Четверные твердые растворы на основе бинарных полупроводниковых материалов (26) и (27).
Ga As + In As + In P + Ga P (28)
Gax In1-x Py As 1-y (29)
В четверных твердых растворах происходит ваимозамена не только атомов металлов, но и атомов металлоидов.
Рис. 33. Плоскость составов х-у для Gax In1-x Py As 1-y при температуре 300 К.
Достоинство: Изменение состава (х и у) позволяет одновременно независимо варьировать ширину запрещенной зоны и параметр решетки полупроводникового кристалла.
Недостаток: С изменением ширины запрещенной зоны и параметра решетки изменяется коэффициент термического расширения (αa).
Достоинство: Изменение состава позволяет одновременно независимо варьировать ширину запрещенной зоны, параметр решетки и коэффициент термического расширения полупроводникового кристалла.
Недостаток: Чрезвычайно высокая сложность подбора составов эпитаксиальных компонент в жидкой, газообразной и «вакуумной» фазе.
На практике не применяется.
Рис. 34. Шкала полупроводниковых материалов перекрывающая шкалу электромагнитного излучения.
Существует три основные технологии эпитаксиального осаждения полупроводниковых материалов на подложку. Различаются типом носителя полупроводникового материала к подложке.
Жидкостная эпитаксия
Газовая эпитаксия из металлорганических соединений и гидридов.
Молекулярно-пучковая эпитаксия.
Жидкостная эпитаксия.
Рис.35. Фазовая диаграмма в системе бинарных соединений АС.
На рис.35 линия ликвидуса на диаграмме равновесия разделяет жидкое (А+С) и твердое АС+жидкое (А) или (С) соответственно состояние. Это состояние называется конгруэнтным плавлением, что означает равновесное состояние между жидким (А+С) и твердым АС и жидким А (в нашем случае металлом). Такой фазовой диаграммой обладает исключительное большинство бинарных полупроводниковых материалов А3В5. Это свойство фазовых диаграмм материалов А3 и В5 является основой метода жидкостной эпитаксии. Равновесие между твердой фазой АС и жидким раствором А + С отображает равенство (27):
А(L) + С(L) = AС(S) (30)
В равновесии изменение энергии Гиббса для этой реакции равно нулю. Это означает равенство химических потенциалов твердой и жидкой фаз, при постоянной температуре и постоянном давлении (28):
μА(Т) + μС(Т) - μАС(Т) = 0 (31)
Однако изменяя равновесие (например температуру) можно осуществить выделение твердой фазы в нашем случае АС. Это свойство и используется в жидкостной эпитаксии для получения твердых растворов полупроводниковых соединений А3В5. Конечно, наибольший интерес представляет фазовая диаграмма тройных твердых растворов Аx В 1-x С. На рис. 35 приведена такая фазовая диаграмма. Большая заштрихованная область показывает составы жидкой фазы тройной системы, которые могут находиться в равновесии с твердой фазой. В этой диаграмме нас интересует разрез А х В 1-х С изопериодический с подложкой арсенида галлия.
Рис. 36. Фазовая диаграмма тройного твердого раствора А х В 1-х С.
T, °C
Жидкая фаза
Жидкая фаза
+ Твердая фаза
Al 1-x Ga x As
Твердая фаза
AlAs GaAs
Рис.37. Фазовая диаграмма тройного твердого раствора А х В 1-х С изопериодического с подложкой.
На рис. 38 Приведено схематическое изображение установки для жидкостной эпитаксии. Внизу располагается температурно - временная шкала позволяющая определить моменты надвигания раствора - расплава на подложку для последовательного осаждения эпитаксиальных слоев из специально приготовленного состава твердого раствора. Процесс эпитаксии проводят в восстановительной атмосфере водорода для исключения процесса окисления. Носителем атомов полупроводникового элемента является расплавленный металл. Температура ликвидуса определяет переход из жидкого состояния в твердое.
Рис. 38. Схема установки жидкостной эпитаксии.
Газовая эпитаксия из металлорганических соединений и гидридов.
Носителем атомов полупроводникового элемента является газообразный водород.
Рис.39. Упрощенная блок-схема установки МОГФЭ (а) и общий вид установки AIXTRON AIX2000/HT (б)
Ниже приведена газовая схема установки МОГФЭ (рис. 33). Гидриды (AsH3, PH3) подаются из баллона посредством потока водорода. Металлы(In,Ga,) и легирующие примеси(Zn) подаются в реактор потоком водорода через барбатеры, содержащие соответствующую металлорганику. Элементы попадают в реактор, где они разогреваются до температуры распада. Затем потоком водорода они доставляются на подложку, где происходит эпитаксиальное осаждение полупроводникового материала в соответствии с заданными концентрациями исходных материалов.
Рис.40. Газовая схема установки МОГФЭ.
Рис. 41. Упрощенная схема установки МОГФЭ с горизонтальным реактором.
Ниже приведены химические реакции, происходящие в установке газофазной эпитакасии с металлорганическими соединениями и гидридами при нагревнии (носителем является водород) (29) и (30):
Ga (CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3 CH4 (32)
In (CH3)3 + PH3 → InP + 3 CH4 (33)
Ниже приведены химические реакции, происходящие в установке газофазной эпитаксии из хлоридных и гидридных соединений при нагревании (носителем является хлор)(31)(32)(33).
2HCl + 2Ga → 2GaCl + H2 (34)
4AsH3 + 6 H2 → 4As + 12 HCl (35)
4As + 4GaCl + 2 H2 = 4GaAs + 4HCl (36)
Молекулярно-пучковая эпитаксия.
Носителем атомов полупроводникового элемента является поток атомов в вакууме.
Рис. 42. Схема установки МПЭ (а) и фотография установки Riber 32P (б)
Вакуум 10-8 -10-10 мм рт. ст.
Нагретая подложка
Поток атомов из нагретого источника.
Атомы мигрируют по поверхности подложки.
Химическая реакция отсутствует.
Малая скорость роста, высокая точность осаждения эпитаксиальных подложек по толщине.
Встроенное измерительное оборудование и возможность контроля параметров эпитаксиального слоя в процессе роста.
