SE432032B - Sett att odla en epitaxiell film med forutbestemd kemisk sammansettning med anvendning av molekylarstrale-epitaxi - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 legeringsämnen i med varandra jämförbara mängder, och dessa måste kontrolleras så att koncentrationsförhâllandet stämmer på 1 procent när för att man skall kunna framställa ett gitter-anpassat epitaxi- ellt skikt på ett lämpligt substrat. Användning av skilda ugnar för två eller flera ämnen som måste förefinnas i ett visst koncentrations- förhâllande har som resultat givit en betydande variation i förhål- landet ifråga över ytan och i tjockleksled genom hela det framställ- da skiktet, detta som resultat av olika rumslig fördelning av strå- larna från ugnarna och fluktuationer i ugnarnas önskade temperaturer.

Uppfinningen hänför sig till ett sätt för molekylar-stråle- epitaxi vilket löser de problem med vilka de tidigare kända metoderna varit förknippade. Detta ästadkommes genom att man oberoende av var- andra upphettar inställbara förutbestämda mängder av legeringsämnen i samma ugn. Mängderna bestämmes empiriskt genom att man mäter ång- tryoken för ämnena vid ugnens driftstemperatur och därefter beräknar det utgångsmaterial-mängdförhâllande som kommer att ge det önskade flödesförhâllandet vid driftstemperaturen.

Bifogade ritning, som har en enda figur, visar ett horisontal- snitt genom en anordning för genomförande av uppfinningen.

Det i figuren visade vakuum-kärlet 1 är en rostfri stålklock- behållare som innesluter en typisk molekylar-strâle-anordning som an- vänds vid tillämpningen av uppfinningen. Anordningen liknar den som är beskriven i de ovannämnda patentskrifterna och är välkänd för en fackman; En Varian-sampelhållare 2 som är anordnad för att kunna vridas kring en vertikal axel är placerad i vakuumbehållarens mitt.

Samtliga delar av sampelhållaren som är utsatta för uppvärmníng.er- sattes med Mo eller Ta, detta för att möjliggöra.upphettning av sam- peln medelst värmeelementen H till den erforderliga dríftstemperatu- ren uppgående till ungefär 500°C. Under drift var substraten monte- rade på Mo-sampel-block 3, 2,5 cm x 2,5 om och 3 mm tjocka, och upp- värmdes medelst värmeelementet R. Atomstrålarna för framställning av den epitaxiella filmen går ut från ugnarna 5, 5' och 5", vilka är cylindriska till formen, 5 cm långa och 1 cm i diameter, väsentligen bestående av ett skruvlinje-lindat Ta-värmeelement som ínnesluter en pyrolys-degel av bor-nitrid (renhetsgrad 99,999 procent). Ett fler- tal skikt av 1,27 x 10-3 Ta-folie är lindad på utsidan av varje ugn såsom en värmesköld. Värmeelement- och stödkonstruktionen är helt och hållet utförd av Ta eller Mo. vänds för att vid behov blockera den utgående strâlen. är inneslutna i ett hölje 6 som har en allmänt sett cylindrisk form Varje ugn har en slutare som an- Dessa ugnar 10 15 20 25 30 35 H0 'ljuset 18 övervakas genom öppningen 15. och som är kylt med flytande kväve. En guldpläterad kopparnos-kon 6' är fäst vid höljet 6 för att begränsa strålspridningen från huvud- ugnarna 5, 5' och 5". Dessa ugnar drivs vid relativt höga temperatu- rer, 800-900°C när det gäller metaller eller vanligen förekommande För ämnen som kräver lägre temperaturer, exempelvis P, an- Dessa ugnar, som har hög kapacitet dopämnen. vänds hjälpugnar 7 och 7'. (20 cma), har A1-kroppar med inbäddade värmeelement och en separat uppvärmd keramisk nosdel 8, 8', som är riktad mot substratet. Hjälp- ugnarna har även guldpläterade kopparskärmar'9 vilka är fästa vid nos- konen 6' av det kväve-kylda höljet och vilka används för att begränsa strålspridningen från dessa ugnar.

Ett flertal olika diagnostiska hjälpmedel är anordnade för över- vakning av strålarnas sammansättning och strömningstakt. Elektron- kanonen 10 emitterar en elektronstràle med 1 mm diameter, 3 kev, vil- ken i sned vinkel infaller mot den film som är under odling. Det som resultat erhållna reflexions-elektrondiffraktionsmönstret (RED) över- vakas på en fosforskärm 11 med en diameter av 10,16 cm. Mönstret på skärmen används för övervakning av yt-kristallstrukturen före och un- der odling. En sampelhållare 2 kan vara lägesplacerad i förhållande till det läge som är angivet med streckade linjer där en analysator typ Auger med cylindrisk spegel (CMA) 12 används för att bestämma yt- stökiometrin och för att detektera störämnen i så ringa mängd som 0,1 procent på ytan. En 3 keV förstoftningskanon 13 är monterad ovanför nämnda CMA i 150 vinkel från vertikallinjen så att sampeln kan utsät- tas för förstoftning under det att ett Auger-spektrum upptages. I typiska fall utföres förstoftning vid 3 keV med en strömtäthet av 2/uA/cm2 Ar+. _ För att göra det möjligt att observera jämnheten av det epitaxi- ella skiktet under odling, infaller en laserstråle 17 mot skiktet, Det diffusa (ej speglade) Den infallande strålen vilken strâle kommer genom öppningen 1H. åstadkommes med en 6328Å He-Ne-laser (ej visad) och underkastas in- termittent brytning vid en frekvens av 90 Hz. Det diffusa ljuset de- tekteras medelst en fotomultiplikator och en lås-förstärkare (ej vi- sad). Denna teknik gav extrem känslighet för varje ändring i ytjämn- heten och utgjorde den optimala realtid-övervakningsanordningen för skiktkvalitên.

En fyrpolig precisions-mass-analysator 16 (UTI modell 100C, marknadsförd av Uthe Technology International, Sunnyvale, Kalifor- nien 94806) användes för att övervaka partialtrycken i systemen och 10 15 20 25 30 35 40 strålflödena före och efter en odlingsprocess. Analysatorns geo- metriska axel är ungefär vinkelrät mot de inkommande strålarna så att kalíbreringen ej kommer att ändras som resultat av att elementen be- lägges. En anordning för att intermittent bryta strâlen (vilken an- ordning ej är visad) är placerad i systemet framför analysatorn så att faskänslighetsmetoder kan användas. I typiska fall kan man de- tektera sa små dopämnesflöden som några få miljondelar.

Med den ovan beskrivna anordningen har uppfinningen tillämpats, varvid man erhållit GayIn1 As med y = 0,H7, vilket innebär noggrann gitteranpassning till det InP-substrat på vilket skiktet ifråga är odlat. Ga och In placerades i samma ugn, så att y-värdet noggrant kunde kontrolleras.

Substraten för det epitaxiella skiktet av GaInAs utgjordes av (100)- och (TTT)-ytorna av InP. Substraten var indium-lödda vid ett molybden-sampelblock och kemiskt polerade till spegelfinhet på en dextilose-pappersbit som var indränkt med svag brom-metanol-lösning.

Sampelblocket infördes därefter omedelbart i MBE~systemet vilket pum- pades och underkastades mild värmebehandling (150°C) över natten så att man fick ett typiskt bastryck av 1 x 10-9 torr eller därunder.

Efter det att sampelblocket hade befunnit sig vid rumstemperatur över natten, uppvärmdes detsamma till 365°C, och substraten förstoftnings- etsades under ca 5 minuter i argon vid ett tryck av 6,65 x 10_u Pa vid 3 keV och'vid en strömtäthet av ca 5 /uA/omg. Efter denna för- stcftnings-rengöring värmebehandlades samplerna vid 365°C under minst en timme bakom en slutare (ej visad) vilken skärmade substraten från de direkta käll-flödena. käll-ugnarna till driftstemperatur, och flödena injusterades till de önskade värdena. Käll-flödena övervakades med en fyrpol-massanaly- sator 16 (UTI modell 10OC) som var så placerad att den vid varje tid- punkt hade direkt sikt till käll-ugnarna. Ett "hackar-hjul" för in- termittent brytning och slutning (ej visat) är placerat mellan käll- ugnarna och mass-analysator-joniseringsburen, och synkrondetektering används för att förbättra signal/brus-förhållandet i mass-analysatorn.

Odlingen av det epitaxiella skiktet initieras genom att man höjer sampel-temperaturen till 510°C (typiskt värde för GaInAs) och däref- Under värmebehandlingsperioden uppvärmdes ter öppnar sampel-slutaren. _ Det har empiriskt visats att ett massförhâllande mellan gallium och indium uppgående till 10:1 i ugnen ger de approximativt lika stora flöden som erfordras för en gitter-anpassad sammansättning i det od- lade skiktet. Ångtrycket för gallium varierar något snabbare med 10 15 20 25 30 35 H0 temperaturen än vad som är fallet för indium, varför temperaturänd~ ring är ett sätt att finavstämma flödesförhållandet (parametern Y).

Denna egenskap hos den gemensamma Ga-In-källan används i praktiken för inställning av förhållandet mellan Ga och In så att en noggrann Inställningsomrâdet är begränsat genom ändringarna i tillväxttakten. Vid en käll-temperatur av 800°C ökar t.ex. flödesförhàllandet mellan gallium och indium med ungefär 0,5 procent/OC under det att de individuella flödena för gallium och in- dium ökar med en hastighet av ungefär 3 procent/°C.

Den erforderliga blandningen 10:1 för gallíum och indium inne- bär att endast en relativt liten mängd In kommer att förefinnas i den gemensamma källan. Om käll-volymen är liten kommer In-utarmning i källan under film-odlingen att leda till olikformighet i filmens Våra standard-ugnsdeglar rymmer ungefär 1,5 cma in- lagt material. I detta fall har man vid en tillväxttakt av 0,8 /um/h observerat att Ga/In-flödesförhållandet ökat 2,5 procent/timme gitteranpassning erhålles. sammansättning. till följd av indium-utarmning. Vid en från början gitteranpassad Ga In1_yAs-film innebär denna ökning att y kommer att variera från 0,470 till 0,476 från den understa till den översta delen av en 2 /um tjock film. Man kan emellertid kompensera även denna lilla ändring i Ga/In-förhållandet genom att sänka källtemperaturen grad- vis i enlighet med vad som ovan beskrivits. Dessutom kan inverkan av In-utarmning givetvis göras försumbar genom att man avsevärt ökar käll-volymen. .

För att man skall kunna odla ternära skikt med noggrant bestämd sammansättning är det en i det närmaste oundgänglig förutsättning att man har ett tillförlitligt medel att mäta flödesförhållandet Ga/In före och under odlingen. Den nämnda UTI-massanalysatorn kan med öns- kat resultat användas för detta ändamål, under förutsättning att den används på ett korrekt sätt. Under odling av ett skikt av GaInAs används ett bakgrundstryck av storleksordningen 1,33 - 10'u Pa As i vårt MBE-system. Förekomsten av ett As-tryck av denna storlek in- verkar på flera sätt på massanalysatorns prestanda. För det första ökas den grundläggande känsligheten hos analysatorn för varje givet mass-tal, men ökningens storlek är en funktion av mass-talet. Om så- lunda flöden av Ga (M = 69) och In (M = 115) mätes medelst analysa- torn, kommer det erhållna ström-förhållandet ißg/i115 att vara en funktion av As-bakgrundstrycket. För det andra har vi observerat tillfälliga, abrupt uppträdande ändringar i den grundläggande käns- ligheten hos analysatorn, vilka ändringar äger rum utan märkbar orsak. 10 15 20 25 30 35 H0 Lyckligtvis förefaller dessa abrupta känslighetsändringar att vara oberoende av masstalet och ändrar sålunda ej strömförhållandet isg/i115. Slutligen har vi funnit att inställning av massanalysatorn för avläsning av As-flödet (M = 150 eller M = 75) kommer att medföra att den grundläggande känsligheten undergår en drastisk ändring. Ef- ter en avläsning av As-flödet återgår den grundläggande känsligheten gradvis i riktning mot sitt ursprungliga värde inom en tidsperiod av ungefär en timme. När noggranna Ga/In-flödesmätningar önskas, måste man därför undvika avläsningar av As-flöde.

I praktiken kalibrerades massanalysatorn med avseende på samman- sättningen, y, av GayIn1_yAs-skiktet. Detta utfördes på så sätt att man odlade en serie om fem epitaxiella skikt, varvid varje skikt od- lades på en särskild dags produktion. speciellt värde på y, och sammansättningen varierade från markerat Varje skikt motsvarade ett In-rik, via gitteranpassad, till markerat Ga-rik. Värdet på y för varje skikt bestämdes efter borttagningen från MBE-systemet med an- vändning av ett avsökande elektronmikroskop som var utrustat för genom- förande av noggrann sammansättningsanalys av tunna skikt. Resultatet av detta förfarande var en empirisk kurva som ställer det epitaxiella skiktets y i relation till massanalysatorns strömförhållande isg/i115. Användning av den enda källan innehållande en blandning av Ga och In säkerställer att en dylik kalibrering kan användas för odling av ett skikt av godtycklig sammansättning (t.ex. gitter-anpas- sad sammansättning). Användning av en enda källa säkerställer ej endast att det epitaxiella skiktet kommer att fä en likformíg, väl definierad sammansättning, utan den säkerställer även att massanaly- satorn (som är placerad på en annan plats än det epitaxiella skiktet) kommer att se exakt samma Ga/In-flödesförhållande som det vilket fal- ler in på det epitaxiella skiktet. Detta är ej fallet när man använ- der en särskild källa för Ga och en annan för In. I det sistnämnda fallet kommer ändringar i källornas lägen eller ändringar i smält- konfigurationerna (exempelvis till följd av utarmníng av smältorna eller nybeskickning av ugnarna) att kunna ändra det Ga/In~förhållande som massanalysatorn avkänner i förhållande till det som gäller för det epitaxiella skiktet, och det blir därför omöjligt att kalibrera massanalysatorn på ett tillförlitligt sätt.

En gitter-anpassad InP/GayIn1_yAs/In? dubbel-heterostruktur- sampel odlades med användning av ett InP-substrat och MNE-film för de övriga tvâ skikten. Vid pumpning med en Nd:YAG-laser lasrade dubbel- heterostruktur-kristallen vid omkring 1,H/um med en pump-tröskel som 7 var jämförbar med en GaAs/AlGaAs-lasers. Dessutom applicerades lämp- liga elektriska kontakter på en dylik dubbel-heterostruktur, och las- ring inträffade vid en så låg tröskel som 3,2 Ka/cm? för ett 0,6/um tjockt aktivt skikt av GaYIn1_yAs. Denna tröskel är även den jämför- bar med tröskeln för GaAs/AlGaAs-lasern.

En vidareutveckling av denna metod är användning av tvâ ugnar av vilka var och en innehåller två ämnen. Exempelvis skulle en kva- ternär innehållande två grundämnen ur kolumn III och två från kolumn V vara väl lämpad för denna metodik, varvid grundämnena ur samma ko- lumn befinner sig i samma ugn.

Claims (9)

7900143-4 Patentkrav

1. Sätt att odla en epitaxiell film med förutbestämd kemisk sammansättning med användning av molekylarstrâle-epitaxi, vilket sätt innefattar förfaringsstegen att man beskickar ett flertal i en be- hållare (1) befintliga ugnar (5, 5', 5") med kemiska utgángsmaterial, att man iordningställer ett substrat på en sampelhållare (2), att man evakuerar behållaren (1), att man upphettar substratet och nämnda flertal ugnar till förutbestämda temperaturer, samt att man riktar en atomstråle från var och en av nämnda ugnar mot substratet, varvid en epitaxiell film bildas på substratet av nämnda atomstrâlar, varjämte sättet är kännetecknat av de ytterligare förfaringsstegen att man be- skickar åtminstone en av nämnda flertal ugnar (5, 5', 5") med två le- geringsämnen i ett förutbestämt utgångsmaterial-förhållande, varvid de båda legeringsämnena när de tillföres till flera än en av nämnda ugnar antingen är desamma eller åtminstone delvis olika i de olika sålunda beskiokade ugnarna, samt att man väljer det förutbestämda ut- gångsmaterial-förhållandet för vartdera av de respektive två lege- ringsämnena så att vid uppvärmning av ugnarna atomstrâlarna från var- je sålunda beskickad ugn kommer att alstra respektive legerinasämnen i ett förutbestämt flödesförhàllande vilket avviker från respektive förutbestämda utgângsmaterial-förhållande.

2. Sätt enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att det dessutom innefattar förfaringssteget att man injusterar åtminstone ett av nämnda förutbestämda flödesförhâllanden genom att variera en förutbestämd temperatur för respektive åtminstone en av ugnarna.

3. Sätt enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att man övervakar åtminstone ett av nämnda förutbestämda flödesförhål- landen under odlingen av den epitaxiella filmen.

4. H. Sätt enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a t av att man beskickar nämnda åtminstone en av nämnda flertal ugnar med två legeringsämnen som befinner sig i samma kolumn i grundämnenas pe- riodiska system, vilken kolumn kan vara olika för var och en av nämn- da åtminstone en av ugnarna.

5. Sätt enligt något av kraven 1 - H, k ä n n e t e c k n a t av att man beskickar nämnda åtminstone en av nämnda flertal ugnar med två legeringsämnen vilka befinner sig i samma kolumn i grundäm- nenas periodiska system.

6. Sätt enligt något av kraven 1 - 5, k ä n n e t e c k n a t av att man beskickar åtminstone en annan av nämnda flertal ugnar med två legeringsämnen från en annan kolumn i grundämnenas periodiska system.

7. Sätt enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t av att man beskickar två av nämnda flertal ugnar med respektive kvan- títeter av två olika legeríngsämnen vardera, så att den ena ugnen alstrar en första atomstråle med ett första förutbestämt flödesför- hållande och den andra ugnen alstrar en andra atomstråle som har ett andra förutbestämt flödesförhållande.

8. Sätt enligt något av de föregående kraven, k ä n n e - t e c k n a t av att man beskickar åtminstone en av nämnda flertal ugnar med två legeringsämnen i ett första förutbestämt utgångsmate- rial-förhållande vilket är så valt att atomstrålen från nämnda åt- minstone en av ugnarna innehåller nämnda två legeringsämnen i ett första förutbestämt flödesförhållande vilket avviker från nämnda första förutbestämda utgångsmaterial-förhållande, samt att man obero- ende av varandra injusterar nämnda första förutbestämda flödesförhål- lande genom att variera temperaturen i åtminstone den ena av nämnda flertal ugnar.

9. Sätt enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k- n a t av att man beskickar åtminstone en annan av nämnda flertal ugnar med två olika legeringsämnen, varvid nämnda åtminstone en annan av nämnda flertal ugnar alstrar en andra atomstrâle som har ett andra förutbestämt flödesförhållande, samt att man oberoende av varandra injusterar nämnda andra förutbestämda flödesförhållande genom att va- riera nämnda förutbestämda temperatur i nämnda åtminstone en annan av nämnda flertal ugnar.