Установка хлорид-гидридной газофазной эпитаксии для выращивания объемных слоев нитрида галлия

Подавляющее большинство нитридных приборов выпускается в настоящее время на подложках сапфира, кремния или карбида кремния. Подложки объемного нитрида галлия применяются только для структур, требующих высокого кристаллического качества эпитаксиальных слоев. До недавних пор рынок подложек GaN ограничивался производством голубых лазеров. В последние годы номенклатура приборов на объемном GaN, массово производящихся или готовящихся к производству, существенно расширилась — это зеленые лазеры [1], мощные светодиоды [2], вертикальные силовые приборы [3]. Основные методы производства пластин GaN — хлорид-гидридная газофазная эпитаксия (HVPE) и выращивание из раствора: аммонотермальный метод и метод Na-Flux. Метод HVPE позволяет получать эпитаксиальные слои высокой чистоты, вплоть до некомпенсированных полуизолирующих [4], при этом структурное качество таких слоев определяется применяемой стартовой подложкой: при использовании подложки объемного GaN плотность дислокаций в эпитаксиальных слоях не превышает плотности дислокаций в подложке. Методы выращивания из раствора позволяют получать высоколегированные кристаллы с высоким структурным совершенством [5, 6]. Использование таких кристаллов в качестве зародышей для разращивания в HVPE-установке [7] обеспечивает возможность производства кристаллов GaN с концентрацией примесей менее 1014см–3 при плотности дислокаций менее 103 см–2.

Таким образом, промышленные установки для хлорид-гидридной газофазной эпитаксии нитрида галлия востребованы, но на рынке не представле- ны. Нашей целью было создание подобного оборудования.

ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ УСТАНОВКИ

Разработанная нами установка (рис. 1) включает в себя систему подачи газов, реакционную камеру с вакуумным загрузочным шлюзом и устройства очистки отработанных газов.

Реакционная камера — вертикальная, с горячими стенками, температура держателя подложки — до 1200 ºС. Диаметр подложки — 50 мм; неоднородность толщины осаждаемого слоя < 5 %. Скорость эпитаксиального роста GaN — до 400 мкм/ч.

Рис. 1. Установка для выращивания объемных эпитаксиальных слоев GaN

Несколько источников хлоридов (GaCl, AlCl 3 , SiCl 4 , TiCl 4 , BCl 3 ) позволяют в одном процессе с выращиванием GaN наносить слои AlN, BN, TiN, Si 3 N 4 .

В реакционной камере отсутствуют детали сложной формы из кварца и иных хрупких материалов. Наличие вакуумной шлюзовой камеры обеспечивает возможность перезагрузки пластин без остановки реактора.

Система самоочистки реактора позволяет очищать ростовую камеру и держатель подложки без остановки реактора в промежутках между ростовыми процессами, что позволило улучшить воспроизводимость и повысить срок службы элементов ростовой камеры.

Установка приспособлена к продолжительным ростовым процессам и позволяет выращивать слои толщиной до 10 мм и более.

Объемные кристаллы нитрида галлия толщиной 5 мм, выращенные на этой установке, показаны на рис. 2.

а

б

Рис. 2. Кристаллы GaN, выращенные на разработанной установке.

а — в непрерывных ростовых процессах продолжительностью 24 ч получены кристаллы толщиной до 5 мм; б — поверхность полученных кристаллов гладкая, плотность макродефектов на поверхности — менее 5 см–2