Технологія одержання плівок типу арсенід галію методом молекулярно-променевої епітаксії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

арсенід галій променева епітаксія плівка

Вступ

1. Технологія GаАs

1.1 Арсенід галію

1.2 Вирощування об'ємних монокристалів

2. Молекулярно-променева епітаксія

2.1МПЕ

2.2Схема установки для отримання плівок

3. Процеси росту i структура плiвок

3.1 Ріст плівок

3.2 Структура плівок

3.3 Переваги методу МПЕ

4. Перспективи розвитку технологій виготовлених на основі GаАs

4.1 Початковий період розвитку

4.2 СВЧ-діоди

4.3 Датчики температури

4.4 Гетероструктури

Висновoк

Список використаної літератури

Вступ

Протягом останнього десятиліття значні зусилля були спрямовані на дослідження властивостей арсеніду галію, одержання чистого матеріалу і його кероване легування, розробку приладів. Інтерес до арсеніду викликаний тим, що він доповнює властивості широко використовуваних елементарних напівпровідників Ї германія і кремнію Ї найбільшою мірою, чим будь-який інший відомий напівпровідник .

Велика ширина забороненої зони і висока рухливість електронів допускають можливість роботи арсенидогалієвих приладів в області високих температур і високих частот. Широка заборонена зона дозволяє також шляхом уведення глибоких енергетичних рівнів одержувати напівізолюючий арсенід галію, використовуваний як підкладки в епітаксіальних приладах. Зонна структура арсеніду галію така, що в центральному мінімумі зони провідності можливі ефективна пряма випромінювальна рекомбінація й у результаті зіткнення електронів у субзонах малої рухливості можуть виникати коливання СВЧ.

Первісний інтерес до арсеніду галію датується 1951 Ї 1952 р., коли Велькер показав [1] , що арсенід галію, також як і інші сполуки елементів III ЇV груп, є напівпровідником, і пророчив, що його властивості подібні властивостям кремнію або германія. Очікувалося, що рухливість у деяких сполуках буде навіть більше, ніж в елементарних напівпровідниках.

Для створених за останнім часом арсенідогалієвих приладів, таких, як генератори Ганна і канальні транзистори з переходом, потрібні тонкі плівки напівпровідникового матеріалу з питомим опором від 0,3 до 3 ом * см, вільного від глибоких домішкових рівнів [1].

Актуальнiсть моэi теми полягаэ в широкому використаннi арсенiд- галiэвих плiвок у розвитку технологiй створення швидкодiючих i високочастотних приладiв майбутнього.

1.Технологія GаАs

1.1 Арсенід галію

Арсенід галію (GaAs) - кристалічна речовина із кристалічною ґраткою типу алмазу.Прямозонний напівпровідник із шириною забороненої зони 1.424 еВ. Широко використовується для створення напівпровідникових пристроїв, багатошарових структур, квантових точок, дротин й ям.Належить до класу інтерметалічних сполук елементів ІІІ і V груп періодичної системи елементів, скорочено - сполуки AIIIBV (англ. III-V Compounds).

Рис1.1. Кристалічна ґратка

Арсенід галію має кубічну гранецентровану ґратку типу ґратки цинкової обманки.Галій - елемент рідкий. Його одержують як побічний продукт при виробництві Аl або Zn. За допомогою стандартної процедури очищення можна одержати галій 99,99999% чистоти. У рідкому стані при високих температурах Gа реагує з кварцом, що приводить до появи домішок у GаАs, вирощеному в кварцових тиглях. Галій вважають токсичним елементом. Арсенід галію отримують, сплавляючи чисті арсен (As) і галій (Ga) у кварцевій колбі при температурі близько 1240° C при тиску пари близько 1000 ГПа. Кристали ростуть із зародків, що утворюються самодовільно.Для отримання монокристалів використовують також методи направленої кристалізації (горизонтальний метод Бріджмена), витягування з розплаву (метод Чохральського) і зонної плавки.Тип провідності й рухливість носіїв заряду в кристалах залежить від концентрації домішок, що залишаються при виготовлені. Найважливішими з них є кремній та мідь, які переходять в арсенід галію з кварцу (кремній) і тигелів чи ампул (мідь). Кремній є донором, тому здебільшого отримані кристали мають n-тип провідності.

1.2 Вирощування об'ємних монокристалів

Основні труднощі при вирощуванні GаAs являє собою та обставина, що він розкладається в процесі нагрівання. Тому тиск пар Аs повинний бути обраний так, щоб воно могло підтримувати постійним стехіометричну сполуку розплаву. Ще одні труднощі складаються в хімічній активності Gа й Аs, що реагують з матеріалом тигля. Нарешті, у процесі затвердіння GаAs розширюється, що може привести до виникнення великих напруг у кристалі під дією стінок тигля

Існують два основних методи вирощування об'ємних монокристалів: витягування з розплаву (метод Чохральского) і контейнерна зонна плавка.

Метод Чохральского дозволяє постійно спостерігати за ростом монокристала. Крім того, у цьому методі кристал GаAs не стискується стінками тигля. Висока ефективність і гарна якість кристала зробили цей метод найбільш розповсюдженим. Ще одним його перевагою є те, що кристалографічна орієнтація одержуваного кристала визначається кристалографічною орієнтацією запалу.Схема витягування кристала показана на рис.1.2. Установка повинна бути захищена від вібрацій і забезпечувати можливість установлення малих швидкостей витягування, аж до 0,1 мм/ч.

Рис.1.2.Схема вирощування кристала по методу Чохральского

Рис1.3. Схема установки для витягування монокристалів з підшару рідкого флюсу

Цей метод складається в покритті розплаву оксидом бора. У його грузлій склоподібній оболонці Gа й Аs фактично нерозчинні. Тиск у камері росту піднімається до значень, що перевершують тиск дисоціації. Витягування здійснюється при пропущенні затравочного кристала через шар оксиду бора, причому сам ріст відбувається на границі роздягнула двох рідин. Крім того, на поверхні зростаючого кристала залишається тонка плівка, що запобігає випарові з затверднутого стержня.

Зручним методом для одержання настільки чистого GаАs є осадження з парової фази, оскільки його можна робити при низькій температурі, так що проникнення домішок з контейнера при епітаксії виявляється меншим, чим при вирощуванні з розплаву.Методом молекулярно-променевої епітаксії одержані квантові крапки InCaAs і InSb на пористому CaAs . В результаті нітризації пористих підкладок CaAs одержано тонкі плівки CaN кубічної і гексагональной модифікації залежно від орієнтації підкладки GaAs. Таким чином, область досліджень і застосування експериментальних зразків CaAs останнім часом різко зросла.

2.Молекулярно-променева епітаксія

2.1 МПЕ

Молекулярно-променева епітаксія (МПЕ) - один із сучасних і багатообіцяючих технологічних методів вирощування тонких монокристалічних напівпровідникових структур. Для осадження епітаксіальних плівок у ній використовується керований випар з термічного джерела (або одночасний випар з декількох джерел) в умовах надвисокого вакууму.

Метод молекулярно-променевої епітаксії (МПЕ)призначений для вирощування кристалічних структур у надвисокому вакуумі за допомогою пучків атомів або молекул, які являються компонентами вирощуваної сполуки. Таким чином,МПЕ є вдосконаленням звичайного способу напилення плівок випаровуванням у вакуумі. Принципи технології МПЕ формулювалися поступово. У 1964 р. (R.B. Schoolar, J.N. Zemel) [2] за допомогою молекулярних пучків були одержані досконалі епітаксійні плівки PbS на монокристалічній підкладці NaCl. У 1968 р. (J.E. Davey, T. Pankey, J.R. Arthur) [2] в умовах високого вакууму були вирощені епітаксійні плівки GaAs на монокристалічних підкладках арсеніду галію. Ці дослідження стали основою подальшого прогресу по вирощуванню досконалих плівок GaAs чи інших напівпровідникових сполук AIIIBV і AIIBVI методом МПЕ. Новий етап в розвитку і вдосконаленні МПЕ розпочався у 70-і роки та пов'язаний із створенням і промисловим виробництвом відповідного вакуумного устаткування .

2.2 Схема установки для отримання плівок

Рис. 2.1. Загальний вигляд установки для отримання плівок методом молекулярно-променевої епітаксії

Типова установка МПЕ показана на рис 2.1.Власне підкладки і джерела атомних або молекулярних пучкiв(випарні осередки)знаходяться в умовах надвисокого вакууму, одержуваного іонною відкачкою. Випарні осередки являють собою невеликі камери, що нагріваються, («склянки»), відкриті убік підкладки. З метою зменшення теплового взаємовпливу і запобігання взаімозабруднення джерел випарні осередки розділяють екранами, охолоджуваними рідким азотом. Такий же екран поміщають за власником зразка для зменшення забруднення залишкової (фонової) атмосфери в камері. З цією же метою власники джерела і підкладки виготовляють з матеріалів з низьким тиском пар, таких, як алунд, тантал, графіт. Робочий вакуум у ростовій камері близький до 10-8 Па. Для збереження вакууму зразки містяться в камеру через вакуумний шлюз.

Для контролю молекулярних або атомних пучків і вирощуваних шарів безпосередньо в процесі вирощування використовуються дифрактометр електронів високих енергій «на відображення», мас-спектрометр, оже-спектрометр і іонний вакуумметр, що контролює нейтральні атомні пучки.

Рис 2.2 Установка для вирощування плівок методом МПЕ

Мас-спектрометр використовують для аналізу як атомних, так і молекулярних пучків і фонової атмосфери. Дифрактометр електронів високих і середніх енергій «на відображення» подає інформацію про поверхні плівки в процесі вирощування і після нього. Дифрактометр складається з електронної гармати, що випускає електронний пучок під кутом ковзання 2°, і флюоресцентного екрана, на якому спостерігається картина дифракції. Електронна оже-спектроскопия (ЕОС) подає напівкількісну інформацію про сполуку сплаву, різкості границь і взаємної дифузії. Чуттєвим, але методом аналізу, що руйнує, сполуки шарів і розподілу домішки в них є вторинна іонна мас-спектроскопія .

3. Процеси росту i структура плiвок

3.1 Ріст плівок

Питання, пов'язані з механізмами росту, стають надзвичайно важливими при створенні гетероструктур та багатошарових структур, для яких необхідний вищий ступінь однорідності складу при товщині менше 100Е.Найважливіші індивідуальні атомні процеси, що супроводжують ріст плівок з парової фази наступні: адсорбція (прилипання) падаючих на підкладку атомів чи молекул, які належать вирощуваній сполуці; міграція (поверхнева дифузія) адсорбованих атомів по поверхні підкладки (може передувати дисоціацією молекул вирощуваної

Рис3.1. Схематичне зображення поверхневих процесів, що відбуваються при виращуванні тонкої плівки методом МПЕ:

1 - поверхнева дифузія; 2 - десорбція; 3 -взаємодифузія; 4 - вбудовування в гратку; 5 -поверхнева агрегація (зародкове утворення).

3.2 Структура плівок

Дослідження структури плівок в процесі їх росту дозволило визначити основні джерела дефектів у плівках. До них відносять наступні: дефекти підкладки. Плівка може наслідувати дислокації підкладки; дислокації невідповідності; малокутові межі, які утворюються при зростанні стабільних великих зародків, що мають різну орієнтацію;дефекти упаковки, які виникають при коалесценції зародків. Причина їх виникнення - невідповідність граток зародків, пов'язана із порушенням порядку чергування атомних площин при злитті стабільних зародків у порівнянні з непорушеним монокристалом. Дефекти упаковки можуть виникати і в місці контакту зародку і підкладки; дислокації, що виникають через ефекти пластичної деформації вирощуваної плівки. Аналіз багатьох електронних мікрофотографій свідчить про те, що структура дислокації плівок тісно пов'язана з існуванням пружних механічних напруг. Оскільки перехід пружної деформації в пластичну носить стрибкоподібний характер, то густина дислокацій зростає трибкоподібно. Після виникнення дислокацій напружений стан знімається, і відбуваються процеси заліковування дефектів. При низькій температурі конденсації дислокації, очевидно, також виникають і в процесі переходу пружної деформації в пластичну, однак, критична товщина у даному випадку розташована завжди в області суцільних плівок. Це пов'язано із тим, що при низькій температурі конденсації на підкладці утворюються набагато більше зародків, і вони зростаються в суцільну плівку при меншій товщині, ніж при високій температурі. Іншими словами, чим вище температура, тим більша товщина при якій відбувається утворення суцільної плівки (при постійній швидкості конденсації). Перераховані дефекти спостерігаються для багатьох гетерогенних систем "підкладка-плівка".

3.3 Переваги методу МПЕ

Можливість контролю безпосередньо в процесі вирощування - одне зі значних переваг МПЕ. Для дослідження шарів, вирощених методом МПЕ, використовуються і багато інших методів, наприклад фотолюмінесценція, електронна спектроскопія характеристичних втрат енергії, комбінаційне або лазерне розсіювання й ін.

У випадку МПЕ температура підкладки може бути порівняно невисокої (500-650 °С для GаАs), що приводить до низької швидкості росту (порядку 0,1 нм/с) і низкою швидкості об'ємної дифузії. Основна заслінка і заслінки випарних осередків дозволяють дуже швидко перекривати пучки (див.рис.2.2.). Це дає можливість змінювати сполуку або рівень легування вирощуваних структур буквально на міжатомній відстані.

При вирощуванні шарів GаАs методом МПЕ атоми Gа і молекули Аs2 і Аs4 падають на підкладку GаАs. До поверхні прилипають практично всі атоми галію. Потік атомів миш'яку є надлишковим, але тільки один атом Аs на кожен атом Gа залишається на підкладці, формуючи стехіометричну сполуку вирощуваного шару. Інтенсивність молекулярних пучків і, отже, швидкість осадження можна варіювати, змінюючи температуру галіевого джерела. Звичайно щільність потоку галію близька до 1015 атом/(див2 * с), а для миш'яку вона в 5 - 10 разів вище . Джерелом молекул миш'яку є, як правило, твердий миш'як, джерелом галію -твердий галій. Для вирощування сполук АlGаAs потрібен додаткове джерело алюмінію; при цьому співвідношення Аl і Gа пропорційне співвідношенню плотносів потоку в їхніх пучках. Крім температури у випарному осередку щільність потоку залежить від молекулярної маси атомів, що випускаються, або молекул, від площі отвору осередку і відстані до підкладки.Для пластини діаметром 50 мм неоднорідність вирощеної плівки може складати <2%, якщо зразок обертається в процесі росту. Використовуючи кілька джерел, можна домогтися ще кращої однорідності.

Спеціально нелегований GаАs, вирощуваний методом МПЕ, буває звичайно p-типу з концентрацією носіїв від 1013 до 1015 см-3. Це приводить до появи збіднених шарів на границях між напівізолюючою підкладкою і спеціально нелегованим шаром, а також між цим шаром і активною областю приладу (як правило, n -типу).

Як донорів при вирощуванні GаАs методом МПЕ використовуються елементи IV групи, такі, як Si, Ge і Sn. Вони можуть входити в підрешітку Gа або Аs, і тип легування буде залежати від співвідношення вакансій Gа й Аs. Найменш відчутно до цього співвідношення олово, уведення якого дає матеріал n-типу . Найпоширенішою донорною домішкою є, очевидно, кремній, при його використанні досягається найбільш висока рухливість при температурі рідкого азоту, що звичайно вважається основним параметром, що характеризує якість GаАs. Багатообіцяючою акцепторною домішкою, незважаючи на високу токсичність, є берілій.

Для одержання напівізолюючого АlGаАs у процесі вирощування можна використовувати кисень. Питомий опір матеріалу може бути вище 109 Ом*см. Легований киснем шар АlGаAs на GаAs можна повернути в напівпровідниковий стан за допомогою дифузії домішок. Ще один спосіб одержання ізолюючого шару - вирощування шаруючи АlАs з наступним окислюванням його в реакції з нагрітою водою. При цьому товщина ізолюючого шару, що складає з оксидів алюмінію і галію, залежить від товщини первісного шару АlАs. Цю технологію можна використовувати для створення польових МДП-транзисторів на GаАs.

Концентрація електронів у шарах GаАs, вирощених методом МПЕ, може перевищувати 5 . 1018 см-3, що значно більше тієї концентрації, що досягається при використанні методу газофазної епітаксії. При такому високому рівні легування завдяки дуже вузькій збідненій області бар'єра Шоттки на границі метал-напівпровідник можна створювати несплавні омічні контакти. Мінімальний контактний опір, що може бути отримане за допомогою такої технології, складає 10-7 Ом-см2 [5].

Ще одною перевагою методу МПЕ є згладжування поверхні GаАs у процесі росту. Завдяки згаданій властивості метод МПЕ особливо зручно використовувати для вирощування гетеропереходів, надрешіток і багатошарових структур. Як і у випадку інших епітаксіальних методів, що вирішують для якості майбутньої плівки є якість готування підкладки. Насамперед необхідно мати неушкоджену, атомарно-чисту стехіометріну поверхню. Звичайна процедура готування підкладки включає хімічну обробку розчином Вr2 з метанолом, а також сумішами сірчаної кислоти, перекису водню і води в різному співвідношенні (звичайно 7:1:1) [5]. Потім підкладки припаюють до молібденових нагрівальних блоків за допомогою сплаву In або In - Gа і вносять у камеру. Для видалення оксиду і слідів вуглецю підкладку розігрівають до (555 + 5) °С в потоці миш'яку. Для видалення вуглецю використовується також високотемпературне іонне очищення.

За допомогою методу вторинної іонної мас-спектроскопії на границі шар-підкладка була виявлена значна концентрація кисню (> 1011 см-2). Той же аналіз установив наявність на границі роздягнула домішки хрому з легованих хромом напівізолюючих підкладок. Швидка дифузія домішок, що накопичуються, (Сr, О и ін.) у процесі росту забруднює нижню частину вирощуваного шару, створюючи в ньому глибокі акцепторні центри, знижуючи тим самим рухливість носіїв і змінюючи профіль їхнього розподілу. Частково вирішити цю проблему допомагає створення додаткового буферного шару з високим опором.

Рис.3.1. ілюструє високу якість шарів GаАs, вирощених методом МПЕ. Як джерело Аs тут використовувався АsН3; максимальна рухливість електронів перевищувало 130 000 см2 / (В.с).

За допомогою МПЕ вирощують безліч різних матеріалів, у тому числі кремній. сполуки АІІІВV, АIIВVI, а також потрійні і чотирні тверді розчини.

Рис 3.2. Температурні залежності холівської рухливості і концентрації електронів у шарі GаАs, вирощеному методом МПЕ.

Були вивчені два нових методи маскірування для створення приладів на основі МПЕ. В одному з них, застосованому в лабораторії фірми «Белл» для одержання змішувальних СВЧ-діодів, підкладка покривалася тонким шаром, що маскує, SiO2. На непокритих діоксидом кремнію частинах підкладки нарощувався високоякісний епітаксіальний шар. Шар, вирощений на закритої SiO2 частини, виявився полікристалічним і напівізолюючим. В іншому методі використовувалося накладення шаблона з кремнієвої пластини з вікнами визначеного розміру на підкладку в процесі МПЕ. Ріст матеріалу відбувався тільки на відкритих частинах підкладки. У ході попередніх експериментів цим методом були вирощені мезоструктури епитаксиального GаАs і АlGаАs товщиною 1 мкм.

Нарощуванням GаAs на металеву структуру був отриманий епітаксіальний шар GаАs з металевими ґратами усередині нього; при цьому період ґрат не перевищував 160 нм.Ці нові підходи наочно демонструють унікальні можливості методу МПЕ для створення багатошарових тривимірних інтегральних схем і приладів.

За допомогою МПЕ була зроблена безліч різних приладів, у тому числі змішувальні і варакторні діоди, свілодіоди, напівпровідникові лазери, польові транзистори, польові транзистори бар'єром під затвором, польові транзистори із селективним легуванням (називані також транзисторами з просторовим переходом електронів або транзисторами з високою рухливістю носіїв у каналі), біполярні транзистори з гетеропереходами, планарно-леговані бар'єрні діоди , транзистори з проникною базою, діоди Ганна, надшвидкодіючі інтегральні схеми і сонячні батареї. Однак має бути виконати значний обсяг робіт, перш ніж МПЕ з незвичайно цікавого лабораторного методу перетвориться у відпрацьовану виробничу технологію.

4. Перспективи розвитку технологій виготовлених на основі GаАs

З кінця 50-х років арсенід галію залучив до себе увага як напівпровідниковий матеріал, здатний у майбутньому в ряді випадків замінити кремній у технології мікроелектроніки. Тим не, менш, незважаючи на прогрес, досягнутий у створенні технології виробництва приладів на GаАs за минулі 30 років, лише в останні роки чекання, зв'язані з використанням цього матеріалу, починають збуватися.Арсенід галію привертає увагу дослідників як перспективний матеріал для мікроелектроніки завдяки рядові властивостей. Найважливішим з них є висока (у шість разів більша, ніж у кремнії) рухливість електронів в електричних полях низької напруженості, що потенційно дозволяє створити СВЧ-прилади з поліпшеними характеристиками. Інше достоїнство GаAs полягає у великій ширині його забороненої зони, що є необхідною умовою працездатності структур при підвищених температурах. Крім того, мала величина часу життя неосновних носіїв і більша, ніж у кремнію, ширина забороненої зони роблять GаАs більш перспективним матеріалом для створення радіаціонностійких приладів і інтегральних схем (ІС). Пластини GаАs можуть мати дуже високі значення питомого опору. Це дозволяє використовувати такий матеріал як діелектрик в інтегральних схемах, призначених для роботи в сантиметровому і міліметровому діапазонах довжин хвиль, і для ізоляції структур у цифрових інтегральних схемах.

Для створення гетероструктур матеріалів АIIIВV на підкладках GаАs, призначених для виготовлення високоякісних приладів, були розроблені складні методи вирощування епітаксіальних плівок. Оптичні властивості таких гетероструктур відкривають перспективи створення на одному кристалі GаАs елементів цифрових, надвисокочастотних і оптичних пристроїв .

Однак маються причини, що утрудняють практичну реалізацію тих переваг, що може дати застосування GаAs у технології мікроелектроніки. Визначений недолік арсеніду галію полягає в тім, що він є двох-компонентною сполукою. У зв'язку з цим приходиться знижувати максимальні температури під час технологічних процесів, запобігаючи тим самим дисоціацію сполуки поверхні структур. Легування за допомогою процесу дифузії, що знайшло широке застосування при виробництві кремнієвих приладів, виявилося практично неприйнятним при переході до GаAs. В арсеніду галію не існує і стабільного, легко формованого природного окислу, можливість одержання якого в кремнію з'явилася важливим фактором при створенні технології виробництва кремнієвих МОН-транзисторів. Поверхня GаАs більш сприйнятлива до впливу різних хімічних речовин, використовуваних у технологічних процесах, що вимагає в ряді випадків розробки нового підходу до реалізації цих процесів. Крім того, GаАs досить тендітний матеріал і підданий руйнуванню при технологічній обробці.

Переваги, що дає використання GаАs при створенні деяких типів приладів, стимулювали розширення його застосування протягом декількох останнього років незважаючи на необхідність рішення ряду непростих проблем. Завдяки зусиллям багатьох лабораторій і фірм в усім світі в даний час спостерігається прискорення досліджень і розробок, а в ряді випадків і виробництва приладів на GаАs.

Дана глава присвячена історії розвитку технології створення швидкодіючих і високочастотних приладів на GаАs і дослідженню найбільш важливих властивостей GаАs і аналогічних матеріалів. Обговорюються властивості дискретних приладів на GаАs, насамперед перспективних для застосування в ІС. Найбільш важливим класом приладів у цьому відношенні є польові транзистори, створення й удосконалювання яких є однієї з основних задач в області розробки технології виготовлення приладів на GаАs. Успіхи, досягнуті в удосконалюванні процесів епітаксіального росту плівок для готування вихідних матеріалів і структур, дозволили значно поліпшити якість останніх і розробити новий підхід до створення приладів на їхній основі. У даній главі оцінюються перспективи і переваги використання такого підходу стосовно до розробки інтегральних схем.

4.1 Початковий період розвитку

У 1952 р. були отримані два важливих результати: Шокли винайшов польовий транзистор і Уелкер повідомив про наявність властивостей напівпровідників у сполук типу АIIIВVЗараз, більш ніж тридцять років пізніше, починаються послідовні зусилля по розробці ІС на GаАs. Основним напрямком багатьох досліджень є удосконалювання технології виготовлення польових транзисторів. Не можна сказати, що шлях, пройдений дослідниками до того високого рівня

Рис 4.1. Основні етапи розвитку технології GаАs.

ПТ - польові транзистори, ЛПД - лавино-пролітні діоди, ЗУ - запам'ятовуючі пристрої, МЛЭ - молекулярно-променева епітаксія, БТ - біполярні транзистори; 1 - епітаксія з пар металоорганічної сполуки; 2 - вирощування кристала по методу Чохральского; 3 - статичні запам'ятовуючі пристрої з довільною вибіркою на транзисторах з високою рухливістю електронів ємністю 1ДО; 4 - логічні схеми на ПТ із затвором Шоттки.

Наприкінці 50-х - початку 60-х років найбільш розповсюдженими приладами мікроелектроніки були біполярні транзистори. Спочатку основна увага до GаАs було зв'язано зі спробами створення на основі цього матеріалу біполярних транзисторів, що перевершують по параметрах у діапазоні СВЧ кремнієві транзистори, і, крім того, працездатних при більш високих температурах переходів. Ці можливості GаAs порозумівалися більшими, ніж у кремнію, значеннями рухливості електронів і ширини забороненої зони. Перші біполярні транзистори на Gааs, що перевершують у той час кремнієві і СВЧ, що наближалися по параметрах у діапазоні, до германія, були описані в 1961 р. М. Джонсом і Е. Вурстом . Ці прилади, що мали дифузійну базу р-типа і сплавний еміттер n-типу, мали граничну частоту, рівної 730 Мгц. Значний обсяг робіт, виконаних при створенні таких транзисторів, фінансувався з виділених урядом США засобів на програму розробки біполярних транзисторів на GаАs з поліпшеними параметрами у СВЧ-діапазоні. Однак через недосконалість технологічних процесів тоді не удалося повною мірою досягти очікуваних результатів. У 1966 р. у роботі повідомлялося про виготовлення по планарній технології з використанням процесів епітаксії і дифузії біполярних транзисторів на GаАs.Типові значення граничної частоти для них складали 100-300 Мгц, що значно нижче розрахункової величини 1 Ггц. Тільки в 1980 р. було повідомлено про створення з використанням іонної імплантації біполярного транзистора на GаАs, що має граничну частоту, рівну 1 Ггц .

Одночасно з дослідженнями, спрямованими на створення приладів і ІС, проводилася інтенсивна розробка методів одержання кристалів арсеніду галію. У 1956 р. був вирощений кристал GаАs по методу Чохральского. У 1965 р. уперше для тієї ж мети використовувався метод Чохральского з обволіканням розплаву інертною рідиною. Цей метод дозволяє вирощувати кристали GаАs винятково високого ступеня чистоти. Метод Бриджмена також широко застосовувався для одержання монокристалів GаАs з низьким рівнем залишкових домішок, однак саме застосування методу Чохральского дозволило багатьом фірмам почати виробництво пластин GаАs діаметром 50 і 76 мм. До 1981 р. пластини такого діаметра виготовлялися тільки в лабораторних умовах.

Іншим напрямком технології створення матеріалів GаАs була розробка способу вирощування підкладок напівізолюючого GаАs з відтвореними властивостями. У якості домішки, що має глибокий рівень, використовувався хром. Цей спосіб є основним для одержання напівізолюючого матеріалу при вирощуванні монокристалівв GаАs по методу Бриджмена і по методу Чохральского[3].

Недавно широке поширення одержали напівізолюючі підкладки з нелегованого GаАs, вирощені по методу Чохральского. Розробка технології вирощування підкладок GаАs, що володіють високим питомим опором (108 Ом-см), зіграла велику роль у створенні високочастотних польових транзисторів і ІС СВЧ-діапазона. На ранніх етапах розвитку технології виготовлення структур на GаАs для формування активного шару використовувалися два метода епітаксії з рідкої і парової фази (PПФ). Для формування активних шарів структур, призначених для виготовлення приладів і ІС СВЧ-діапазона, найбільше поширення одержав метод епітаксії з парової фази. Це зв'язано головним чином з тим, що метод епитаксії з парової фази дозволяє одержати шари більш високої якості і більш однорідні по товщині в порівнянні з методом епітаксії з рідкої фази. Перші повідомлення про формування епітаксіальних шарів високої якості, придатних для виготовлення СВЧ-прприладів з використанням першого методу, були зроблені в середині 60-х років .

4.2 СВЧ-діоди

У 1963 р. була опублікована робота, у якій Ганн вперше описав явище, відоме зараз як ефект Ганна. Він спостерігав виникнення генерації в діапазоні СВЧ при проходженні електричного струму в зразку GаАs n-типу з омічними контактами на кінцях. Експеримент із ємнісним пробником, виконаний Ганном, показав, що виникнення СВЧ-коливань зв'язане з пересуванням домена сильного електричного поля через зразок. Кремер установив[3], що ефект Ганна зв'язаний з механізмом виникнення негативної провідності, що був незалежно передвіщений Рідлі й Уоткінсом, а також Хілсемом. Різні прояви ефекту Ганна досліджувалися протягом 60-х і початку 70-х років. Показником інтересу фахівців до цієї області може служити те, що журнал «Праці інституту інженерів по електротехніці і радіоелектроніці» присвятив цій проблемі спеціальні випуски). Більш половини статей в обох випусках були присвячені безпосередньо ефектові Ганна.

Ще одним класом СВЧ-діодів, створення яких уплинуло на розвиток технології виготовлення приладів на GаАs, є лавино-пролітні діоди (ЛПД).Ще в 1958 р. Рід пророчив[7], що в обратно-зміщеному діоді, у якого лавинна область з високою напруженістю електричного поля граничить з областю дрейфу з низькою напруженістю електричного поля, виникає генерація в діапазоні СВЧ. Однак тільки в 1965 р. були виготовлені перші ЛПД, у яких використовувалися кремнієві р-n - переходи . Їхня структура була значно простіше, ніж структура, запропонована Рідом. Повідомлення про перший ЛПД, виготовлених на GаАs, було зроблено Ірвіном у 1966 р. Інтерес до ЛПД на GаАs зріс у 1969 р. після створення Кімом і Армстронгом ЛПД із рекордною величиною КПД, рівної 11,5%, що перевищувало значення КПД у всіх виготовлених до того часу діодів. Пізніше в ЛПД на GаАs, що мають структуру, запропоновану Рідом, був отриманий КПД, що перевищує 20%.

Діоди Ганна і ЛПД не знайшли широкого застосування при розробці ІС на GаАs, незважаючи на значні зусилля, спрямовані на виготовлення ІС з діодами Ганна [3]. Першою спробою виготовлення ІС СВЧ-діапазона на GаАs було створення приймача сигналів на частоті 94 ГГц з убудованим генератором на діоді Ганна. Були розроблені і цифрові ІС на GаАs з діодами Ганна. Однак застосування таких ІС виявилося складним, і після створення технології виготовлення польових транзисторів на GаАs кількість робіт зі створення ІС з діодами Ганна значно скоротилася. Ці діоди можуть знайти застосування лише в монолітних ІС міліметрового діапазону як могутнього СВЧ-генератора. Недавно повідомлялося про створення ЛПД із розподіленими параметрами, придатних для виготовлення напівпровідникових ІС міліметрового діапазону.

4.3 Датчики температури

Поліпшення характеристик напівпровідникових датчиків температури і спрощення їх конструкції може бути досягнуте при використанні НЧЕ. Виготовлення таких датчиків здійснюється масовими методами планарної технології, які забезпечують отримання значень номінальних опорів з достатньо високоюточністю і, крім того, дозволяють використовувати при виготовленні лазерні методи підгонки номінальних опорів.Великі можливості із подальшого вдосконалення плівкових термодатчиків виникли з появою в серійному виробництві гетероепітаксійних КНС структур, що працюють в діапазоні температур від 70 до 720 К і що мають похибку 0,25 % та вихідний сигнал (4…20) мА.

В області середніх температур найчастіше використовується легований германій, як добре вивчений напівпровідниковий матеріал. При легуванні германію елементами III і IV груп, такими як галій і сурма, які є мілкими домішками з енергією активації порядку 0,01 еВ, можна виготовляти високочутливі термометри для роботи в діапазоні від 1 до 40 К з похибкою 0,005 К.

4.4 Гетероструктури

Роботи з виготовлення [3] лазерних і світловипромінюючих діодів (СВД) видимого діапазону на матеріалах АIIIВV привели в 60-х роках до створення методів епітаксіального росту плівок для виготовлення гетероструктур. Для вирощування плівок потрійних сполук, наприклад GаАsР, використовувалася епітаксія з рідкої фази (ЕРФ). Потреба в масовому виробництві СВД стимулювала створення відповідних промислових установок. Проте, незважаючи на спроби, початі в деяких дослідницьких лабораторіях, використовувати ЕРФ при виготовленні СВЧ-приладів, основним методом формування вихідних епітаксіальних структур для зазначених приладів став метод епітаксії з парової фази. Це було зв'язано з тим, що при епітаксії з парової фази з використанням трихлорида миш'яку досягається більш висока відтворюваність товщини плівок і краща якість їхньої поверхні, чим за допомогою методу ЕРФ. Однак виготовити цими способами гетероструктури високої якості не удалося. Одночасно з удосконалюванням методів ЕРФ і ЕПФ досліджувалася можливість створення епітаксіальних шарів методом молекулярно-променевий епітаксії (МПЕ). У 1974 р. метод МПЕ був використаний для виготовлення лавинно-пролітних діодів на GаАs. У тому ж році за допомогою методу МПЕ були створені лазерні діоди з двома гетеропереходами GаАs-АlGаАs. На два роки пізніше дослідники продемонстрували можливість застосування молекулярно-променевий епітаксії для створення могутніх польових транзисторів на GаАs. У 1975 р. була опублікована оглядова стаття, присвячена МПЕ.

Розвиток методу МПЕ для виготовлення структур з матеріалів АIIIВv стимулювало дослідження деяких нових приладових структур. У 1957 р. Кремер[3].висловив припущення, що біполярний транзистор з гетеропереходами, у якого ширина забороненої зони матеріалу в області еміттера більше, ніж у матеріалів областей колектора і бази, зможе працювати на високих частотах. Перше повідомлення про виготовлення біполярного транзистора з гетеропереходами СВЧ-діапазона була зроблена в 1972 р. Десять років пізніше група фахівців виготовила інтегральну схему, до складу якої входили біполярні транзистори з гетеропереходами GаАs-АlGаАs. Була використана інвертована структура, у якої еміттер сформований у підкладці n+ -типу. Така структура виявилася зручної при виготовленні ІС, аналогічних кремнієвим ІС інжекціоний логіки (МУЛ). У роботі повідомлялося про розробку матриці елементів МУЛ на 1 К- Були також виготовлені і ІС на біполярних транзисторах з гетеропереходами звичайної конфігурації, у яких колектором була підкладка ІС. Розроблена ІС еміттерно-зв'язаної логіки (ЕЗЛ) на біполярних транзисторах з гетеропереходами GаАs-АlGаАs. Цифрові ІС ЕЗЛ забезпечують більш високу швидкодію, чим ІС МУЛ, однак через значну потужність, що розсіюється логічними елементами ІС ЕЗЛ, створення великих і великих інтегральних схем (БІС і СБІС відповідно) даного типу наштовхується на значних труднощів.

Розроблений також новий тип приладів на гетероструктурах, подібний до польових транзисторів, перспективний для застосування в ІС. Основою приладів нового типу є надгратка гетеропереходів з періодичним по величині рівнем легування. Транзистори такого типу були виготовлені в декількох лабораторіях. Незважаючи на те що ці транзистори одержали різні найменування (НЕМТ, ТЕGFЕТ, SDНТ, МОDFЕТ), їхні структури відрізняються незначно. Особливістю таких транзисторів є те, що шар АlGаАs легований донорною домішкою великої концентрації, тоді як перенос електронів відбувається в прилеглій області нелегованого GаАs. У роботах повідомлялося про використання транзисторів такого типу для створення ІС дільників, що працюють при частоті вхідного сигналу трохи гігабод. Найбільш складної ІС на таких транзисторах з періодичним легуванням і високою рухливістю електронів, виготовленої в даний час, є схема статичного запам'ятовуючого пристрою ємністю 1К , час вибірки якої складає 0,9 нc при робочій температурі 77 К.

Висновок

Молекулярно-променева епітаксія (МПЕ) базується на конденсації молекулярних пучків у вакуумі і взаємодії кількох молекулярних пучків з нагрітою підкладкою. Суть процесу полягає у випаровуванні галiю і однієї чи кількох легуючих домішок або складової напівпровідникового матеріалу.

При написанні курсової роботи було вияснено:

1.МПЕ знайшла застосування у виробництві високочастотних і оптоелектронних приладів на основі GaAs і AlxGa1-x As.

2.Недоліки методу: технологічні труднощі контролю температури підкладки, внаслідок використання непрямого підігріву; поблизу поверхні підкладки можуть з'являтися газоподібні забруднення за рахунок підігріву ; існують обмеження форми і площі підкладки .

3.Епітаксія застосовується в основному для отримання плівок складних напівпровідникових з'єднань.

4. Основою приладів нового типу є надгратка гетеропереходів з періодичним по величині рівнем легування.

Список використаної літератури

1.Арсенид галлия. Пер. с англ. Под ред. А. А. Визеля. М.,”Советское радио”, 1997.Ї С. 10-12, 14, 19-27.

2.Современные приоры на основе арсенида галлия: Пер. с англ.ЇМ.: Мир, 1991.Ї С. 104-107, 116-121.

3.Арсенид галлия в микроєлектронике: Пер. с англ. с сокращ. и доп./Под ред. Н. Айнспрука, У. Уиссмена.ЇМ.: Мир, 1988.Ї С. 9-19.

4.Закалик Л. І., Ткачук Р. А. Основи мікроелектроніки. Навчальний посібник.ЇТернопіль: ТДТУ ім. І. Пулюя, 1998.Ї С. 130-131, 136-138.

5.Юхновський І.Р. Основи квантової механіки.- К.: Либідь,- 2002 р.,с.387-390

6.Лук'янець Б.А.,Товстюк К.К. Основи квантової теорії. - Львів:Видавництво „ Львівська політехніка”, 2000 р.

7.Готри З.Ю.,Лопатинсікий І.Є.,Лук'янець Б.А. та ін. Фізичні основи електроніки-Львів:Видавництво „Бескид Біт”- 2004 р.- с. 849-854.

Размещено на Allbest.ru