3.1.1. Химическое осаждение из газовой фазы

Химическое осаждение из газовой фазы широко используется для создания полупроводниковых эпитаксиальных структур. Оно включает ориентированный рост монокристаллической пленки из материала, поступающего из газовой фазы, на подходящей для этих целей монокристаллической подложке. Газовая среда может содержать как пары кристаллизующегося материала, так и газообразные реагенты, способные в процессе химических реакций на подложке образовать необходимый для эпитаксиального роста материал. Осаждение пленок обычно проводится в проточных камерах, где газ-носитель, содержащий соответствующие реагенты, пропускается над нагретой монокристаллической подложкой. Химический состав, давление газа и температура подложки являются главными параметрами, контролирующими процесс осаждения и свойства осажденных пленок.

Среди разнообразия методов проведения химического осаждения из газовой фазы использование металлорганических соединений в качестве исходных газообразных реагентов дает наилучший результат при создании совершенных сверхрешеток с резкой границей раздела и толщиной вплоть до одного монослоя.

Термин «металлорганика» относится к обширной группе соединений, имеющих химические связи металл-углерод, а также металл-кислород-углерод и координационные связи между металлами и органическими молекулами. В практике же химического осаждения пленок из металлорганических соединений преимущественно используются алкилы металлов с метиловой (СН₃) и этиловой (С₂Н₅) группами радикалов. Для этих целей подходят соединения металлов (алюминия, бериллия, кадмия, магния, олова, цинка) и полупроводников (галлия, германия, индия, кремния, фосфора). Большинство из этих соединений – это жидкости при комнатной температуре. Их вводят в реакционную камеру в потоке газа-носителя, предварительно насыщенного парами данного соединения в барботере, где газ-носитель проходит в виде пузырьков через жидкое металлорганическое соединение. Осаждение может проводиться как при атмосферном, так и при пониженном давлении реагентов в камере.

Рис. 3.1. Принципиальная компоновка установки для химического осаждения пленок из газовой фазы металлорганических соединений

Например, в установке для химического осаждения из металлорганических соединений (рис. 2.9) в варианте, типичном для осаждения GaAs и гетероструктур GaAlAs, триметилгаллий ((CH₃)₃Ga) и триметилалюминий ((СН₃)₃А1) служат источником металла третьей группы. Элементы пятой группы обычно вводятся в форме гидридов, таких как AsH₃. Другие широко используемые гидриды – силаны и германы различных видов, фосфин, арсин, сероводород, селеноводород.

В качестве газа-носителя чаще всего применяют водород, чтобы предотвратить неконтролируемый пиролиз алкилов и гидридов. Химические превращения, происходящие на нагретой поверхности подложки, схематически можно представить следующей реакцией:

.

(3.1)

Акцепторные примеси, такие как Zn или Cd, могут быть введены в реакционную камеру в составе алкилов, а донорные, такие как Si, S, Se, – в составе гидридов. Для осаждения пленок полупроводниковых нитридов третьей группы (A IN, GaN, InN) в качестве источника азота используется аммиак (NH₃).

Для формирования резких границ раздела путем изменения химического состава осаждаемого материала или легирующей примеси необходимо быстро изменять состав газовой смеси в реакционной камере. Для этого объемы смесительной камеры и самой реакционной камеры должны быть минимизированы. Изменение состава газовой смеси должно происходить без изменения общего потока газа через реакционную камеру. Наиболее резкие межфазные границы удается сформировать с использованием режимов скоростного нагрева, когда продолжительность поддержания подложки при необходимой для осаждения температуре ограничена 30…60 с. При этом значительно уменьшается диф
фузионное перераспределение компонентов в окрестностях границ раздела.

Химическое осаждение из газообразных металлорганических соединений обеспечивает осаждение практически всех бинарных, тройных и четверных полупроводниковых соединений A^IIIB^V с высокой степенью их стехиометричности. Этот метод успешно применяется и для осаждения других полупроводников, таких как A^IIB^VI, а также оксидов. При помощи этого метода формируются не только сплошные эпитаксиальные пленки, но и квантовые шнуры и квантовые точки.

Механизмы образования наноразмерных структур рассмотрены в подразделе 3.10.3 «Самосборка при эпитаксии». Главным преимуществом метода является возможность одновременной обработки большого количества подложек, что как нельзя лучше соответствует требованиям массового производства. Ограничением метода является трудно контролируемое загрязнение материала пленок углеродом, а также необходимость принимать серьезные меры безопасности при работе с гидридами, которые токсичны и взрывоопасны.