Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1. Свойства соединений GaAs, InAs, AlAs и твердых растворов на их основе, учитывающиеся при производстве приборов оптоэлектроники 10
1.2. МОС-гидридный метод получения эпитаксиальных слоев 14
1.2.1. Исходные материалы 14
1.2.2. Аппаратура для проведения процесса 18
1.2.3. Оптимизация процесса МОС-гидридной эпитаксии с использованием математического моделирования 21
1.2.4. Характеристики эпитаксиальных слоев, получаемых на зарубежных и отечественных установках 25
1.3. Выводы по главе 1 и постановка задачи исследования 27
Глава 2. Технологический процесс и экспериментальная установка 29
2.1. Режимы получения эпитаксиальных слоев соединений GaAs, AlAs, InAs и твердых растворов на их основе 29
2.2. Характеристика экспериментальной установки 31
2.3. Методы контроля качества выпускаемых эпитаксиальных композиций 35
2.4. Выводы по главе 2 36
Глава 3. Математическая модель процесса ПФЭХО по МОС-гидридной технологии бинарных соединений А В и твердых растворов на их основе 37
3.1. Математическое моделирование технологического процесса 37
3.2. Термодинамическая модель процесса МОС-гидридной эпитаксии 40
3.2.1. Расчет равновесного состава фаз 41
3.2.2. Численное моделирование термодинамики процесса 45
3.2.3. Расчет параметра взаимодействия в твердых растворах 47
3.2.4. Расчет возможности гомогенного зародышеобразования 51
3.3. Модель кинетики процесса 52
3.3.1. Трехмерная модель процесса осаждения эпитаксиальных слоев в прямоугольном реакторе горизонтального типа 52
3.3.2. Интерфейс трехмерной модели 54
3.3.3. Двухмерная модель процесса осаждения эпитаксиальных слоев 57
3.3.4. Интерфейс двухмерной модели 64
3.4. Базы данных свойств соединений используемых в расчете 66
3.5. Разработка модели роста слоев на вращающемся пьедестале 69
3.6. Выводы по главе 3 74
Глава 4. Компьютерное исследование процессов эпитаксии GaAs, AlxGai-xAs, InAs, InxGai.xAs. Адекватность модели 75
4.1. Расчет равновесного состава фаз в процессе эпитаксии 75
4.1.1. Система Ga(C2H5)3-AsH3-H2 75
4.1.2. Система Оа(С2Н5)з-А1(СНз)з-А8Нз-Н2 81
4.1.3. Система In(CH3)3-Ga(C2H5)3-AsH3-H2 86
4.2. Выбор соединения - источника элемента третей группы 89
4.3. Исследование кинетики процесса эпитаксии и адекватность модели 93
4.3.1. Трехмерная модель скоростного поля парогазовой смеси в зоне роста 93
4.3.2. Трехмерная модель температурного поля в зоне роста на примере системы Ga(C2H5)3-AsH3-H2 95
4.3.3. Компьютерное исследование кинетики роста эпитаксиальных слоев GaAs 98
4.3.4. Компьютерное исследование кинетики роста эпитаксиальных слоев AlxGai.x As 105
4.3.5. Компьютерное исследование кинетики роста эпитаксиальных слоев InxGai-x As 109
4.4. Выводы по главе 4 117
Общие выводы 120
Список литературных источников
- МОС-гидридный метод получения эпитаксиальных слоев
- Характеристика экспериментальной установки
- Термодинамическая модель процесса МОС-гидридной эпитаксии
- Выбор соединения - источника элемента третей группы
Введение к работе
Актуальность работы
Развитие оптоэлектроники приводит к необходимости совершенствования методов получения эпитаксиальных композиций для оптоэлектронных приборов, к которым предъявляются все возрастающие требования по мощности, стабильности пространственного распределения излучения, ширине полосы передачи информационного сигнала, долговечности и технологичности конструкции. В качестве полупроводниковых материалов для изготовления указанных приборов широко используются GaAs и твердые растворы AlxGai-xAs, InxGai.xAs.
Существует несколько методов получения эпитаксиальных слоев полупроводниковых соединений и твердых растворов на их основе: хлоридно-гидридная эпитаксия, жидкофазная эпитаксия, молекулярно-лучевая эпитаксия, МОС-гидридная эпитаксия. Последняя является наиболее перспективным, развивающимся методом, который выгодно отличается возможностью получения эпитаксиальных слоев на большой площади, невысокой скоростью роста, позволяющей выращивать квантоворазмерные слои, наличием одной температурной зоны в реакторе, что облегчает управление процессом, средней по сравнению с молекулярно-лучевой эпитаксией и жидкофазной эпитаксией стоимостью оборудования, малой стоимостью исходных веществ. Важной особенностью метода является возможность выращивания широкого спектра многослойных композиций.
Для улучшения характеристик приборов технологам необходимо решать задачи, связанные с уменьшением неоднородности толщины эпитаксиального слоя, состава твердого раствора и уровня легирования по поверхности подложки, а также к уменьшению концентрации фоновых примесей. Все это обусловливает научную и практическую актуальность совершенствования и оптимизации технологии получения эпитаксиальных слоев соединений А3В5 и твердых растворов на их основе МОС гидридным методом.
Целью настоящей работы является создание математической модели процесса МОС-гидридной эпитаксии соединений А3В5 и их твердых растворов в горизонтальном реакторе для оптимизации технологических параметров процесса, обеспечивающих однородность толщины, состава эпитаксиальных слоев и уменьшение концентрации фоновых примесей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- анализ существующей технологии и влияние технологических параметров и особенностей конструкции оборудования на характеристики получаемых слоев;
- создание математической модели процесса МОС-гидридной эпитаксии и проверка ее адекватности сравнением результатов проведенных вычислительных экспериментов с данными измерений в лаборатории опорного предприятия толщины, состава, концентрации фоновых примесей в выращенных на производственной установке эпитаксиальных слоях;
- расчет численными методами скоростных, температурных и концентрационных полей в реакторе. Выявление технологических параметров, играющих доминирующую роль в достижении однородности толщины, состава, а также в снижении концентрации фоновых примесей в эпитаксиальных слоях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Обосновано применение двухмерной модели макрокинетики процесса МОС-гидридной эпитаксии в горизонтальном реакторе прямоугольного сечения с геометрическим отношением ширины к высоте больше 6 и числе Рейнольдса меньше 50.
2. Предложены методики расчета скорости роста слоя с учетом вращения пьедестала с подложками, а также вращения самих подложек вокруг оси симметрии. Адекватность модели проверялась по разбросу толщины эпитаксиального слоя и его составу при получении твердых растворов.
3. Расчетами по трехмерной модели движения парогазовой смеси с учетом теплообмена показано, что при температурах 600-800 °С на поверхности роста ламинарный газодинамический режим в реакторе поддерживается при скорости подачи парогазовой смеси до 0,2 м/с (н.у.) на входе в реактор и градиенте температуры над ростовой поверхностью 100-300 К/см.
4. Вычислительным экспериментом показан разный характер зависимости состава эпитаксиальных слоев InxGai-xAs и AlxGai_xAs от температуры и соотношения УЯП в исходной парогазовой смеси. Для InxGai-xAs при температурах выше 923 К указанная зависимость существенно нелинейна.
5. Показано влияние отрицательного градиента температуры над поверхностью роста и скорости движения парогазовой смеси на фоновую концентрацию углерода в эпитаксиальном слое, объясняющееся присутствием в газовой фазе радикалов СНу, GaCH .
6. Обосновано уменьшение концентрации кислорода в эпитаксиальном слое при увеличении содержания арсина в исходной парогазовой смеси.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
1. Для получения эпитаксиальных композиций с более высокой однородностью толщины и состава по подложке и более низкой концентрацией фоновых примесей предложены пути оптимизации технологического процесса (выбор температуры, давления в реакторе, расходов исходных компонентов) на основе модели процесса МОС-гидридной эпитаксии в горизонтальном реакторе с плоским вращающимся пьедесталом. Модель проверена на адекватность сопоставлением результатов вычислительных экспериментов с данными производственной лаборатории. 2. Рекомендована для производства полученная технологическая зависимость, позволяющая определять состав исходной парогазовой смеси по желаемому составу твердого раствора InxGai.xAs.
3. Создана программа и необходимая для ее работы база проверенных на согласованность данных для расчета параметра взаимодействия в четверных твердых растворах в среде "MS Excel" с применением объектно-ориентированного аппарата VBA.
4. Усовершенствованный интерфейс созданных по разработанным моделям программ позволяет рекомендовать их использование в учебном процессе при выполнении студентами курсовых и дипломных работ.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Возможность использования двухмерной модели массо- и теплопереноса в процессе роста в горизонтальном реакторе прямоугольного сечения для оптимизации технологических параметров с целью увеличения однородности толщины и состава эпитаксиальных слоев, а также снижения концентрации фоновых примесей.
2. Математическая модель ростового процесса с учетом планетарного механизма вращения пьедестала с подложками в горизонтальном реакторе, позволяющая исследовать и оптимизировать параметры роста, влияющие на однородность толщины и состава эпитаксиальных слоев по поверхности подложек.
3. Расчет содержания фоновых примесей в получаемых эпитаксиальных слоях по модели, описывающей термодинамику процесса МОС-гидридной эпитаксии.
4. Расчетная зависимость однородности толщины эпитаксиальных слоев GaAs, толщины и состава эпитаксиальных слоев AlxGai.xAs и InxGai.xAs от температуры процесса, ее отрицательного градиента над поверхностью роста, скорости подачи парогазовой смеси в реактор и давления в реакторе.
Апробация работы
Достоверность результатов диссертационной работы не противоречит теоретическим основам и подтверждена практическими результатами, полученными на производственной установке «СИГМОС-130».
Результаты использования математической модели докладывались и обсуждались на конференции «2-ая Российская школа по кремнию» 2-4 июля 2001 года, Москва, МИСиС.
Публикации
По теме настоящей диссертации опубликовано три статьи.
МОС-гидридный метод получения эпитаксиальных слоев
Использование металлорганических соединений имеет ряд преимуществ. Во-первых, температуры термической диссоциации алкилов элементов третей группы относительно низки, что позволяет существенно снизить температуру процесса в сравнении с хлоридным и хлоридно-гидридным методами. Во-вторых, в системе отсутствуют агрессивные газовые продукты, такие как НО, что исключает травление подложки, позволяя свести к минимуму толщину переходных слоев в гетероструктурах /18/.
При выращивании эпитаксиальных слоев твердых растворов методом МОС-гидридной эпитаксии в качестве исходных соединений применяют АшКз-Вш11з-СуНз-Н2, где Аш, Вш и Cv элементы III и V групп, R - метильная (СНз) либо этильная (С2Н5) группа. При получении эпитаксиальных слоев арсенида галлия источником атомов галлия служат триметилгаллий (ТМГ) Оа(СНз)з с температурой кипения 55,7 С, а также триэтилгаллий Ga(C2Hs)3 (ТЭГ) с температурой кипения 142 С /10/. В качестве газа-носителя в большинстве случаев используется высокочистый водород, очищенный с помощью палладиевых фильтров. Азот используется реже по причине более сложной очистки /18,19/. Число Рейнольдса потока азота превышает число Рейнольдса потока водорода при одинаковых скоростях движения потоков и геометрии реактора. При скорости движения парогазовой смеси равной 6,9 см/с критерий Рейнольдса для потока водорода Re S, а для потока азота Re=32. Следовательно, профиль движения парогазовой смеси при использовании азота в качестве газа-носителя несколько отличается от Пуазейлевого, имеет «тупой» профиль, что обеспечивает лучшую однородность и делает азот перспективным веществом для использования в установках МОС-гидридной эпитаксии, в особенности при использовании горизонтальных реакторов с малым геометрическим соотношением ширина/высота (менее 5). Вместе с тем к недостаткам азота относится малая теплопроводность, обуславливающая неравномерный прогрев в зоне роста, а также невысокие коэффициенты взаимодиффузии ростообразующих компонентов парогазовой смеси. Преимущества и недостатки веществ, использующихся в МОС-гидридной эпитаксии, по материалам /61/ показаны в табл. 1.1,1.2,1.3. Одной из важных характеристик металлорганических соединений является давление пара, характеризующее легкость их доставки в зону реакции (табл. 1.4) /18,20,21/.
Вместе с тем существуют проблемы, связанные с использованием в качестве исходных компонентов металлорганических соединений и гидридов элементов пятой группы. Это высокая токсичность гидридов элементов пятой группы, взрывоопасность.
Для легирования эпитаксиальных слоев используются гидриды, хлориды (S1H4, ССЦ), а также металлорганические соединения гп(СНз)2 (см. табл. 1.3). Обычный процесс проходит при большом избытке гидрида элемента Bv относительно металлорганического соединения элемента Для реализации метода МОС-гидридной эпитаксии используются вертикальные, горизонтальные и колпаковые реакторы. Вертикальные реакторы для МОС-гидридной эпитаксии производятся фирмами VEECO и TOMAS SWAN.
Схема вертикального реактора приведена на рис. 1.5 /33/. Газовый поток в вертикальный реактор подается сверху перпендикулярно поверхности роста. Подложки расположены на вращающемся пьедестале, сконструированном в виде диска. Процесс в вертикальном реакторе затруднен наличием свободной неуправляемой конвекции, за счет которой происходит перемешивание потока газообразных компонентов от подложкодержателя с входящим газообразным потоком, что вызывает сравнительно большую неоднородность эпитаксиальных слоев, чем в горизонтальном и колпаковом реакторе.
Колпаковые реакторы для МОС-гидридной эпитаксии производятся немецкой фирмой AIXTRON. Их отличает большое число загружаемых подложек в одном процессе, суммарная площадь которых 0,25 м2 /18,24,25/.
Схема колпакового реактора представлена на рис. 1.6/61/. Ввод газа в реактор осуществляется сверху параллельно поверхности роста с помощью инжектора. Подложки расположены на пьедестале, обеспечивающем планетарное вращение. Создание необходимой температуры в рабочей зоне реактора обычно осуществляется с помощью ИК-излучателей или ВЧ-нагрева.
Схема горизонтального реактора представлена на рис. 1.7 /61/. Преимущество горизонтального реактора состоит в простоте его конструкции. Ввод газа в реактор осуществляется сбоку параллельно поверхности роста, подложки расположены на вращающемся пьедестале. В ранних конструкциях реактора горизонтального типа использовался наклонный пьедестал.
Характеристика экспериментальной установки
Установка состоит из четырех основных блоков: газовой системы, реактора с системой нагрева, вакуумной системы, блока автоматического управления.
Газовая система
Газовая система установки состоит из реакторного и байпасного трубопроводов, куда подается водород, очищенный методом диффузии через палладиевый фильтр, имеющий точку росы не выше 160 К. В реакторный трубопровод подается несколько потоков водорода (см. рис. 2.1). Поток водорода (5 л/мин) поддерживается регулятором расхода газа РРГ2, работающего в автоматическом режиме. Действие РРГ основано на измерении разности температур газового потока до и после прохождения через обогреватель. Для триэтилгаллия (ТЭГ) поток водорода составляет 0,1-0,5 л/мин, поддерживается РРГ4, для триметилалюминия (ТМА1) - 0,01-0,1 л/мин и поддерживается РРГЗ. ТЭГ и ТМА1 находятся в термостатах при температуре 17 С, ТЭГ — при давлении 4-Ю4 Па, ТМА1 - при давлении 8-Ю4 Па. Поток водорода через РРГ5 составляет 18 л/мин поступает непосредственно в реакторный трубопровод и поддерживается РРГ5. Арсин, как летучее соединение, подается в реактор самостоятельно, предварительно проходя двухступенчатую систему очистки (очистка в цеолите и в очистителе на щелочных металлах), его поток составляет 0,3-0,75 л/мин. За подачу арсина в реаторный и байпасный трубопроводы отвечают клапана 5,6. Ввод газов в реактор осуществляется через мембрану из пористой нержавеющей стали.
Расход водорода, поступающего в байпасную линию равен 5 л/мин и поддерживается РРГ1. Вентили 1,2,3,4,5,6 (см. рис. 2.1), работающие в автоматическом режиме, пропускают газовые потоки с ростообразующими компонентами либо в реакторную линию, либо в байпасную, в зависимости от того, какой слой нужно вырастить. Если выращивается слой Al xGai.xAs, то вентили 1,3,5 открыты, а 2,4,6 закрыты. В случае выращивания нескольких слоев на одной подложке поток с МОС для очередного слоя пропускают сначала через байпасную линию, тем временем поток
с МОС для слоя, рост которого нужно остановить перекрывают. Использование байпасного трубопровода позволяет уменьшить толщину переходного слоя при выращивании многослойных структур. В реакторном и байпасном трубопроводах поддерживается одинаковый расход водорода, регулируемый специальным автоматическим блоком управления давлением реактор/байпас (см. рис. 2.1). Давление в реакторной и байпасной линиях измеряется манометром, показания которого поступают в автоматический блок управления давлением реактор/байпас, в случае отклонения автоматический блок подает команду на мотыльковый клапан, представляющий собой обыкновенную заслонку, который уменьшает или увеличивает откачку газов форвакуумным насосом.
Подложки размещаются на плоском круглом пьедестале, который вращается за счет подачи на него отдельного потока водорода 1 л/мин.
Управление газовым потоком осуществляется с помощью специальной программы: на дисплее устанавливаются положение вентилей, задается расход. Далее нажатием специальной кнопки автоматическая система приводится в действие.
Реактор
Реактор установки изготовлен из кварца и имеет прямоугольное сечение. Длина реактора - 428 мм, ширина - 142 мм, высота - 30 мм, расстояние от верха пьедестала до верхней стенки реактора - 15 мм (рис. 2.2). В реакторе расположен графитовый пьедестал (рис. 2.3), на котором расположен вращающийся диск диаметром 130 мм, где размещаются три подложки диаметром 51 мм. Схема реактора экспериментальной установки показана на рис. 2.2.
Вакуумная система
Пониженное давление в реакторе (7-10 Па) поддерживается с помощью вакуумной системы, состоящей из форвакуумного насоса, манометра, мотылькового клапана, а также автоматического блока управления давлением в реакторе (см. рис. 2.3.1). Манометр фиксирует изменение давления в реакторе, показания манометра поступают в автоматический блок управления давлением в реакторе. Отсюда дается команда на мотыльковый клапан, который больше открывается в случае повышения давления в реакторе или закрывается в случае понижения давления в реакторе. Газ из реактора откачивает форвакуумный насос, работающий в постоянном режиме.
Система нагрева
Нагрев подложкодержателя осуществляется семью кварцевыми лампами, мощность каждой составляет 2 кВт, диаметр 10 мм, длина 200 мм. Лампы расположены поперек пьедестала под реактором на расстоянии 10 мм от низа пьедестала по всей его длине на расстоянии 8 мм друг от друга, что позволяет обеспечить равномерный нагрев вдоль пьедестала при температуре роста 600 - 800 С.
Под вращающимся диском, толщина которого 5 мм, на расстоянии семи миллиметров от верха пьедестала расположена термопара, измеряющая температуру процесса. Сигнал с термопары поступает в автоматический блок управления температурой, который регулирует мощность ламп в соответствии с заданием.
Методы контроля качества выпускаемых эпитаксиальных композиций
Измерение толщины слоев, превышающей 0,2 мкм, проводится исследованием с помощью электронного микроскопа JEOLT 220 скола эпитаксиальной структуры. Измерение концентрации фоновых носителей измеряется CV профилометром PN 4300 с фотовольтаической приставкой для определения состава растворов. Измерение подвижности измеряется прибором «Холл-4» с компьютерным управлением.
1. Для использования двухмерной модели кинетики исследован реактор производственной установки. Определено, что отношение ширины к высоте поперечного сечения реактора в зоне роста - 9,5. В реакторе расположен вращающийся графитовый пьедестал с расположенными на нем подложками, что определяет необходимость создания алгоритма вращения пьедестала в условиях двухмерной модели.
2. Система нагрева состоит из семи кварцевых ламп, расположенных поперек пьедестала по всей его длине, обеспечивая равномерный нагрев. Для контроля за температурой процесса используется термопара и автоматический блок управления.
3. Контроль за расходом газа осуществляется автоматическим блоком управления, включающим в себя компьютер, манометры, клапана, регуляторы давления и расхода газа. Пониженное давление в реакторе обеспечивается работой форвакуумного насоса.
4. Для измерения толщины эпитаксиальных слоев, превышающей 0,2 мкм используется метод исследования скола эпитаксиальной структуры с помощью электронного микроскопа. Измерение толщины квантоворазмерных слоев (до 0,01 мкм) проводится измерением длины волны отраженного излучения (погрешность измерения ±1%).
Для измерения состава используется метод исследования фотовольтаического спектра (погрешность измерения ±0,2%); Для измерения уровня легирования в пределах от 1012 см"3 до 1020 см"3 используется C-V метод.
Термодинамическая модель процесса МОС-гидридной эпитаксии
В наиболее обобщенном виде параметр взаимодействия в квазибинарных твердых растворах на основе соединений А3В5 можно записать как сумму деформационного, электростатического, структурного и вакансионного параметров: П=Ю;+Пе+ Ц.+ Пу (3.19) Для расчета параметра взаимодействия в твердом растворе используются две модели /67/. Первая - VFF-модель - геометрический метод, учитывающий смещение в поле валентных сил общего атома в растворах замещения /51,52/. В рамках этой модели рассчитывают сумму смещений общего атома из положения, присущего виртуальному кристаллу, под действием атомов из тетраэдрического окружения с вероятностным коэффициентом для каждого слагаемого.
Вторая - DLP-модель, учитывающая разницу параметров решеток и возникающую при этом избыточную упругую энергию /46/. Для расчета в работе использовали DLP-модель. В рамках этой модели параметр взаимодействия преимущественно определяется разницей параметров решеток веществ, формально образующих раствор (то есть деформационным параметром П;) и электростатической энергией (ре), возникающей за счет избытка или недостатка электронов при замещении основного атома в кристаллической решетке.
Деформационную составляющую рассчитывали по формуле /67/: ПгФ /гЧІ-З Кх-Уі/ргСДг/г -КІ-хуУг/МДг/гг)2), (3.20) поправочный множитель (p=2S/(l+S), где S=R.2 Pi/Ri Рг, где Ri, R.2 - межатомные расстояния веществ, формально образующих твердый раствор, Pi, 02 - сжимаемости - величины обратные объемным модулям Bi, Вг /48/, v - координационное число (для тетраэдрических кристаллов v=4), Vi, V2 - мольные объемы веществ формально участвующих в образовании твердого раствора, Г], Г2- атомные радиусы элементов, образующих соединение, Л г - разница атомных радиусов. Электростатический параметр взаимодействия рассчитывался по формуле /67/: ne=a-z+-z_-4f,/VF (3-21) где а- константа Маделунга (2784 кДж/моль - для решеток типа сфалерит); Z+,Z. = 3 (заряды в узлах решетки); Л// - разница ионности основного и замещающего соединения в паре Afi=fj-f2, где fij 2 (ft) - доли ионности соединений. Долю ионности соединения ft находили, зная разницу электроотрицательностей элементов, образующих соединение /67/: /К8АХ+1У30 (3.22) Дх=0,21-Ео0 5 (3.23) где величина Ео рассчитывается по формуле ЕО=ЕА-В-(ЕА-А+ЕВ-В)/2 [эВ/атом], (3.24) где Ед-в, ЕА-А - энергии связи бинарных соединений [эВ/атом]. Структурная составляющая параметра взаимодействия Qs возникает, когда кристаллические решетки соединений отличаются. Она равна энтальпии фазового перехода из одной решетки в другую: Os=AHsi-AHs2. Считается, что в соединениях А3В5 величина Ds около 20000 Дж/моль. Вакансионная составляющая параметра взаимодействия їїу появляется при образовании растворов вычитания, то есть в тех случаях, когда стехиометрические коэффициенты в соединениях, формально образующих твердый раствор отличаются. Расчет объемного модуля упругости твердого раствора
В случае отсутствия справочных данных по сжимаемости можно воспользоваться вычислениями. Сжимаемость есть величина обратная объемному модулю. В работе /54/, показано, что объемные модули отдельных классов соединений подчиняются зависимости BORn, (3.25) где В - объемный модуль; для соединений А3В5: С=1761 ГПа, п=3,5 -эмпирический показатель; R - межатомное расстояние, при этом для А3В5 погрешность не превышает 5 % /54/. На рис. 3.2 приведен интерфейс программы Omega.xls расчета параметра взаимодействия, предложенный автором работы в программной среде «MS Excell 97». Красным цветом выделены характеристики, вводящиеся с клавиатуры. После их ввода программой рассчитываются характеристики, выделенные черным цветом и параметр взаимодействия, обозначенный переменной OMEGA.
Выбор соединения - источника элемента третей группы
При увеличении температуры эпитаксии от 923 К до 1023 К скорость роста увеличивается на 26 % за счет увеличения коэффициентов диффузии галлийсодержащих ростообразующих компонентов (см. гл. 3.4), при этом однородность толщины эпитаксиального слоя GaAs практически не изменяется и составляет 10,5 % при учете вращения пьедестала, что происходит за счет сохранения распределения температурного поля в реакторе при рассматриваемых температурах поверхности роста. В случае увеличения температуры поверхности пьедестала и температуры верхней стенки происходит равномерное увеличение температуры ПГС по длине реактора, за счет чего однородность толщины слоя не изменяется.
С точки зрения однородности толщины получаемого слоя все равно при какой температуре (1023 К, 973 К, 923 К) проводить процесс, но при меньшей температуре поверхности роста (923 К) в материале наблюдается наибольшая подвижность носителей заряда (8000 см2/(В-с)) (см. гл. 2.1).
Одной из проблем метода МОС-гидридной эпитаксии является образование на верхней стенке реактора поликристаллического осадка с последующим выпадением на поверхность роста эпитаксиального слоя. Для предотвращения образования осадка используют воздушное охлаждение верхней стенки реактора для уменьшения диффузии ростообразующих компонентов. При этом над поверхностью роста существует отрицательный градиент температур, увеличивающийся при понижении температуры верхней стенки реактора, что положительно сказывается на уменьшении концентрации углеродсодержащих радикалов в составе газовой фазы. Уменьшать температуру верхней стенки реактора целесообразно до температуры, когда время пребывания ПГС станет меньше времени диффузии ростообразующего компонента к верхней стенке реактора.
Исследование температурных полей реактора (см. главу 4.3.2) показывает, что увеличение отрицательного градиента температуры над поверхностью роста приводит в выравниванию температурного поля в реакторе, следовательно, оказывает влияние и на однородность толщины эпитаксиального слоя.
Влияние вертикального градиента температуры над поверхностью роста на однородность толщины эпитаксиального слоя
Расчет проводили при двух значениях градиента температур над поверхностью роста: 150 К/см, 250 К/см, температуре эпитаксии 1023 К, остальные исходные данные - из базового эксперимента (см. стр. 98). Увеличение отрицательного градиента над поверхностью роста улучшает однородность толщины эпитаксиального слоя, что показывает график (рис. 4.19).
С увеличением градиента температуры над поверхностью роста от 150 К/см до 250 К/см скорость роста эпитаксиального слоя уменьшается. Неоднородность скорости роста эпитаксиального слоя по длине пьедестала уменьшается на 12 %. При большем градиенте температуры над поверхностью роста в вертикальном направлении температура парогазовой смеси уменьшается быстрее на расстоянии от пьедестала до верхней стенки (рис. 4.11, 4.12). Это влияет на уменьшение коэффициентов диффузии ростообразующих компонентов (см. таб. 3.5) и скорости их доставки к поверхности роста, что влечет уменьшение скорости роста эпитаксиального слоя. При увеличении отрицательного градиента температуры над поверхностью роста происходит выравнивание изотерм, что благоприятно влияет на однородность толщины эпитаксиального слоя.
Влияние концентрации ростообразующего компонента На рис. 4.20 приведены скорости роста по длине пьедестала при содержании триэтилгаллия в исходной ПГС в мол. долях: 1,6-10"4, 3,2-Ю"4, остальные исходные данные взяты из базового эксперимента.
