способ получения эпитаксиальных структур нитридов элементов группы a³

Формула изобретения

Способ получение эпитаксиальных структур нитридов элементов группы A³ на кристаллических подложках, включающий создание в вакуумной камере в бесстолкновительном режиме одного или нескольких молекулярных потоков, содержащих элементы группы A³, и молекулярного потока аммиака посредством подачи его в вакуумную камеру из газового источника, отличающийся тем, что отношение плотности молекулярного потока аммиака к суммарной плотности молекулярных потоков элементов группы A³ лежит в пределах 100 - 10000.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых соединений типа A³N и может быть использовано при изготовлении эпитаксиальных структур различного назначения, на базе которых изготавливаются полупроводниковые приборы и устройства.

Известен способ получения эпитаксиальных структур нитридов элементов группы A³ на кристаллических подложках, включающий создание в вакуумной камере в бесстолкновительном режиме одного или нескольких молекулярных потоков, содержащих элементы группы A³ и молекулярного потока азота, активированного посредством источника микроволновой плазмы. Активация азота происходит при частоте 2,45 ГГц. В результате активации обеспечивается подача в вакуумную камеру азота в виде атомов, ионов и молекул, см. H.Morkos et. al. "Large-bahd-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technogies", Journal of Applied Physics 76(3), 1 August 1994, p.p 1380-1381.

Недостатками этого способа является низкая скорость роста эпитаксиальных структур (около 50 нм/ч) и присутствие в потоке ионов, что ухудшает качество кристаллической структуры ввиду возникновения значительного количества дефектов.

Известен также способ получения эпитаксиальных структур нитридов элементов группы A³ на кристаллических подложках, включающий создание в вакуумной камере в бесстолкновительном режиме одного или нескольких молекулярных потоков, содержащих элементы группы A³ и молекулярного потока аммиака посредством подачи его в вакуумную камеру из газового источника; отношение плотности молекулярного потока аммиака к суммарной плотности молекулярных потоков элементов группы A³ не превышает 12, см. W. Kim et. al., "Reactive molecular beam epitaxy of wurtzite GaN: Materials characteristics and growth kinetics", Journal of Applied Physics 79(10), 1996, p. 7657-7666.

Данный способ принят за прототип настоящего изобретения. При его реализации повышается качество эпитаксиальной структуры благодаря отсутствию ионной компоненты в потоке и возрастает скорость роста эпитаксиальных структур до 1 мкм/ч.

Однако при указанном выше соотношении потоков аммиака и элементов группу A³ количество вакансий азота в кристаллической структуре остается значительным (наименьшая концентрация, при которой оказалось возможным провести холловские измерения концентрации и подвижности носителей, оценивалась авторами как 110¹⁸ см^-3), что затрудняет получение слоев GaN p-типа. Действительно, для получения p-слоев требуется инвертирование типа проводимости из n- в p - путем введения легирующей компоненты (Mg). В настоящее время методами молекулярно-пучковой эпитаксии достигнуты максимальные концентрации дырок (2 - 4 10⁷см^-3. Как правило, степень компенсации тонких слоев велика. Это означает, что концентрация вакансий азота в слоях GaN должна быть снижена, по крайней мере, до данного уровня легирования. Кроме того, интервал температуры, при котором происходит рост эпитаксиальной структуры, оказывается узким (например для GaN - 730 - 820^oC). Снизу этот интервал ограничен скоростью разложения аммиака, а сверху реиспарением элементов группы A³ с подложки. Реализация процесса в узком температурном интервале затруднительна в технологическом отношении. Аномальные флуктуации температуры вызывают срыв роста эпитаксиальной структуры. Кроме того, для получения кристаллической структуры более высокого качества (с меньшим числом дефектов) следовало бы осуществлять эпитаксиальный рост при температурах, превышающих указанный выше верхний предел. Получаемое при этом способе качество эпитаксиальных структур недостаточно для их применения при изготовлении совершенных опто-электронных приборов, например, полупроводниковых лазеров.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания такого способа получения эпитаксиальных структур нитридов элементов группы A³ на кристаллических подложках, который обеспечивает повышение качества эпитаксиальной структуры, а также скорости ее роста.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе получения эпитаксиальных структур нитридов элементов группы A³ на кристаллических подложках, включающем создание в вакуумной камере в бесстолкновительном режиме одного или нескольких молекулярных потоков, содержащих элементы группы A³, и молекулярного потока аммиака посредством подачи его в вакуумную камеру из газового источника, отношение плотности молекулярного потока аммиака к суммарной плотности молекулярных потоков элементов группы A³ лежит в пределах 100 - 10000.

Заявителю не известны технические решения, идентичные заявленному изобретению, в связи с чем можно сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Реализация отличий заявленного изобретения в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы, обеспечивает новый технический эффект, заключающийся в повышении верхнего предела температурного интервала роста эпитаксиальной структуры, благодаря подавлению реиспарения элементов группы A³ с подложки. Кроме того, при одной и той же температуре роста наблюдается уменьшение дефектов кристаллической структуры.

Заявителю не известны какие-либо источники информации, в которых содержатся сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Это обстоятельство обусловливает, по мнению заявителя, соответствие предложенного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема реализации способа.

В вакуумной камере 1 размещена кристаллическая подложка 2 с нагревателем 3, тигли 4, 5 с элементами группы A³ (в конкретном случае - два тигля), снабженные нагревателями 6 и 7, соответственно. Аммиак подается по магистрали 8 из газового источника (на схеме не показан).

В камере 1 создается вакуум не хуже 10^-4 Па. Затем разогревают кристаллическую подложку 2 с помощью нагревателя 3, подают в вакуумную камеру поток аммиака по магистрали 8. Далее разогревают тигли 4 и 5 посредством нагревателей 6 и 7 и обеспечивают испарение элементов группы A³ для создания молекулярных потоков. На кристаллической подложке 2 происходит рост эпитаксиальной структуры A³N. При этом отношение плотности молекулярного потока аммиака к суммарной плотности молекулярных потоков элементов группы A³ лежит в пределах 100 - 10000.

Если это отношение лежит ниже заданного интервала, то способ реализуется, практически, со всеми недостатками, присущими прототипу. Верхний предел обусловлен возможностями обеспечения бесстолкновительного режима молекулярных потоков.

Пример 1. Выращивают эпитаксиальный слой GaN на подложке монокристаллического -Al₂O₃ (лейкосапфир), ориентированный перпендикулярно направлению <0001>. После отжига подложки в вакуумной камере (исходное давление 5 10^-6Па) при T=800^oC в течение 2 ч открывают поток аммиака (расход 3 л/ч), T= 800^oC, на 15 мин, после этого понижают температуру подложки до 750^oC и открывают источник галлия, предварительно разогретый до 940^oC. Плотность молекулярного потока аммиака на поверхности подложки по отношению к плотности атомарного потока Ga в соответствии с данной геометрией вакуумного объема составляет 180. После выдержки при этих условиях в течение 2 ч закрывают источник галлия и уменьшают температуру подложки до 550^oC, после чего закрывают поток аммиака и охлаждают образец до комнатной температуры. Полученный эпитаксиальный слой GaN толщиной 2,4 мкм имеет зеркальную поверхность, не содержит металлических включений на поверхности, прозрачен.

По данным холловских измерений концентрация носителей в слое составляет 310¹⁷см^-3, проводимость n-типа, что дает оценку сверху для количества вакансий азота - 310¹⁷ см^-3.

Пример 2. Способ аналогичен примеру 1 за исключением того, что выдержку подложки осуществляют под потоком аммиака с расходом 10 л/ч, после этого при температуре подложки 810^oC открывают источник галлия, разогретый до 920^oC и источник алюминия, разогретый до 1050^oC. Плотность молекулярного потока аммиака на поверхности подложки по отношению к плотности суммарного атомарного потока элементов группы A³ (алюминия и галлия) составляет 600. После выдержки 1,5 ч закрывают источники галлия и алюминия, уменьшают температуру подложки до 550^oC. Затем закрывают потока аммиака и охлаждают образец до комнатной температуры. Полученный эпитаксиальный слой AlGaN толщиной 1,6 мкм имеет зеркальную поверхность, прозрачен.

Рентгеновские исследования показывают, что слой содержит Al и Ga в отношении 16:84. По холловским измерениям концентрация носителей - 810¹⁷ см^-3.

Пример 3. Способ аналогичен примеру 1 за исключением того, что источник галлия открывается на 1,5 ч после этого источник галлия закрывается, температура подложки понижается до 660^oC, поток аммиака увеличивается до 150 л/ч, затем открываются источник галлия при T=940^oC и источник индия при T=800^oC на 20 с, затем источник индия закрывается и опять открывается через 1 мин, затем процесс открывания на 20 с и закрывания на 1 мин источника индия повторяется 5 раз, после этого источник окончательно закрывается, поток аммиака уменьшается до 3 л/ч и происходит рост из источников Ga и NH₃ еще в течение 20 мин. Плотность молекулярного потока аммиака на поверхности подложки по отношению к плотности суммарного атомарного потока элементов группы A³ составляет 2500. Окончание процесса то же, что в примере 1.

Получившийся слой толщиной 2,2 мкм прозрачен, имеет слабую сине-зеленую окраску. Фотолюминесцентные исследования показывают два пика краевого межзонного излучения, соответствующие GaN и InGaN с соотношением In к Ga - 10 - 80.

Аналогичные эксперименты, отличающиеся тем, что поток аммиака перед открытием индия не увеличивается, привели к выращиванию слоев, фотолюминесценция которых показывает наличие только краевой полосы GaN, и InGaN не идентифицируется. В экспериментах без увеличения потока аммиака, в которых температура подложки составляла 440^oC во время роста InGaN, получены слои с двумя краевыми полосами (GaN и InGaN), однако резкое увеличение ширин обеих полос (в 2 раза для GaN и в 4 раза для InGaN) показывает ухудшение кристаллического качества слоя.

Заявленное изобретение может быть осуществлено с использованием обычного оборудования и существующих в промышленности материалов, в связи с чем можно сделать вывод о соответствии критерию "промышленная применимость".