹⁹, 5· 10¹⁸ и 8·10¹⁹, 7,5·10¹⁹ (соотношение концентраций In и Bi 1:8 и 1:15). Результаты измерений, выполненных, как в примере 6, представлены в таблице. П р и м е р 9. Выращивают монокристаллы GaAs из шихты с избытком Ga 1,0 ат. (запредельная концентрация 51% Ga и 49 ат. As), в остальном шихта, как в примере 8. Результаты измерения свойств представлены в таблице. П р и м е р 10. Выращивают монокристаллы GaAs, как в примере 6. Концентрация дополнительно введенных In 1,4· 10¹⁹, Bi - 7·10¹⁷см^-3 (соотношение концентраций Bi:In 1:20). Результаты измерений представлены в таблице. П р и м е р 11. Выращивали монокристаллы GaAs, как в примере 6. Концентрация дополнительно введенных In 6· 10²⁰, Bi - 3·10²⁰см^-3 (соотношение концентрация Bi:In 1:2). Как видно из таблицы и результатов измерений, приведенных в описаниях примеров, пленки и кристаллы соединений, выращенные из расплавов или растворов, содержащих дополнительно введенные элементы, имеют совершенную кристаллическую структуру. Использование предлагаемого способа получения полупроводниковых соединений обеспечивает следующие преимущества: уменьшается концентрация кластеров на 2 3 порядка, а в некоторых случаях они вообще отсутствуют; повышается скорость роста пленки в 1,2 3 раза; снижается плотность дислокаций на 3 порядка, а в некоторых случаях дислокации не выявлялись.

Формула изобретения

Способ получения монокристаллических полупроводниковых соединений на основе А³В⁵ путем выращивания из жидкой фазы с добавкой двух элементов, отличающийся тем, что, с целью снижения плотности дислокаций и повышения совершенства кристаллической структуры, в качестве дополнительных элементов используют In и/или Bi в сочетании с одним из элементов ряда Cd, In, Bi, Si, Pb, в концентрациях каждого 10¹⁸ 5 · 10²⁰ см^-3 при соотношении концентраций двух выбранных элементов 1 (3 15).

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---