RU2638575C1 - Method of producing semiconductor structures by liquid phase epitaxy with high uniformity on thickness of epitaxial layers - Google Patents
Method of producing semiconductor structures by liquid phase epitaxy with high uniformity on thickness of epitaxial layers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2638575C1 RU2638575C1 RU2016143593A RU2016143593A RU2638575C1 RU 2638575 C1 RU2638575 C1 RU 2638575C1 RU 2016143593 A RU2016143593 A RU 2016143593A RU 2016143593 A RU2016143593 A RU 2016143593A RU 2638575 C1 RU2638575 C1 RU 2638575C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thickness
- growth
- epitaxial
- liquid phase
- substrates
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 title claims description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 25
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 14
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 7
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 13
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical group [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 6
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 3
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MDPILPRLPQYEEN-UHFFFAOYSA-N aluminium arsenide Chemical compound [As]#[Al] MDPILPRLPQYEEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B19/00—Liquid-phase epitaxial-layer growth
- C30B19/06—Reaction chambers; Boats for supporting the melt; Substrate holders
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/02546—Arsenides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/02623—Liquid deposition
- H01L21/02625—Liquid deposition using melted materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/02623—Liquid deposition
- H01L21/02628—Liquid deposition using solutions
-
- H01L21/208—
-
- H01L21/2085—
Landscapes
- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам получения методом жидкофазной эпитаксии многослойных полупроводниковых структур.The invention relates to electronic equipment, in particular to methods for producing multilayer semiconductor structures by the method of liquid phase epitaxy.
В современной оптоэлектронике в качестве материала для мощных излучателей видимого и ближнего ИК-диапазона традиционно используют многопроходные эпитаксиальные гетероструктуры на основе твердых растворов GaAs-AlGaAs, полученные методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ). Также, в последнее время, и в области силовой электроники, имеет место тенденция все более широкого применения p-i-n структур GaAs, выращенных методом ЖФЭ, взамен обычно используемого кремния.In modern optoelectronics, multipass epitaxial heterostructures based on GaAs-AlGaAs solid solutions obtained by liquid-phase epitaxy (LPE) are traditionally used as a material for high-power visible and near-IR emitters. Also, in recent times, and in the field of power electronics, there is a tendency for an increasingly widespread use of p-i-n GaAs structures grown by LPE, instead of commonly used silicon.
Конструкция многопроходных структур содержит в себе набор пассивных слоев, отдельная толщина которых достигает 70 микрон. Рабочий слой p-i-n-структур может достигать толщины порядка 120 микрон. В связи с этой особенностью возникают дополнительные требования по однородности эпитаксиальных слоев в вертикальном и радиальном направленияхт (по площади структуры).The design of multi-pass structures contains a set of passive layers, the individual thickness of which reaches 70 microns. The working layer of p-i-n structures can reach a thickness of about 120 microns. In connection with this feature, additional requirements arise for the homogeneity of epitaxial layers in the vertical and radial directions (over the area of the structure).
Важнейшую роль в процессе ЖФЭ играют технологические параметры: температура начала эпитаксии, интервал роста, скорость охлаждения системы и тип устройства, в котором происходит эпитаксиальное наращивание слоев структуры.The technological parameters play the most important role in the LPE process: the temperature of the onset of epitaxy, the growth interval, the cooling rate of the system, and the type of device in which epitaxial growth of the structure layers occurs.
Во многих из известных способов получения многослойных эпитаксиальных структур методом жидкофазной эпитаксии используют вертикальное расположение подложек с ростовым каналом одинаковой ширины по всей высоте ростовой ячейки. В ходе эпитаксиального выращивания слоя вследствие температурного и концентрационного градиента в ростовом канале развиваются процессы конвекции, в результате которых происходит массоперенос основного кристаллообразующего компонента - мышьяка из нижней части канала в верхнюю часть. Вследствие этого, в верхней части структуры толщина эпитаксиального слоя значительно превышает его толщину в нижней части. Эта разница может достигать значительных величин в зависимости от ширины ростового канала и температурно-временного режима эпитаксиального процесса. Различие толщин эпитаксиальных слоев приводит к сильной неоднородности основных электрофизических параметров по площади структуры.Many of the known methods for producing multilayer epitaxial structures by liquid phase epitaxy use a vertical arrangement of substrates with a growth channel of the same width over the entire height of the growth cell. During epitaxial growth of the layer, convection processes develop in the growth channel due to the temperature and concentration gradient, which result in mass transfer of the main crystal-forming component - arsenic from the lower part of the channel to the upper part. As a result of this, in the upper part of the structure, the thickness of the epitaxial layer significantly exceeds its thickness in the lower part. This difference can reach significant values depending on the width of the growth channel and the temperature-time regime of the epitaxial process. The difference in the thicknesses of the epitaxial layers leads to a strong heterogeneity of the main electrophysical parameters over the area of the structure.
В частности, при получении p-i-n-структур GaAs, вследствие разброса толщин высокоомной i-области по площади пластины, неоднородность значений основного электрофизического параметра - обратного пробивного напряжения может достигать критических значений - более 30%.In particular, when obtaining GaAs p-i-n structures, due to the spread of the thickness of the high-resistance i-region over the plate area, the heterogeneity of the values of the main electrophysical parameter - reverse breakdown voltage can reach critical values - more than 30%.
В случае излучающих структур данный фактор может приводить к сильному разбросу глубины залегания р-n-перехода, суммарной толщины структуры в верхней и нижней части, что сильно влияет на параметр выходной оптической мощности.In the case of radiating structures, this factor can lead to a strong spread in the depth of the pn junction, the total thickness of the structure in the upper and lower parts, which greatly affects the parameter of the output optical power.
Наиболее полно диффузионные и конвекционные процессы в эпитаксиальной системе GaAs-GaAlAsc вертикальным расположением подложек описаны в работе The physical processes occurring during liquid phase epitaxial growth. Journal of Crystal Growth 27 (1974) 35-48M. B. SmallandI. Crossley.The most complete diffusion and convection processes in the GaAs-GaAlAsc epitaxial system with the vertical arrangement of substrates are described in The physical processes occurring during liquid phase epitaxial growth. Journal of Crystal Growth 27 (1974) 35-48M. B. Smalland I. Crossley
Наиболее близким к заявленному техническому решению является метод и устройство для жидкофазной эпитаксии (US, патент 5366552, опубл. 22.11.1994) с вертикальным расположением подложек, в котором для подавления влияния конвекции на толщину эпитаксиального слоя используется вращающийся держатель подложек. Вращение подложкодержателя в растворе-расплаве приводит к перемешиванию и гомогенизации жидкости.Closest to the claimed technical solution is a method and apparatus for liquid phase epitaxy (US Patent 5366552, publ. 11/22/1994) with a vertical arrangement of substrates, in which a rotating holder of substrates is used to suppress the effect of convection on the thickness of the epitaxial layer. The rotation of the substrate holder in the molten solution leads to mixing and homogenization of the liquid.
Основным недостатком данного метода и устройства является невозможность получения многослойных структур, вследствие отсутствия в конструкции механизма для смены растворов-расплавов, что не позволяет выращивать целые классы структур для оптоэлектроники и силовой электроники с последовательным набором эпитаксиальных слоев.The main disadvantage of this method and device is the impossibility of obtaining multilayer structures, due to the lack of a mechanism for changing molten solutions in the design, which does not allow growing entire classes of structures for optoelectronics and power electronics with a sequential set of epitaxial layers.
На Фиг. 1 представлены экспериментальные зависимости толщины эпитаксиальной структуры, полученной в графитовом устройстве с вертикальным расположением подложек с постоянной шириной ростового канала для различных условий роста. При этом использованы следующие обозначения: 1 - ширина ростового канала - 3,2 мм; 2 - ширина ростового канала - 2,5 мм.In FIG. Figure 1 shows the experimental dependences of the thickness of the epitaxial structure obtained in a graphite device with a vertical arrangement of substrates with a constant width of the growth channel for various growth conditions. The following notation was used: 1 - the width of the growth channel is 3.2 mm; 2 - the width of the growth channel is 2.5 mm.
Например, для случая, обозначенного на фиг. 1 кривой 1, p-i-n-структуру GaAs выращивали на подложках диаметром 50 мм в температурном интервале 900-850°С при ширине ростового канала 3,2 мм и скорости охлаждения 0.25°С/мин. Как следует из приведенных данных, толщина в верхней части структуры составляет 100 мкм и превышает толщину в нижней части на 39 мкм, а зависимость толщины эпитаксиального слоя от координаты по высоте имеет линейный характер. При этом толщина i-слоя в верхней части структуры составляет 40 мкм и превышает толщину в нижней части на 10 мкм. Обратное пробивное напряжение (Vb) связано линейной зависимостью с толщиной (Wi) высокоомного i-GaAs слоя и для случая линейного перехода определяется соотношениемFor example, for the case indicated in FIG. 1 of curve 1, the GaAs pin structure was grown on substrates with a diameter of 50 mm in the temperature range 900–850 ° C with a growth channel width of 3.2 mm and a cooling rate of 0.25 ° C / min. As follows from the above data, the thickness in the upper part of the structure is 100 μm and exceeds the thickness in the lower part by 39 μm, and the dependence of the thickness of the epitaxial layer on the coordinate along the height is linear. Moreover, the thickness of the i-layer in the upper part of the structure is 40 μm and exceeds the thickness in the lower part by 10 μm. The reverse breakdown voltage (V b ) is linearly related to the thickness (W i ) of the high-resistance i-GaAs layer and, for the case of a linear transition, is determined by the relation
где Em - критическое электрическое поле.where E m is the critical electric field.
Соответственно, в верхней части структуры обратное пробивное напряжение составляет 780 В, а снижение обратного пробивного напряжения от верхней к нижней части пластины достигает значений 200 В, что неприемлемо для силовых диодов.Accordingly, in the upper part of the structure, the reverse breakdown voltage is 780 V, and a decrease in the reverse breakdown voltage from the upper to the lower part of the plate reaches 200 V, which is unacceptable for power diodes.
В условиях жидкофазной эпитаксии в узком ростовом канале эпитаксиальный рост происходит в режиме диффузионного массопереноса в горизонтальном направлении. В более узком канале будет происходить рост более тонкого слоя. Таким образом, за счет создания ростового канала переменной ширины можно скомпенсировать конвективный массоперенос мышьяка из нижней части канала в верхнюю часть.Under the conditions of liquid-phase epitaxy in a narrow growth channel, epitaxial growth occurs in the horizontal diffusion mode of mass transfer. In a narrower channel, a thinner layer will grow. Thus, by creating a growth channel of variable width, the convective mass transfer of arsenic from the lower part of the channel to the upper part can be compensated.
В модели полного высаживания толщина (d) эпитаксиального слоя GaAs определяется соотношениемIn the complete planting model, the thickness (d) of the GaAs epitaxial layer is determined by the relation
где l - ширина ростового канала;where l is the width of the growth channel;
Мтв и ρтв - молекулярная масса и плотность твердой фазы;M TV and ρ TV - molecular weight and density of the solid phase;
Мж и ρж - средняя молекулярная масса и плотность жидкой фазы;M W and ρ W - the average molecular weight and density of the liquid phase;
xAs(Тн) и xAs(Тк) - атомные доли мышьяка в жидкой фазе при начальной и конечной температурах роста.x As (T n ) and x As (T k ) are the atomic fractions of arsenic in the liquid phase at the initial and final growth temperatures.
Расчетная толщина эпитаксиального слоя для приведенных выше условий роста составляет 80 мкм, что с погрешностью 10% соответствует экспериментально полученной толщине в центральной части структуры.The calculated thickness of the epitaxial layer for the above growth conditions is 80 μm, which corresponds to an experimentally obtained thickness in the central part of the structure with an error of 10%.
Поскольку толщина эпитаксиального слоя прямо пропорциональна ширине ростового канала, то чтобы скомпенсировать разницу толщин в 19,5 мкм относительно центральной части структуры, при прочих равных условиях, необходимо уменьшить ширину ростового канала вверху на 0,8 мм и увеличить внизу на ту же величину. Эти изменения соответствуют отклонению подложки от вертикального расположения на угол ϕ≈0,9°. Для случая, обозначенного на фиг. 1, кривая 2, p-i-n-структуру GaAs выращивали на подложках диаметром 50 мм в температурном интервале 900-850°С при ширине ростового канала 2,5 мм и скорости охлаждения 0.25°С/мин. Толщина в верхней части структуры составила 75 мкм и превышала толщину в нижней части на 25 мкм. Соответственно, для выравнивания толщины структуры в данном случае угол отклонения подложки от вертикального расположения должен составить ϕ≈0,6°.Since the thickness of the epitaxial layer is directly proportional to the width of the growth channel, in order to compensate for the thickness difference of 19.5 μm relative to the central part of the structure, ceteris paribus, it is necessary to reduce the width of the growth channel at the top by 0.8 mm and increase below by the same amount. These changes correspond to the deviation of the substrate from the vertical arrangement at an angle ϕ≈0.9 °. For the case indicated in FIG. 1, curve 2, the p-i-n structure of GaAs was grown on substrates with a diameter of 50 mm in the temperature range 900–850 ° C with a growth channel width of 2.5 mm and a cooling rate of 0.25 ° C / min. The thickness in the upper part of the structure was 75 μm and exceeded the thickness in the lower part by 25 μm. Accordingly, to equalize the thickness of the structure in this case, the angle of deviation of the substrate from the vertical location should be ϕ≈0.6 °.
В результате может быть получено соотношение, определяющее зависимость угла отклонения ϕ от разницы толщин (Δd) эпитаксиального слоя, получаемого при строго вертикальном расположении подложек диаметром D:As a result, a relationship can be obtained that determines the dependence of the deviation angle ϕ on the thickness difference (Δd) of the epitaxial layer obtained with a strictly vertical arrangement of substrates with a diameter D:
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании ростовой ячейки, обеспечивающей переменную ширину ростового канала с сужением к верхней части.The technical problem to which the invention is directed is to create a growth cell that provides a variable width of the growth channel with a narrowing to the upper part.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в обеспечении компенсации нежелательного массопереноса основного кристаллообразующего компонента - мышьяка в вертикальном направлении, что приводит к повышению однородности толщины эпитаксиальных слоев по площади структуры и, соответственно, основных технических или электрофизических характеристик получаемых эпитаксиальных структур.The technical result achieved by the implementation of the developed method is to compensate for the undesirable mass transfer of the main crystal-forming component - arsenic in the vertical direction, which leads to an increase in the uniformity of the thickness of the epitaxial layers over the area of the structure and, accordingly, the main technical or electrophysical characteristics of the resulting epitaxial structures.
Для достижения указанного технического результата предложен способ получения полупроводниковых структур методом жидкофазной эпитаксии с высокой однородностью по толщине эпитаксиальных слоев.To achieve the technical result, a method for producing semiconductor structures by the method of liquid phase epitaxy with high uniformity in the thickness of the epitaxial layers is proposed.
Разработанный способ включает использование герметичной ростовой камеры, группу подложек, закрепленных в ней попарно и вертикально, рост слоя, на которых осуществляют подачей расплава снизу, причем применяют стационарную камеру роста с переменной шириной ростового канала по высоте с определенным углом отклонения от вертикали ϕ.The developed method includes the use of a sealed growth chamber, a group of substrates fixed in it in pairs and vertically, the growth of the layer on which the melt is supplied from below, and a stationary growth chamber with a variable height of the growth channel along the height with a certain angle of deviation from the vertical ϕ is used.
Обычно угол отклонения от вертикали ϕ определяют в зависимости от конкретных условий эпитаксиального выращивания согласно соотношениюTypically, the vertical angle ϕ is determined depending on the specific conditions of epitaxial growth according to the ratio
где Δd - разница толщин эпитаксиального слоя между верхней и нижней частями структуры;where Δd is the difference in the thickness of the epitaxial layer between the upper and lower parts of the structure;
D - диаметр подложек;D is the diameter of the substrates;
Мтв и ρтв - молекулярная масса и плотность твердой фазы;M TV and ρ TV - molecular weight and density of the solid phase;
Мж и ρж - средняя молекулярная масса и плотность жидкой фазы;M W and ρ W - the average molecular weight and density of the liquid phase;
xAs(Тн) и xAs(Тк) - атомные доли мышьяка в жидкой фазе при начальной и конечной температурах роста.x As (T n ) and x As (T k ) are the atomic fractions of arsenic in the liquid phase at the initial and final growth temperatures.
При этом используют камеру роста с вертикальным зазором переменной ширины (фиг. 2), для этого варианта использованы следующие обозначения: 3 - камера роста, 4 - подложки GaAs, расположенные лицом друг к другу.In this case, a growth chamber with a vertical gap of variable width is used (Fig. 2); for this option, the following notation is used: 3 — growth chamber, 4 — GaAs substrates located facing each other.
Таким образом, основным техническим преимуществом данного способа по сравнению с прототипом является достижение однородности толщины получаемых эпитаксиальных слоев по площади структуры и, как следствие, улучшение технических или электрофизических характеристик эпитаксиальных структур и возможность формирования многослойной структуры за один эпитаксиальный процесс.Thus, the main technical advantage of this method compared to the prototype is the achievement of uniformity of the thickness of the obtained epitaxial layers over the area of the structure and, as a result, improvement of the technical or electrophysical characteristics of epitaxial structures and the possibility of forming a multilayer structure in one epitaxial process.
Предложенный способ был использован для получения p-i-n-структур GaAs для силовых диодов и многослойных многопроходных гетероструктур для мощных излучателей видимого и ближнего ИК-диапазона.The proposed method was used to obtain GaAs p-i-n structures for power diodes and multilayer multipass heterostructures for high-power visible and near-IR emitters.
Пример 1.Example 1
Получение p-i-n-структур GaAs для силовых диодов.Obtaining p-i-n-GaAs structures for power diodes.
Технология получения p-i-n-структур состоит в наращивании p-i-n-композиции из двух растворов-расплавов.The technology for producing p-i-n structures consists in building up the p-i-n composition from two solution-melts.
Первый для выращивания буферного слоя между подложкой и основным p-i-n-слоем (с концентрацией носителей в интервале 1016-1017 см-3). Второй для выращивания непосредственно p-i-n-области расплава с выходом на концентрацию носителей заряда в конце слоя, находящуюся в интервале 5⋅1014-5⋅1015 см-3.The first is for growing a buffer layer between the substrate and the main pin layer (with a carrier concentration in the range of 10 16 -10 17 cm -3 ). The second is to directly grow the pin region of the melt with reaching the concentration of charge carriers at the end of the layer, which is in the range 5⋅10 14 -5⋅10 15 cm -3 .
Для этой цели проводили загрузку галлия, компонентов шихты и подложек GaAsp+-типа проводимости диаметром 50 мм (позиция 4 на фиг. 2) в ростовое графитовое устройство. Средняя ширина ростового канала (позиция 3 на фиг. 2) в средней части составляла 3,2 мм, при этом угол отклонения от вертикали составлял 0,9°. Таким образом, ширина ростового канала в нижней части составляла 4,0 мм, а в верхней части - 2,4 мм.For this purpose, gallium, charge components, and GaAsp + -type conductivity substrates with a diameter of 50 mm were loaded (
В кварцевом реакторе в атмосфере водорода с точкой росы около -80°С выполняли предварительный отжиг расплавов галлия с дополнительными примесями (гомогенизацию) для растворения всех компонентов шихты в расплавах и образования растворов-расплавов требуемого состава в течение 90 мин при температуре 940°С и потоке водорода через реактор 3 л/мин, после чего систему охлаждали до температуры 910°С, при которой первый раствор-расплав приводили в контакт с подложками GaAs р+-типа проводимости и начинали кристаллизацию буферного эпитаксиального слоя р+-типа проводимости толщиной 8-11 мкм путем принудительного охлаждения ростовой системы. Затем при температуре 900°С производили смену растворов-расплавов. Из второго раствора-расплава выращивали основной p-i-n-слой до температуры 850°С. После этого систему охлаждали до комнатной температуры. Графитовое устройство разгружали, полученные структуры химически отмывали от остатков раствора-расплава по стандартной технологии.In a quartz reactor in a hydrogen atmosphere with a dew point of about -80 ° C, preliminary annealing of gallium melts with additional impurities (homogenization) was performed to dissolve all charge components in the melts and form solution-melts of the required composition for 90 min at a temperature of 940 ° C and flow hydrogen through a reactor of 3 l / min, after which the system was cooled to a temperature of 910 ° C, at which the first melt solution was brought into contact with GaAs substrates of p + type conductivity and crystallization of the buffer epitaxial layer p + -type of conductivity with a thickness of 8-11 microns by forced cooling of the growth system. Then, at a temperature of 900 ° C, the solution-melts were changed. From the second melt solution, the main p-i-n layer was grown to a temperature of 850 ° C. After that, the system was cooled to room temperature. The graphite device was unloaded, the resulting structures were chemically washed from the remnants of the melt solution using standard technology.
На полученных эпитаксиальных структурах проводили измерение общей толщины структуры, толщины i-области. Также из полученных эпитаксиальных структур GaAs были изготовлены чипы с использованием стандартных методов фотолитографии, травления, напыления и вжигания контактов. Измерения обратного пробивного напряжения приборов проводили в непрерывном режиме при комнатной температуре (20°С). Результаты проведенных измерений приведены в таблице 1.The obtained epitaxial structures were used to measure the total thickness of the structure, the thickness of the i-region. Chips were also made from the obtained GaAs epitaxial structures using standard methods of photolithography, etching, sputtering, and contact burning. Measurements of the reverse breakdown voltage of the devices were carried out continuously at room temperature (20 ° C). The results of the measurements are shown in table 1.
Таким образом, разница в общей толщине эпитаксиального слоя между верхней и нижней частями структуры составила около 10 мкм при средней толщине 84 мкм. Разница в толщине i-слоя составила около 2,5 мкм при средней толщине 37 мкм. Разница в величине обратного напряжения составила всего 44 В, что оставляет 6% от средней величины 720 В, что полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к однородности этого параметра для силовых диодов.Thus, the difference in the total thickness of the epitaxial layer between the upper and lower parts of the structure was about 10 μm with an average thickness of 84 μm. The difference in the thickness of the i-layer was about 2.5 μm with an average thickness of 37 μm. The difference in the value of the reverse voltage was only 44 V, which leaves 6% of the average value of 720 V, which fully meets the requirements for the uniformity of this parameter for power diodes.
Получить однородные характеристики по всей площади эпитаксиальной структуры при строго вертикальном расположении подложек не удается (фиг. 1), поскольку толщина в верхней части структуры значительно превышает толщину в нижней части структуры. В этом случае разброс обратного пробивного напряжения от верхней к нижней части пластины достигает значений 200 В, что неприемлемо для силовых диодов.It is not possible to obtain uniform characteristics over the entire area of the epitaxial structure with a strictly vertical arrangement of the substrates (Fig. 1), since the thickness in the upper part of the structure is much greater than the thickness in the lower part of the structure. In this case, the spread of the reverse breakdown voltage from the upper to the lower part of the plate reaches 200 V, which is unacceptable for power diodes.
Пример 2.Example 2
Получение многослойных гетероструктур AlGaAs для светоизлучающих диодов.Obtaining multilayer AlGaAs heterostructures for light-emitting diodes.
Предварительно взвешивали компоненты исходной шихты. Содержание в растворе-расплаве арсенида галлия и алюминия определяли из расчета диаграммы состояния Ga-Al-As. Проводили загрузку галлия, компонентов шихты и подложек GaAs р+-типа проводимости в графитовую кассету прокачного типа с вертикальным расположением подложек и переменной шириной ростового канала. Средний зазор между подложками был выбран 2.5 мм. В кварцевом реакторе в атмосфере водорода с точкой росы около -80°С выполняли предварительный отжиг расплавов галлия с дополнительными примесями (гомогенизацию) для растворения всех компонентов шихты в расплавах и образования растворов-расплавов требуемого состава в течение 90 мин при температуре 1020°С и потоке водорода через реактор 2 л/мин, после чего систему охлаждали до температуры 1000°С, при которой первый раствор-расплав приводили в контакт с подложками GaAs р+-типа проводимости и начинали кристаллизацию эпитаксиального слоя AlxGa1-xAs состава х=0,6 р-типа проводимости, легированного цинком, с концентрацией носителей около 5⋅1017 см-3, путем принудительного охлаждения ростовой системы со скоростью около 0,3°С/мин. Затем при температуре 905°С производили смену растворов-расплавов. Из второго раствора-расплава выращивали активную область светодиода GaAs р-типа проводимости, легированную цинком, с концентрацией носителей около 5⋅1016 см-3 до температуры 904°С, путем принудительного охлаждения ростовой системы со скоростью около 0.1°С/мин, где опять производили смену растворов-расплавов. Из третьего раствора-расплава выращивали слой AlxGa1-xAs состава х=0,6n-типа проводимости, легированный теллуром, с концентрацией носителей около 1⋅1018 см-3, путем принудительного охлаждения ростовой системы со скоростью около 0,6°С/мин до температуры 600°С. После этого эпитаксию прекращали, систему охлаждали до комнатной температуры. Графитовую кассету разгружали, структуры отмывали от остатков раствора-расплава по стандартной технологии.The components of the initial charge were pre-weighed. The content of gallium and aluminum arsenide in the molten solution was determined from the calculation of the Ga – Al – As state diagram. Gallium, charge components, and GaAs p + -type substrates were loaded into a graphite pumping cassette with a vertical arrangement of substrates and a variable width of the growth channel. The average clearance between the substrates was 2.5 mm. In a quartz reactor in a hydrogen atmosphere with a dew point of about -80 ° C, preliminary annealing of gallium melts with additional impurities (homogenization) was performed to dissolve all charge components in the melts and form solution melts of the required composition for 90 min at a temperature of 1020 ° C and flow hydrogen through the reactor 2 l / min, after which the system was cooled to a temperature of 1000 ° C, at which the first solution-melt was brought into contact with GaAs substrates of p + type conductivity and crystallization of the epitaxial layer Al x Ga 1-x As started the rate x = 0.6 of the p-type conductivity doped with zinc, with a carrier concentration of about 5 × 10 17 cm -3 , by forced cooling of the growth system at a rate of about 0.3 ° C / min. Then, at a temperature of 905 ° C, the solution-melts were changed. Zinc-doped GaAs active region of a p-type GaAs LED with a carrier concentration of about 5 × 10 16 cm -3 to a temperature of 904 ° C was grown from the second melt solution by forced cooling of the growth system at a rate of about 0.1 ° C / min, where again, a change of the solution-melts. Tellurium-doped Al x Ga 1-x As layer of composition x = 0.6n type of conductivity was grown from the third melt solution with a carrier concentration of about 1 × 10 18 cm -3 by forced cooling of the growth system at a rate of about 0.6 ° C / min to a temperature of 600 ° C. After this, the epitaxy was stopped, the system was cooled to room temperature. The graphite cartridge was unloaded, the structures were washed from the remnants of the solution-melt according to standard technology.
На полученных эпитаксиальных структурах проводилось измерение толщин каждого из трех эпитаксиальных слоев структуры. Результаты измерений приведены в таблице 2.The thicknesses of each of the three epitaxial layers of the structure were measured on the obtained epitaxial structures. The measurement results are shown in table 2.
Расчетная толщина эпитаксиальных слоев составляла 83,8 мкм для первого слоя, 1,5 мкм для второго и 64,5 мкм для третьего.The estimated thickness of the epitaxial layers was 83.8 μm for the first layer, 1.5 μm for the second and 64.5 μm for the third.
Для сравнения проводили аналогичный процесс, отличающийся тем, что эпитаксию проводили в графитовом устройстве с постоянной шириной ростового зазора. Толщина первого эпитаксиального слоя составила 97,5 мкм в верхней части структуры 80,2 мкм в центральной части и 65,3 мкм в ее нижней части. Толщина второго слоя практически не менялась ввиду малого температурного интервала роста и составила 1,6-1,5 мкм. Третий эпитаксиальный слой имел толщину от 75 мкм в верхней части и 48,2 мкм в нижней части.For comparison, a similar process was carried out, characterized in that epitaxy was carried out in a graphite device with a constant width of the growth gap. The thickness of the first epitaxial layer was 97.5 μm in the upper part of the structure of 80.2 μm in the central part and 65.3 μm in its lower part. The thickness of the second layer practically did not change due to the small temperature range of growth and amounted to 1.6-1.5 microns. The third epitaxial layer had a thickness of 75 μm in the upper part and 48.2 μm in the lower part.
Суммарная толщина структуры выращенной по заявляемому способу составляет 162,7 мкм вверху и 143,5 мкм внизу структуры.The total thickness of the structure grown by the present method is 162.7 μm at the top and 143.5 μm at the bottom of the structure.
Суммарная толщина структуры выращенной с постоянной шириной ростового зазора составила 174,1 и 115,0 мкм в верхней и нижней части соответственно.The total thickness of the structure grown with a constant width of the growth gap was 174.1 and 115.0 μm in the upper and lower parts, respectively.
Из полученных в обоих процессах эпитаксиальных структур были изготовлены инфракрасные диоды с использованием стандартных методов фотолитографии, травления, напыления и вжигания контактов. Результаты измерения электрофизических характеристик излучающих диодов показали, что приборы, полученные из эпитаксиальных структур выращенных с использованием ростового зазора переменной толщины, имеют лучшие показатели по следующим параметрам.From the epitaxial structures obtained in both processes, infrared diodes were made using standard methods of photolithography, etching, sputtering, and contact burning. The results of measuring the electrophysical characteristics of emitting diodes showed that devices obtained from epitaxial structures grown using a growth gap of variable thickness have the best performance in the following parameters.
Мощность излучения, мВт/ср:Radiation power, mW / sr:
- с переменной шириной - 1,3-1,4;- with a variable width - 1.3-1.4;
- с постоянной шириной - 1,4-0,95.- with a constant width - 1.4-0.95.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016143593A RU2638575C1 (en) | 2016-11-08 | 2016-11-08 | Method of producing semiconductor structures by liquid phase epitaxy with high uniformity on thickness of epitaxial layers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016143593A RU2638575C1 (en) | 2016-11-08 | 2016-11-08 | Method of producing semiconductor structures by liquid phase epitaxy with high uniformity on thickness of epitaxial layers |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2638575C1 true RU2638575C1 (en) | 2017-12-14 |
Family
ID=60718585
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016143593A RU2638575C1 (en) | 2016-11-08 | 2016-11-08 | Method of producing semiconductor structures by liquid phase epitaxy with high uniformity on thickness of epitaxial layers |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2638575C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2818517C1 (en) * | 2023-10-12 | 2024-05-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" | Method of producing through epitaxial channels in silicon wafers |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5366552A (en) * | 1991-06-14 | 1994-11-22 | Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. | Apparatus for liquid-phase epitaxial growth |
| RU1306175C (en) * | 1985-01-28 | 1995-02-27 | Алексанов Алексей Егорович | Device for liquid-phase epitaxy |
| JP2001114591A (en) * | 1999-10-20 | 2001-04-24 | Sharp Corp | Liquid phase epitaxial growth device |
| US7449065B1 (en) * | 2006-12-02 | 2008-11-11 | Ohio Aerospace Institute | Method for the growth of large low-defect single crystals |
| US20120027646A1 (en) * | 2009-04-17 | 2012-02-02 | Srinivas Yarlagadda | Reaction Chamber of an Epitaxial Reactor and Reactor That Uses Said Chamber |
| RU2515316C1 (en) * | 2013-04-22 | 2014-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Ме Га Эпитех" | Device for liquid phase epitaxy of multilayer semiconductor structures |
-
2016
- 2016-11-08 RU RU2016143593A patent/RU2638575C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU1306175C (en) * | 1985-01-28 | 1995-02-27 | Алексанов Алексей Егорович | Device for liquid-phase epitaxy |
| US5366552A (en) * | 1991-06-14 | 1994-11-22 | Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. | Apparatus for liquid-phase epitaxial growth |
| JP2001114591A (en) * | 1999-10-20 | 2001-04-24 | Sharp Corp | Liquid phase epitaxial growth device |
| US7449065B1 (en) * | 2006-12-02 | 2008-11-11 | Ohio Aerospace Institute | Method for the growth of large low-defect single crystals |
| US20120027646A1 (en) * | 2009-04-17 | 2012-02-02 | Srinivas Yarlagadda | Reaction Chamber of an Epitaxial Reactor and Reactor That Uses Said Chamber |
| RU2515316C1 (en) * | 2013-04-22 | 2014-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Ме Га Эпитех" | Device for liquid phase epitaxy of multilayer semiconductor structures |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2818517C1 (en) * | 2023-10-12 | 2024-05-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" | Method of producing through epitaxial channels in silicon wafers |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7566641B2 (en) | Low etch pit density (EPD) semi-insulating GaAs wafers | |
| Brozel et al. | Direct observation of fine structure in the concentration of the deep donor [EL2] and its correlation with dislocations in undoped, semi‐insulating GaAs | |
| US8361225B2 (en) | Low etch pit density (EPD) semi-insulating III-V wafers | |
| US20230407522A1 (en) | Low etch pit density 6 inch semi-insulating gallium arsenide wafers | |
| US20080264332A1 (en) | Method, system, and apparatus for doping and for multi-chamber high-throughput solid-phase epitaxy deposition process | |
| JP6749309B2 (en) | Compound semiconductor wafer and photoelectric conversion element | |
| US4012242A (en) | Liquid epitaxy technique | |
| US20200190697A1 (en) | Low Etch Pit Density Gallium Arsenide Crystals With Boron Dopant | |
| WO2018179567A1 (en) | Compound semiconductor and method for producing single crystal of compound semiconductor | |
| RU2668661C2 (en) | METHOD OF PRODUCING MULTILAYER EPITAXIAL P-I-N STRUCTURE BASED ON GaAs-GaAlAs COMPOUNDS BY METHOD OF LIQUID-PHASE EPITAXY | |
| RU2638575C1 (en) | Method of producing semiconductor structures by liquid phase epitaxy with high uniformity on thickness of epitaxial layers | |
| Wang et al. | Lead telluride-lead tin telluride heterojunction diode array | |
| Krukovskyi et al. | Features of low-temperature GaAs formation for epitaxy device structures | |
| JPH08501656A (en) | Manufacturing method and application of intrinsic layer | |
| RU2297690C1 (en) | Method for manufacturing superconductor heterostructure around a3b5 compounds by way of liquid-phase epitaxy | |
| RU2610388C2 (en) | Method of simultaneous production of p-i-n structure of gaas with p, i and n area in one epitaxial layer | |
| RU2639263C1 (en) | METHOD OF PRODUCING MULTILAYER HETEROEPITAXIAL STRUCTURES IN AlGaAs SYSTEM BY LIQUID-PHASE EPITAXY METHOD | |
| RU2727124C1 (en) | Method of producing low-alloy layer of gaas by liquid-phase epitaxy | |
| Becla | Advanced infrared photonic devices based on HgMnTe | |
| Liu et al. | Reduction of threading dislocation density in sputtered Ge/Si (100) epitaxial films by continuous-wave diode laser-induced recrystallization | |
| RU2515316C1 (en) | Device for liquid phase epitaxy of multilayer semiconductor structures | |
| US20230416941A1 (en) | Method and system for vertical gradient freeze 8 inch gallium arsenide substrates | |
| Higgins et al. | History of the “Detector Materials Engineering” Crystal Growth Process for Bulk Hg 1− x Cd x Te | |
| Adamiec et al. | LPE growth of Hg1-xCdxTe heterostructures using a novel tipping boat | |
| D'HAENENS et al. | The performance of gyrator and leapfrog inductorless filters, using integrated circuits. GM ROBERTS. DJ CREASEY and |