способ получения атомно-гладкой поверхности подложки арсенида галлия

Формула изобретения

Способ получения атомно-гладкой поверхности подложки арсенида галлия, включающий химико-динамическую полировку поверхности подложки в полирующем травителе, содержащем серную кислоту, перекись водорода и воду в течение 8÷10 мин, снятие слоя естественного оксида в водном растворе соляной кислоты до проявления гидрофобных свойств чистой поверхности подложки, промывку в деионизованной воде и сушку в центрифуге, отличающийся тем, что после сушки подложку обрабатывают в парах селена в камере квазизамкнутого объема с образованием слоя селенида галлия при температуре подложки - Т_п=(310-350)°С, температуре стенок камеры - Т_с=(230-250)°С, температуре селена - T_Se=(280-300)°C в течение 3÷10 мин, после чего подложку снова помещают на 10÷15 мин в водный раствор соляной кислоты для стравливания слоя селенида галлия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к способам приготовления атомно-гладких поверхностей подложек полупроводников.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу является химико-динамическая полировка (ХДП) поверхности полупроводника. Самими распространенными полирующими травителями для GaAs являются растворы на основе H ₂SO₄:H₂O ₂:H₂O с соотношением компонентов от 3:1:1 до 30:1:1. После ХДП в этом травителе образец промывают в деионизованной воде и обрабатывают в растворе Н ₂О:HCl=10:1 для снятия слоя естественного оксида, после чего снова промывают в деионизованной воде и затем высушивают в центрифуге. (Физико-химические методы обработки поверхности полупроводников. Б.Д.Луфт, В.А.Перевощиков, Л.Н.Возмилова, И.А.Свердлин, К.Г.Марин.; Под. ред. Б.Д.Луфт. - М.: Радио и связь, 1982. - 136 с., ил.)

Недостаток способа - после полирующей ХДП в растворе Н₂SO₄:Н ₂О:H₂О и обработки в растворе Н ₂O:HCl=10:1 на поверхности арсенида галлия присутствуют неоднородности с масштабом около 15 нм (фиг.1), что не позволяет использовать GaAs в качестве подложки для формирования квантово-размерных систем.

Технической задачей изобретения является получение атомно-гладкой поверхности арсенида галлия с масштабом неоднородности меньше периода решетки.

Техническая задача достигается тем, что в способе получения атомно-гладкой поверхности подложки арсенида галлия, включающем химико-динамическую полировку поверхности полупроводника в полирующем травителе, содержащем серную кислоту, перекись водорода и воду, в течение 8÷10 мин, снятие слоя естественного оксида в водном растворе соляной кислоты до проявления гидрофобных свойств чистой поверхности подложки арсенида галлия, промывку в деионизованной воде и сушку в центрифуге, после сушки подложку обрабатывают в парах селена в камере квазизамкнутого объема с образованием слоя селенида галлия при температуре подложки - Т_п=(310÷350)°С, температуре стенок камеры - Т_с=(230-250)°С, температуре селена - Т_Se=(280÷300)°С в течение 3÷10 мин, после чего подложку снова помещают на 10÷15 мин в водный раствор соляной кислоты для стравливания слоя селенида галлия.

Фиг.1. Топология (а) и сечение поверхности (б) арсенида галлия после ХДП в растворе H₂ SO₄:Н₂О ₂:H₂О=5:1:1.

Фиг.2. Топология (а) и сечение поверхности (б) арсенида галлия после обработки в парах селена с последующим стравливанием слоя Ga ₂Se₃ в растворе Н ₂O:HCl=10:1

Технический результат заключается в достижении поставленной задачи, а именно: получении атомно-гладкой поверхности GaAs с масштабом неоднородности порядка 3Å (фиг.2).

Способ получения атомно-гладкой поверхности подложки арсенида галлия осуществляют следующим образом.

Подложку из арсенида галлия химико-динамически полируют в растворе Н ₂SO₄:Н₂O ₂:Н₂О=5:1:1 в течение 8÷10 мин, затем в растворе Н₂O:HCl=10:1 удаляют слой естественного оксида до проявления гидрофобных свойств чистой поверхности подложки GaAs, после чего подложку промывают в деионизованной воде и высушивают в центрифуге, после этого подложку помещают в камеру квазизамкнутого объема (КЗО), в которой происходит обработка в парах селена при температуре подложки - Т_п =(310÷350)°С, температуре стенок камеры - Т _с=(230÷250)°С, температуре селена - T _Se=(280÷300)°С в течение 3÷10 мин. Температура измеряется с помощью хромель-алюмелевых термопар, установленных в соответствующих зонах камеры.

По данным, полученным с помощью исследования данных структур в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) Hitachi H-800, установлено, что при указанных выше параметрах обработки на поверхности арсенида галлия образуется псевдоморфный относительно подложки слой Ga₂ Se₃, ориентированный в направлении [110]. Толщина пленки Ga₂Se₃ (110), оцененная из эллипсометрических измерений на приборе ЛЭФ-3М, составила (7÷12) нм.

Механизм роста пленки Ga₂Se₃ (110) на поверхности GaAs (100), по мнению авторов следует рассматривать в рамках двух обуславливающих друг друга механизмов:

- образование Ga₂Se₃ в результате гетеровалентного замещения мышьяка в решетке арсенида галлия на селен (адсорбированный на поверхности образца) по реакции:

- сверхстехиометричные для Ga ₂Se₃ атомы галлия, высвободившегося после протекания реакции (1) оказываются на поверхности образца, где «стекаются» в ямки, образовавшиеся после ХДП арсенида галлия, и участвуют в образовании Ga₂Se ₃, непосредственно реагируя с селеном по реакции:

Эта реакция обеспечивает 2-й механизм формирования селенида галлия в процессе термического отжига GaAs в парах селена. Слой Ga₂Se₃, образовавшийся по первому механизму, растет внутрь поверхности GaAs, в то время как по второму - наружу.

После обработки в парах селена полученный образец выдерживают в растворе Н₂ О:HCl=10:1 в течение 10÷15 мин для стравливания слоя Ga ₂Se₃. Отсутствие селенида на поверхности арсенида галлия после данной обработки контролировалось с помощью рентгеноспектрального микроанализа, а также по увеличению высоты барьера ( _b) диодов Шоттки Al/GaAs, рассчитанной из вольт-амперных характеристик (ВАХ), до величины, соответствующей значению _b на исходной (не обработанной в селене) поверхности.

Способ поясняется примером.

Для эксперимента выбрали n - GaAs (100) марки АГЧ-25а (N _d˜10¹⁶ см^-3 ), поверхность которого химико-динамически полировалась в растворе H₂SO₄:Н ₂О₂:H₂О=5:1:1 в течение 10 мин, а затем в течение 5 мин выдерживалась в растворе H₂O:HCl=10:1, после чего подложка промывалась в деионизованной воде и высушивалась в центрифуге.

Исследование топологии полированной поверхности GaAs проводилось с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) NT-MDT Solver Pro. Полученное изображение приведено на фиг.1.

Затем образец помещался в камеру квазизамкнутого объема (КЗО), где в течение 5 мин происходила обработка в парах селена в следующем технологическом режиме: температура подложки из GaAs - Т_п=330°С, температура стенок камеры - Т_с=235°С, температура селена - Т_Se=280°С.

Образование на поверхности исследуемого GaAs (100) псевдоморфного слоя Ga₂Se₃, (110) было обнаружено с помощью исследования полученного образца в режиме микродифракции в ПЭМ Hitachi H-800 при ускоряющем напряжении 200 кВ, а также по снижению рассчитанной из ВАХ высоты барьера ( _b) в сформированном на обработанной в селене поверхности арсенида галлия диоде Шоттки Al/Ga ₂Se₃/GaAs до величины 0,5 эВ. Толщина пленки Ga₂Se₃ (110), оцененная из эллипсометрических измерений на приборе ЛЭФ-3М, составила 10 нм.

На последнем этапе пленка Ga ₂Se₃ (110) удалялась с поверхности подложки GaAs (100) травлением в течение 10 минут в растворе Н₂О:HCl=10:1. Отсутствие пленки Ga ₂Se₃ зафиксировано с помощью рентгено-спектрального микроанализа, а также по увеличению _b диода Шоттки до величины 0,75 эВ, что соответствует случаю формирования диода на не обработанной в селене поверхности GaAs.

Предложенный способ позволяет получить атомно-гладкую поверхность подложки арсенида галлия с масштабом неоднородности порядка 3Å (фиг.2), что дает возможность использовать данные подложки для конструирования нанообъектов с помощью эффектов самоорганизации.