Способ изготовления эпитаксиальных пленочных структур

оц 29 Ш 4 ОП ИСАН ИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУСоюз Советских Сойиалистических Республик(45) Дата опубликования описания 07.02.82(51)М.Кл.з Н 01 . 21/205 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытиййС. В. Гапонов, Б, М, Лускин и Н. Н, Салащенко,тЕ йтз.". ", сЪ 4 р;," тсИнститут прикладной физики АИ СССР(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУРИзобретение относится к технологии изготовления электронных, оптических и электрических приборов на твердом теле.Изобретение направлено на усовершенствование технологии изготовления твердотельных (в том числе и полупроводниковых) приборов на основе многослойных пленочных эпитаксиальных структур. Наиболее важное применение изсйбретения связано с использованием его при изготовлении многослойных периодических гетероэпитаксиальных структур типа сверхрешетки, позволяющих по теоретическим оценкам расширить верхний предел частотного диапазона твердотельных приборов с 10" Гц до 10 з Гц. Структуры типа сверхрешетки характеризуются тем, что в них помимо периодического потенциала кристаллической решетки существует дополнительный потенциал с большим периодом,Энергетический спектр носителей тока в такой структуре имеет минизонный характер, который проявляется, в частности, наличием на вольтамперной характеристике участков с отрицательной дифференциальной проводимостью. Изготовление приборов типа сверхрешетки возможно на основе чередующихся сверхтонких (с Отолщиной менее 100 А) эпитаксиальных пленок из материалов с практически идентичными параметрами кристаллических решеток, От выбора материалов, образующих гетероструктуру, зависит величина потенциального барьера между ними и, следовательно, электрические характеристики прибора. Метод молекулярных пучков 1 О Опозволяет получать пленки толщиной 20 - 50 А; метод лазерного напыления при работе лазера в режиме свободной генерации (длительность импульса т - 10 - с, плотность мощности излучения на поверхности 15 испаряемой мишени д - 10 Вт/см ) позволяет получить сплошные ориентированные0пленки толщиной20 А, а при работе в режиме модулированной добротности (- - 10 - з с, дО Вт см) пленки толщиОной 5 - 10 А. Известен способ получения многослойных структур, состоящих из чередующихся 25 слоев материалов типа АиВ с близкими значениями постоянной решетки методом молекулярной эпитаксии, заключающийся в последовательности эпитаксиальном наращивании на монокристаллическую ЗО подложку слоев арсенида галия толщиной 60 А и арсенида галлия - алюминияотолщиной 10 А 1.Периоды кристаллических решеток эпитаксиальных слоев различаются не болеечем на 0,3 - 0,5/,.Недостаток способа заключается в том,что он реализуем только на материалах сидеально близкими кристаллическимиструктурами,Этим способом в приципе невозможноизготовление сверхрешеток из одного материала на р - и переходах из-за флюктуаций носителей тока в сверхтонких пленках, приводящих к размыванию потенциального барьера. Сложность подбора компонент гетероструктуры ограничивает возможность изготовления приборов с различными вольгамперными характеристиками. В изготовленных этим способом многослойных структурах, состоящих из разнородных материалов, возможны разрушающие прибор термические напряжениякристаллических структурах с разнымикоэффициентами теплового расширения,так как температура эпитаксии и рабочаятемпература прибора существенно отличаются. Многослойность же структуры необходима для согласования прибора с элементами радиочастотного тракта (единственным путем повышения сопротивленияприбора при разумных размерах контактных площадок является увеличение парслоев гетероструктуры, т, е. ее толщины).Наиболее близким техническим решением является способ изготовления эпитаксиальных пленочных структур путем нанесения на монокристаллическую подложку неориентированной пленки, на которуюзатем наносят вторую пленку, эпитаксиальную подложке 2.Этот способ, выбранный в качестве прототипа, закл 1 ОчаЕтСя в ОсажДЕнИИ на кРемниевую пластинку заданной ориентациитонкого промежуточното слоя из диэлектрического материала и последующем эпитаксиальном выращивании на нем монокристаллической кремниевой пленки.Промежуточный слой выполняют издвуокиси кремния и толщину этого слоявыбирают в пределах от 10 до 50 нм, В случае, если промежуточный слой выполняютиз нитрида кремния, толщина его составляет 10 - 500 нм.Недостатками способа является то, чтоон неприемлем для изготовления многослойных структур типа сверхрешеток иможет быть реализован лишь для небольшого класса материалов.Основной недостаток известкого способа связан с тем, что при реализации способа в качестве ориентирующих центровиспользуются естественные дефекты ориентирующей монокристаллической подложки, а сплошные пленки образуются на тол 510 15 20 йг; з 0 35 40 45 50 55 60 65 шинах, сравнимых с междефектным расстоянием. Поскольку количестго естественных дефектов в кристаллах,:,:спользуемых в качестве ориентирующих подложек, не превышает 10" см - ", то и получаемые этим способом пленки имеют толошину - 10 А, что неприемлемо для создания структур типа св рхрешетки. Этот способ в принципе не допускает использования методов напыл пия пленок со скоростями конденсации, достаточнообольшими (1 О - 10 А/с) для получения сплошных ориентированных сверхтонкихЦелью изообретепия является получение многослойных структур и рас цирепие класса используемых материалов.Псставленнгя 4 ы достигается тем. что в способе изготовления эпитаксиальных пленочных структур путем нанесения на монокристаллическую подложку пеориентгрованной пленки, на которую затем наносят вторую пленку, эпитакспальную подложке, перел нанесеем эпптаксиальной пленки подлокку с нанесенной на нее ориентированной пленкой облучают высокоэнергетическими частицами, преимущественно быстрыми ионами лазерной плазки с энергией (1 - 5) 10 З эВ.Изобретение может быть реализовано на установке лазерного напыления или на других установках, например на установке с дискретным напылением или с молекулярными пучками, которые, однако, должны быть снабжены источниками высокоэнергетичных (10 эВ) частиц. В общем случае выбор той или иной установки опгеделяется требованиями, прельявляемыми к толщине пленок и их электрофизическим свойствам.Установка содержит два лазера, один из которых работает в режиме свободной генерации, а другой в режиме модулированной добротности с интенсивностью излучения на поверхности испаряемого материала не менеее 109 Вт/см. Второй лазер используется в качестве источника высокоэнергетичных частиц. Монокристаллическая подложка, на которую наносят компоненты гетероструктуры, и вращающийся столик, на котором размещены образцы напыляемых материалов, установлены в вакуумной камере. Режим работы установки задается блоком управления.Подложка представляет собой моно- кристалл или любую многослойную структуру, поверхность которой соответствует сечению монокристалла. Подложка и образцы напыляемых материалов могут быть металлами, полупроводниками или диэлектриками. Один из образцов представляет собой любой из известных материалов, образующих аморфные или мелкодисперсионные поликристаллические, т, е. неориен 791114тированные, пленки. Постоянные решеток остальных материалов близки друг к другу.Сущность способа заключается в следующем.В зависимости от требуемой толщины неориентированной пленки первым или вторым лазером на ориентирующую подложку напыляют пленку из аморфно;о или мелкодисперсного поликристаллического материала. Затем излучением второго лазера с интенсивностью 109 Вт/см 2 из материала, постоянная решетки которого близка постоянной решетки подложки, создают плазменный факел, в котором грисутствуют быс 1 рые ионы с энергией (1 - 5) 10 эВ. Эти ионы пронизывают неориентированную прослойку, образуя в подложке точечные дефекты типа вакансий, однозначно связанные с узлами кристаллической решетки и живущие в приповерхностном слое - 10 - " с. Кулоновские поля дефектов оказывают ориентирующее действие на рост пленки из конденсата, поступающего на поверхность подложки вслед за потоком быстрых ионов. Скорость поступления конденсата должна быть такой, чтобы за время существования дефектов обеспечить образование пленки толщиной монослоя. т. е. - 105 А/с, В установке, использующей в качестве источника высокоэнергетичных частиц второй лазер с модулированной добротностью, конденсат поступает из медленной части плазменного факела, формируя таким образом в течение одного лазерного импульса на неориентированной пленке ориентированную монокрисо таллическую пленку толщиной (5 - 10) А.Необходимое для ориентированного роста эпитаксиальной пленки количество дефектов в подложке задают плотностью потока высокоэнергетичных частиц, Плотность потока высокоэнергетичных частиц можно регулировать, изменяя интенсивность лазерного излучения на поверхности образца. При необходимости толщину эпитаксиальной пленки увеличивают, напыляя на нее с помощью первого и второго лазера пленку из того же материала.При изготовлении многослойной структуры на нее снова наносят неориентированную пленку и т. д. Толщину пленок варьируют использованием на различных этапах изготовления гетер оэпитакси альных структур либо первым, либо вторым лазером, Однако после нанесения неориентированной пленки обязательно должно быть облучение ее потоком высокоэнергетичных частиц, источником которых в описанной установке является второй лазер, работающий в режиме модулированной добротности,Способ .позволяет изготовить многослойные структуры из ,монокристаллических металлических или полу 1 пфроводниковых или диэлектрических слоев с прослойками из аморфного или мелкодисперсионного поликристаллического материала, а также любую комбинацию металлических, диэлектрических и,полупроводниковых слоев при использовании веществ с одинаковым шагом (одинакозыми постоянными) кристалличе=ких решеток, Использование ла зера с модулированной добротностью позвочяет получить м,югослойные структуры, состоящие из монокристаллических слоев порядка мопослоя.Предлагаемым способом возможно изготовлять многослойные твердотельные приборы, в которы.; разделенные,неориентироваными пленками барьерные и прОводящие слои выполнены из одного и того же материала, Возможность изготовления ба.20 р.ерных и проводящих слоев,из одного итого же материала обусловлена зависимостью ширины запрещенной зоны Еот толщины 1- сверхтонких пленок:/1.Х25д2 огl -где Е, - ширина запрещенной зоны массивного материала;т - эффективная масса носителей 30 тока;- постоянная Планка.Многослойные периодические структуры, в которых барьерные,и проводящие слои выполнены из одного материала, являются структурами нового типа. Экспериментальные исследования этаких структур выявили в оптических свойствах и вольтамперных характеристиках особенности, характерные для структур типа сверхрешеток (традиционно под сверхрешеткой понимают кристаллическую сгруктуру, состоящую из гетероэпитаксиальных слоев двух полупроводников с различными электрофизическими свойствами) .Изготовлены и исследованы структуры,проводящие слои которых выполнены из материала группы Апач (например 1 п, 5 Ь) или из материала группы ЛчВс(РЬТе) толщиной 50 - 100 А, а барьерные слои - из того же материала толщиной 15 А, В качестве материала для неориентированных пленок в различных структурах использовались углерод, теллур, селен и германии; толщина неориентированныхопленок составляла 5 - 10 А. Изготовлены и исследованы также структуры, представляющие собой систему эквидистантных монокристаллических слоев,из материалов групп А . ;или А,Б; и.-и,из висмута, разделенные барьерными слоями из неориоентировачных пленок толщиной 5 - 15 А,Таким образом, предлагаемый способ % позволяет изготовить эпитаксиальные але791114 формула изобретения Составитель А. Шубин Техред Л. Куклина Редактор С, Титова Корректор С. Файн Заказ 25/33 Изд.104 Тираж 757 Подписное.НПО сПоискэ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Тип. Харьк. фил. пред. Патент ночные спруктуры, в том числе и мнопослойные периодические структуры на основе сверхтонких монокристаллических пленок, используя не только разнородные материалы с одинаковыми кристаллическими ,решетками, но и практически любой один ,материал,как в качестве барьерного, так и проводяшего слоев. Это не только упрощает технологию изготовления приборов, но и позволяет создавать приборы нового тиша. Способ изготовления эпитакаиальных дленочных структур путем нанесения на монюкристаллическую подложку неориенти.рованной пленки, на которую затем наносят вторую пленку, эпитаксиальную подложке, о тл и ч а ю щ ий ся тем, что, с целью получения многослойных структур и: расширения класса ислользуемых материалов, перед нанесением эпитаксиальной 5 плении подложку с нанесенной,на нее неориентированной пленкой облучают высокоэнергетическими частицами, нреимущественно быстрыми ионами лазерной плазмы с энерпией (1 - Б) 10 з эВ.10 Источники;информации, принятые во