Получение варизонного твердого раствора Si1-xGex из жидкой фазы

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 544.35.03                                       

С целью совершенствования технологии получения высококачественных тонких слоев полупроводникового материала методом жидкофазной эпитаксии, с заданными электрофизическими и фотоэлектрическими свойствами, на такую дешевую подложку как кремний, является весьма актуальной.

Авторы [1–3] старались получить структурно совершенные эпитаксиальные слои

Si - ( Si₂ )   ( Ge₂ )_x( GaAs )   Si - Si Ge - ( Ge₇ ). ( GaAs )

Si i ^- x ^Ge x и      гетеропереходы                ² y ²           y ,       ^{1- x   x v   271- x        x} ,

Si ^- Si ¹ — x ^Ge x ^- GaAs на их основе. Для этого они исследовали технологические режимы роста, электрические и фотоэлектрические свойства эпитаксиальных слоев ^Si ^{1 -} x ^Ge x и их структур [4].

В процессе роста из жидкой фазы эпитаксиальных слоев Si1-xGex используются кремниевые подложки, у которых параметр решетки и коэффициент термического расширения (КТР) близки к образующимся эпитаксиальным слоям. Подбирались разные методы и переменный варизонный состав твердого раствора, чтобы избежать дислокаций и микротрещин, а также частичных растворений подложек (при положении не до пересыщенного раствора к компонентам подложки) и т. д.

В этой работе, в результате исследований, использованы апробированные экспериментальные научные методы,, с помощью которых, получены экспериментальные данные. Обычно, при выращивание твердого раствора ^{Si 1 - xGex} используются подложки с определенными наименьшими уклонами во время роста пленок из жидкой фазы, которые способствуют образованию эпитаксиальных слоев на поверхности. Любая поверхность твердого тела имеет определенную шероховатость, поэтому, поверхностная энергия распределяется неравномерно и влияет на выращивание твердого раствора на подложке, а также на образование дислокаций, которые связаны с такими технологическими параметрами, как: температура начала кристаллизации (Т нк ), скорость роста (υ), зазор между подложками (d), состав компонентов в растворе-расплаве, с ориентациями подложек и т. д.

Выращивание производилось из жидкой фазы. В качестве металла-растворителя использовали Pb, Sn. In иGa. Наиболее качественные слои выращивались при использовании Sn.

Подложками служили кремниевые шайбы диаметром 20 мм, с кристаллографической ориентацией (111) и (100), марки КДБ, с удельным сопротивлением 1÷10 Ом ⋅ см.

Эпитаксиальные пленки на кремниевых подложках кристаллографической ориентации (111) росли хорошо, тогда как на подложках с ориентацией (100) росли очень плохо или вообще не росли.

Для выращивания варизонного твердого раствора ^{Si 1 - xGex} (0-2 Pa, затем в течение 20 мин через реактор пропускался очищенный водород, и после этого начинался процесс нагревания. Когда температура доходила до необходимого значения, система переключалась в автоматический режим. В течение 40–60 min производилась гомогенизация раствора-расплава. Потом подложки на графитовом держателе приводились в контакт с раствором-расплавом, и после заполнения зазоров между подложками раствором-расплавом поднимались на 1cm выше уровня раствора. Рост эпитаксиальных слоев ^{Si 1 - xGex} в нужный момент прекращался сливом раствора-расплава с подложек, при помощи центрифуги [5].

Исследование химического состава поверхности и скола выращенных эпитаксиальных слоев Si^{1 -} x Ge x , были проведены на рентгеновском микроанализаторе Jeol JSMLV-1059-Japan. Полученные растровые картины свидетельствовали о почти однородном распределении по поверхности эпитаксиального слоя, и о варизонности твердого раствора по толщине (Рисунок 1). Включения макроскопических дефектов и второй фазы в слоях пленки отсутствуют.

Рисунок 1. Растровые картины Si - Si Ge структур, снятые при помощи Jeol JSMLV-1059-Japan.

Во время выращивания при контакте подложка-раствор-расплав смачивание подложки со стороны раствора и диффузионные движения компонентов, образующих твердый раствор, способствуют росту эпитаксиальных слоев, это приведено нами в работе [6]. Это недостаточно для выращивания структурно совершенных Si Ge эпитаксиальных слоев и гетероструктур на их основе.

Проведя эксперименты, было выяснено: изменяя зазор между подложками “d” (то есть изменяя объем раствора-расплава между подложками), при одинаковом режиме роста, выращенные эпитаксиальные слои на нижних и на верхних подложках не отличались друг от друга, с кристаллическими совершенностями на поверхности и на границе подложки-пленки до d<1,2 mm (Рисунок 2 а, б).

В условиях d≥1,2 mm всегда у верхних подложек образуются толстые и более низкокачественные слои, чем у нижних, которые связаны с диффузионным и с конвекционным потоками компонентов в ограниченном растворе (если плотность растворяемых компонентов меньше плотности растворителя) [7].

Рисунок 2а. Зависимость толщины эпитаксиальных слоев (h) от величины зазора между подложками (d): 1— на верхней, 2 — на нижней подложках, при температуре начала кристаллизации Tнк = 900 °С из оловянного раствора-расплава.

Рисунок 2б. Зависимость разницы толщины верхней и нижней подложки эпитаксиальных слоев (∆h), от зазора между подложками (d) при температуре начала кристаллизации Tнк = 900 °С из оловянного раствора-расплава.

Использовав формулу Эйнштейна-Смолуховского, нами теоретически рассчитано, что во время роста в растворе-расплаве, некоторые атомы успевают объединиться за счет процесса коагуляции (чем больше температура, тем больше число коагуляций) одинаковых компонентов раствора и образуют кластеры размером 1–10 nm. Эти кластеры составляют незначительную часть доли всех растворенных элементов. Ионы участвуя в процессе роста, с наименьшими концентрациями, чем в выращиваемых компонентах не разрушают монокристалличность варизонного твердого раствора [8]. Они, способствуют образованию дислокаций, как на границу подложки-пленки, так вдоль направления роста пленки, и ухудшают кристаллическую совершенность пленок и структур, соответственно — их электрофизические и фотоэлектрические свойства, являющиеся важнейшими параметрами в применении приборостроения.

Учитывая вышеуказанное, можем предположить, что атомы Si и Ge внутри раствора образуют достаточно малое число молекулярных или кластерных соединений, участвующих в кристаллообразовании, и доминируют в процессе увеличения плотности дислокаций. Особенно, на эпитаксиальных слоях пленки, выращенных на верхней подложке, что объясняется результатом силы Архимеда и тяжести, проявляется укрупнением кластера и является незначительной величиной. Хотя там доминирует диффузионный процесс атомов и молекул.

Скопление кластеров, на верхней поверхности растворов, вблизи подложек и беспорядочные диффузионные движения, способствуют их участию во время роста и соответственно образованию дислокаций.

Было исследовано морфология поверхности полученных пленок, с помощью металлографического микроскопа МИМ-8М. Подобран состав травителя (использовались смеси концентрированных плавиковой (HF), азотной (HNO 3 ) и уксусной (CH 3 COOH) кислот в соотношениях 1чHF+3чHNO 3 +4чCH 3 COOH). Для выявления дислокационных ямок травления на плоскости (111) образцы подвергали травлению в растворе, затем травитель разбавляли деионизованной водой и промывали. Для определения плотности дислокаций

(N D ), на каждом послойном образце было сделано 6–7 подсчетов.

Полученные экспериментальные данные показали, что плотность дислокаций (N D )

выращенных полупроводниковых твердых растворов   Si1-xGexзависит  от всех технологических параметров: от температуры роста, скорости принудительного охлаждения, ориентации и чистоты подложек, типа растворителя. Содержание кремния, начиная с границы подложка-пленка Si - Si1-xGex вдоль направления роста уменьшается, соответственно содержание германия увеличивается и таким образом выращиваем варизонные эпитаксиальные слои, у которых ширина запрещенный зоны (∆E) изменяется плавно, начиная от кремния (∆ESi=1.12eV) заканчивая на германии ∆EGe=0.67eV).

Нами были получены, зеркальногладкие эпитаксиальные слои полупроводникового твердого раствора

Si 1 - x Ge x

и определены оптимальные режимы роста для выращивания

кристаллических совершенных

Si 1 - x Ge x

эпитаксиальных слоев из ограниченного оловянного и

галлиевого раствора-расплава на монокристаллических подложках Si с ориентацией.