SU646389A1

SU646389A1 - Method of epitaxial growing of semiconductor monocrystals with composition gradient

Info

Publication number: SU646389A1
Application number: SU752157007A
Authority: SU
Inventors: Эллин Петрович Бочкарев; Феликс Аронович Гимельфарб; Олег Евгеньевич Коробов; Алла Наумовна Лупачева; Вадим Николаевич Маслов
Priority date: 1975-08-12
Filing date: 1975-08-12
Publication date: 1979-02-05

Description

(54) СПОСОБ ЭПИТАКСИАЛЬНСГО НАРАЩИВАНИЯ ПОЛУПРСВОДНИКОВЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ С ГРАДИЕНТОМ СОСТАВА(54) METHOD OF EPITAXIAL EXTENSION OF SEMI PRESCIPLES OF MONO CRYSTALS WITH A GRADIENT OF COMPOSITION

Изобретение относитс к области технологий полупроводниковых материалов н предназначено дл нспользовани на предпри ти х электронной промышленности. Полупроводниковые монокристаллы с изменением ширины запрещенной зоны в одном из направлений (варнзонные полупроводники ) выращивают различными способами . Известные способы основаны на изменении режимов процесса выращивани из газовой фазы, например, создают переменный во времени состав газовой фазы путем перемещени в высокотемпературной зоне ампулы с загрузкой исходных материалов, содержащей два исходных вещества и смесь этих веществ между ними . Наиболее близким техническим решением вл етс способ эпнтаксиального наращивани полупроводниковых монокристаллов с градиентом состава в одном направлении вдоль поверхности с химическим переносом .вещества через газовую фазу из близкорасположенного нсточника, имеюш.его градиент состава в одном направлении вдоль его поверхности {2|. Недостатком известного способа вл етс невозможность получени эпитаксиальных слоев с градиентом состава в плоскости роста с хорошей структурой в случае, когда параметры кристаллической решетки наращиваемого полупроводника сильно отличаютс от параметров кристаллической решетки подложки. Цель предлагаемого изобретени - повышение совершенства кристаллической структуры и морфологии эпитаксиального сло . Дл этого осуществл ют перемещение источника относительно поверхности подложки путем программного, например, равномерного поступательного движени нсточника относительно поверхности подложки, начина с подведени к подложке участка источника , обеспечиваюшего рост эпитаксиального сло с параметрами, наиболее близкими к параметрам подложки, например, начина с арсенида галли при наращивании твердого раствора GaAs-GaP на подложке арсенида галли , до момента полного перекрыти подложкой поверхности источника, после чего продолжают наращивание эпитаксиального сло из неподвижного источника.The invention relates to the field of semiconductor materials technology and is intended for use in enterprises of the electronics industry. Semiconductor single crystals with a change in the width of the forbidden zone in one of the directions (varnzonnye semiconductors) are grown in various ways. The known methods are based on changing the modes of the growing process from the gas phase, for example, they create a time-varying gas phase composition by moving an ampoule in the high-temperature zone with loading raw materials containing two raw materials and a mixture of these substances between them. The closest technical solution is the method of expanding semiconductor single crystals with a composition gradient in one direction along the surface with chemical transfer through the gas phase from a nearby source, having a composition gradient in one direction along its surface {2 |. A disadvantage of the known method is the impossibility of obtaining epitaxial layers with a composition gradient in the growth plane with a good structure in the case when the lattice parameters of the expandable semiconductor differ greatly from the lattice parameters of the substrate. The purpose of the present invention is to improve the perfection of the crystal structure and morphology of the epitaxial layer. To do this, move the source relative to the substrate surface by programmatically, for example, uniform translational movement of the source relative to the substrate surface, starting from bringing the source section to the substrate, ensuring the growth of the epitaxial layer with parameters closest to the substrate parameters, for example build-up of a solid solution of GaAs-GaP on a substrate of gallium arsenide, until the moment the substrate completely overlaps the substrate, and then continue to Growing the epitaxial layer from a stationary source.

33

Согласно предлагаемом способу источик , состав которого измен етс вдоль поверхпости в направлении одной из координат , помещают перед началом процесса наращивани пне зоны подложки, затем наращивают переходный слой переменного состава путем перемещенн источника параллельно поверхности подложки, начина с обасти источника, из которой растет материал с параметрами крнсталлической решетки наи- jg более близкими к параметрам подложки,According to the proposed method, the source, whose composition varies along the surface in the direction of one of the coordinates, is placed before the start of the process of increasing the substrate zone, then the transition layer of variable composition is increased by moving the source parallel to the substrate surface, starting from the source from which the material with parameters the grille is the closest to the substrate parameters,

Перемевдение источннка относителыга подложки осуйюствл ют в 11аправле11йн, противоположном градиенту состава в источнике . После перемещени источника, т. е. после наращивани переходного сло , имею- 15 щего градиент состава как в направлении роста, так н вдоль поверхности роста, провод т наращивание зпитаксиальиого сло с градиентом состава поповерхности роста из неподвижного источника. При этом подложка полностью перекрывает поверхность источника .с градиентом состававдоль одной из координат. Remapping of the source relative to the substrate is made in a 11-direction opposite to the composition gradient in the source. After moving the source, i.e., after the buildup of the transition layer, having a composition gradient both in the growth direction and along the growth surface, the formation of the opticial layer with the gradient composition of the growth surface from the stationary source is carried out. In this case, the substrate completely overlaps the surface of the source. With a gradient composed along one of the coordinates.

Дл дополнительного улучшени качества перед выращиванием переходного сло на поверхность подложки можно нарастить 25 буферный слой путем увеличени размера первой зоны источника, заполненной материалом , наиболее близким по кристаллоструктурным параметрам к материалу подложки , на величину, равную по площади поверхности подложки.To further improve the quality, before growing the transition layer onto the surface of the substrate, it is possible to increase the 25 buffer layer by increasing the size of the first source zone filled with the material that is closest in crystal structure parameters to the substrate material by an amount equal to the surface area of the substrate.

Фиг. 1 иллюстрирует процесс наращивани варизонного сло ; на фиг. 2 - эпитаксиальна структура, выращенна в результате использовани предлагаемого способа.FIG. 1 illustrates the process of growing the graded-gap layer; in fig. 2 - epitaxial structure grown as a result of using the proposed method.

На фиг. 1 а, б прин ты следующие обозначени : I - подложка; 2 - составной источник; 3 - дополнительна зона источника однородного состава (CaAs), наиболее близкого к подложке; 4 - источник переменного состава; 5 - блок-держатель источника,FIG. 1 a, b, the following notation is adopted: I - substrate; 2 - compound source; 3 — an additional zone of the source of homogeneous composition (CaAs) closest to the substrate; 4 - source of variable composition; 5 - block holder source

На фиг. 2. изображен буферный слой.6; 40 переходной слой 7 с градиентом состава в двух направлени х; собственно варизонный эпнтаксиальный слой 8.FIG. 2. shows a buffer layer; 40 transition layer 7 with a gradient composition in two directions; The actual graded epnaxial layer 8.

Таким образом, гроцесс наращивани варизонного сло складываетс из трех этапов: наращивание в течение времени TI бу- фер ого сло (фиг. 1,а); наращивание переходного сло в течение времени тг переходного сло переменного состава в двух направлени х из перемещающегос составного источника переменного состава (-фиг. 1,а ); 5Q наращивание собственно варизонного сло в течение времени та из неподвижного источника переменного состава (фиг. 1,6).Thus, the growth process of the graded-gap layer consists of three stages: the build-up during the time TI of the buffer layer (Fig. 1, a); the buildup of the transition layer during the time of the transition layer of variable composition in two directions from the moving composite source of variable composition (-Fig. 1, a); 5Q build-up of the graded-gap layer during the time that of a stationary source of variable composition (Fig. 1.6).

Согласно предлагаемому способу выращивание эпитаксиальной структуры с градиентом состава в плоскости роста эпитак- 55 сиальногб сло производ т при использовании твердого источника с градиентом состава по поверхности, скомпоиоваииого в графитовом блоке с фрезерованным углублениемAccording to the proposed method, an epitaxial structure with a composition gradient in the growth plane of the epitaxial layer is grown using a solid source with a composition gradient over the surface composited in a graphite block with a milled groove

6-163896-16389

на рабочей поверхности блока плон1адью 14x20 мм и глубиной 2 мм. Сторона 20 мм ориентирована вдоль направлени , персмеН1е и . Источник по поверхности имеет посто нный градиент 3 мол%/мм. Температура подложки - 940°С, температура источника 980°С, Реакци протекает в атмосфере водорода с парами воц.ы.On the working surface of the block, the frame is 14x20 mm and 2 mm deep. The side of 20 mm is oriented along the direction, perspecte and. The surface source has a constant gradient of 3 mol% / mm. The temperature of the substrate is 940 ° C, the temperature of the source is 980 ° C, the reaction proceeds in an atmosphere of hydrogen with vapor of wooc.

Процесс начинают с подведени к .новархноста подложки на близкое рассто ние зоны источника, наиболее близкой по составу к подложке, т. е. его «арсенидного кра . Скорость перемещени источника вдоль подложки составл ет 15-60 мм/час. Врем движени источника, оно же врем паращиваил переходного сло - 15- 60 мин.The process begins with the approach to the substrate of the substrate at a close distance of the source zone closest in composition to the substrate, i.e. its "arsenide edge." The speed of moving the source along the substrate is 15-60 mm / hour. The time of movement of the source, it is the time of the paraschivil of the transition layer - 15- 60 min.

Как только поверхность источника с градиентом оказываетс полностью перекрыта поверхностью подложки, неремещение прекращают . Далее производ т процесс наращивани еобстпенно «варизоннСго сло С градиентом состава по поверхности.As soon as the surface of the source with the gradient is completely covered by the surface of the substrate, non-displacement is stopped. Further, the process of building up the "graded-gap" layer With a composition gradient over the surface is carried out.

Таким образом выращены соверщенные эпитаксиальные слои с градиентом состава в плоскости роста. Рентгеноспектральные исследовани на приборе YXA-ЗА подтвердили наличие градиента состава по поверхности , а также наличие градиента состав в направлении роста в переходном слое, а также изменение толщины переходного сло .Thus, perfect epitaxial layers with a composition gradient in the growth plane are grown. X-ray spectroscopic examinations on a YXA-ZA instrument confirmed the presence of a composition gradient over the surface, as well as the presence of a composition gradient in the growth direction in the transition layer, as well as a change in the thickness of the transition layer.

Дл сравнени необходимо отметить, что структура участков эпитаксиальной пленки .(5С градиентом состава в плоскости роста, выращенной при использовании статического источника с градиентом состава по поверхности, начина с составов ,10 (т.е. с содержанием мол%), ухудшаетс с увеличением содержани gaP, ив области, соответствующей ,3 (т. е. 30 мол% gtaP), эпитаксиальный слой становитс пористым, рыхлым , граница раздела подложка-варизонный слой непланарна , зубчата . Наличие переходного сло 1,олностью устран ет резкие переходы от кристаллоструктурных параметров подложки к параметрам варизонного сло и ослабл ет св занные с этими переходами сильные деформационные напр жени в приграничных област х подложки и эпитаксиального сло .For comparison, it should be noted that the structure of epitaxial film sections (5C compositional gradient in the growth plane grown using a static source with a compositional gradient over the surface, starting with compositions 10, i.e., with a content of mol%), deteriorates with increasing content gaP, and in the region corresponding to 3 (i.e., 30 mol% gtaP), the epitaxial layer becomes porous, loose, the interface between the substrate and the graded-gap layer is non-planar, toothed. The presence of the transition layer 1 completely eliminates abrupt transitions from the crystal parameters of the substrate to the parameters of the graded-gap layer and weakens the strong deformation stresses associated with these transitions in the border regions of the substrate and the epitaxial layer.

Claims

The advantages of the proposed method are the possibility of obtaining epitaxial layers with a compositional gradient in the growth plane with perfect morphology and structure of the starting materials, at least one of which has crystal lattice parameters substantially different from those of the substrate material on which the deposition is made. The proposed method is npoct and reliable. The additional movement operation is carried out with the help of an RD-5 electric motor with a gearbox, and does not require any significant changes in the design and apparatus design of the installation. The proposed method can be used on installations suitable for cutting epitaxial layers according to the method of interchangeable sources. The invention of the method of epitaxial growth of semiconductor single crystals with a composition gradient in one direction along the surface with chemical substance transfer through the gas phase from a closely spread source having a composition gradient in one direction along its surface, in order to increase the perfect crystalline structure and epitaxial morphology layer, moving the source relative to the substrate surface by means of a program, for example, uniform translational motion of the source along the substrate surface, starting from bringing the source section to the substrate, ensuring the growth of the epitaxial layer with parameters closest to the substrate parameters, for example, starting with gallium arsenide when the GaAs-GaP solid solution grows on the gallium arsenide substrate, until it completely overlaps substrate surface of the source, after which the epitaxial layer continues to grow onto the fixed sources. Source of information taken into account in the examination 1. "Physica Status Solicli, 1968, 29, 3123

2. US Patent No. 3291657, cl. 148-175, 08.23.66.

Y "-G

.2