專利名稱:多層外延砷化鎵的雙源法和裝置的制作方法
本發(fā)明屬于氣相化學(xué)淀積領(lǐng)域，特別是和多層氣相外延GaAs相關(guān)。
Te、Sn擴(kuò)散系數(shù)小，Te又非兩性，它們易于得到陡峭的高遷移率的多層結(jié)構(gòu)。但它們都與Ga生成合金，并在源殼中分凝，因而無論是把它們摻入Ga中或放在Ga源前的任何方法都不穩(wěn)定。后來R.Sankaran在J.Crystal Growth 50(1980)P859-864上提出的(C2H5)2Te方法，不但費(fèi)用貴，且有安全問題。本發(fā)明的目的，是提供一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用而產(chǎn)品性能好的多層生長(zhǎng)方法。其原理是利用AsCl3-Ga-H2系統(tǒng)源區(qū)中非平衡HCl的存在，因此可把重?fù)絋e或Sn的GaAs單晶切片作雜源放于鎵源后的腐蝕區(qū)內(nèi)，就被腐蝕而貢獻(xiàn)出摻雜劑，其量與雜源的溫度、面積大小和本身的摻雜濃度相關(guān)。它們會(huì)有效地沉積于生長(zhǎng)的襯底上(見Fumio、Hasegawa等Japan.J.appl.Phys.7(1968)P1342-1347)

圖1為反應(yīng)管及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它由細(xì)的源區(qū)和粗的主要為沉積區(qū)的兩種園柱狀管組成。源分鎵源(4)和雜源(7)兩部分，中間借助于接于鎵舟上部的托板(5)相連，又以多孔篩板(6)隔開，以防止雜源污染鎵源。鎵盛于一小長(zhǎng)方體舟內(nèi)，取小面積為的是源區(qū)中有足夠的非平衡HCl。雜源由面積為1cm×1cm有一定取向的重?fù)襟w單晶切片，經(jīng)機(jī)械化學(xué)拋光、腐蝕清洗吹干后放入磨好的緊密的凹槽(7)內(nèi)，一般可放一至兩片，其凹槽位置的選擇見下文。通過反應(yīng)管外的線圈(2)磁拉拉桿(3)前端封住的鐵芯(1)，以調(diào)整鎵源和雜源的溫度。尾勾(8)是為將拉桿(3)放入進(jìn)氣管(17)中和為取出整個(gè)源而用。沉積區(qū)的襯底托板(9)也磨好凹槽，同樣為防止基片的滑動(dòng)，它也被線圈(13)、鐵芯(14)、拉桿(10)通過磁拉而前后移動(dòng)。接于拉桿(10)后端的粗管(12)為防止磁拉時(shí)拉桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)楹苤氐蔫F芯是封在這個(gè)粗管的底部的。下方納污管(11)為一半石英管其外徑比反應(yīng)管內(nèi)徑略小，以防其搖動(dòng)，其上部的凹面為使拉桿移動(dòng)時(shí)始終處于最低處而不離開其徑向位置。納污管頭部位置要適當(dāng)，以使反應(yīng)管壁上沒有GaAs沉積，這同時(shí)要求外延片的生長(zhǎng)必需在沉積區(qū)的最前部。其尾端(16)為一外徑與反應(yīng)管內(nèi)徑大致密合的短管，其端口研磨到與反應(yīng)管帽的半球形大致密合，并正對(duì)出氣管(20)的接口。兩個(gè)密合使通過管(15)進(jìn)入的逆流保護(hù)氣體絕大部分都經(jīng)納污管排出。標(biāo)尺(18)、(19)為精確測(cè)定鐵芯的位置。圖中襯底托是水平生長(zhǎng)的，當(dāng)然可更換成立式生長(zhǎng)的。除鐵芯、線圈、標(biāo)尺外，其它都用石英制成。
圖2為爐溫分布曲線。爐溫除要求精確控制外，其分布尚有如下要求1、源恒溫區(qū)的長(zhǎng)度(BC)要稍大于鎵源與首片雜源兩相鄰邊界之間的距離，這是為了保證鎵源在恒溫區(qū)內(nèi)拉動(dòng)時(shí)，雜源可調(diào)到腐蝕區(qū)內(nèi)任一溫度，以得到較廣泛的摻雜濃度。
2、前端爐口由550℃升到恒溫區(qū)850℃前沿的距離(AB)要小于前述的鎵源與雜源間距離，這主要為n++層的生長(zhǎng)，屆時(shí)鎵源可前拉至處于550℃以下其化學(xué)反應(yīng)可忽略的“休息”狀態(tài)，而雜源正處于850℃的恒溫區(qū)。
3、飽和溫度點(diǎn)(E)前，最好能調(diào)制出一小段(DE)梯度小的爐溫曲線，這是為了能作到襯底的微腐蝕。
這些要求可通過爐溫曲線的調(diào)制及雜源凹槽位置的調(diào)換而實(shí)現(xiàn)。
本法適用于由n+和n++組成的各種多層結(jié)構(gòu)。對(duì)雜源要求縱向橫向均勻，沒有雜質(zhì)條紋，濃度在1018cm-3以上。保證生長(zhǎng)條件穩(wěn)定，仍是重復(fù)性的基本條件，如氣流流速、爐溫等，尤其是生長(zhǎng)溫度，對(duì)于摻Te極為重要。在襯底裝入反應(yīng)管開始生長(zhǎng)前，以及長(zhǎng)完一層后新層開始生長(zhǎng)前，都將襯底拉至微腐蝕區(qū)(DE)，適當(dāng)加大流速，同時(shí)調(diào)整鎵源與雜源的溫度位置，待鎵源重新成殼或氣相組分達(dá)到新的平衡狀態(tài)后，調(diào)回流速，再將襯底拉至生長(zhǎng)位置外延生長(zhǎng)。為了防止雜源及鎵源的氧化，裝、取襯底最好在手套箱中進(jìn)行。
本法的顯著優(yōu)點(diǎn)是1、過渡層小，濃度變化陡峭。
因?yàn)槊總€(gè)層生長(zhǎng)前，襯底都處于微腐蝕狀態(tài)，避開了反應(yīng)管中的各組分濃度漸變、建立新的平衡過程中而引起的緩變層的生長(zhǎng)。這種改變襯底溫度進(jìn)行的腐蝕能作到速度最小的腐蝕，因?yàn)槭前阉诮柡蜏囟鹊奈恢蒙?。由于必需要有過飽和度才能成核，緊靠飽和點(diǎn)是既不生長(zhǎng)又不腐蝕的。我們把飽和溫度之前的一小段距離內(nèi)的溫度梯度變小，就能作到最微小的腐蝕。當(dāng)新的平衡建立，把襯底拉至生長(zhǎng)位置開始生長(zhǎng)時(shí)，腐蝕雖停止了，但由于原腐蝕量極微，對(duì)氣相成分的影響很小，可以忽略，我們可以認(rèn)為生長(zhǎng)是在氣相組分都沒有任何改變的情況下進(jìn)行的。這就保證了每個(gè)層生長(zhǎng)均勻，過渡區(qū)小。而用源后注入腐蝕氣流的辦法，不但達(dá)不到這樣微少的腐蝕，而且當(dāng)關(guān)閉或減小腐蝕氣流后，襯底的生長(zhǎng)，是在這種氣相組分逐漸變化過程中的某一時(shí)刻開始并進(jìn)行的。其次，襯底由腐蝕區(qū)移向生長(zhǎng)區(qū)，是磁拉小小的襯底托板，其熱容量小，溫差又小，還有導(dǎo)熱快的氫沖吹，到達(dá)新的平衡溫度的時(shí)間快，這也是造成陡峭分布的條件。而雙室法襯底拉動(dòng)距離大，溫差也大。
2、保證了有源區(qū)的高遷移率。
有源區(qū)的生長(zhǎng)，主要靠鎵源提供的鎵，雜源供給的很少，因此它保留了Ga-AsCl3-H2系統(tǒng)高遷移率的優(yōu)點(diǎn)。而雜源提供的Te、Sn純度高，因?yàn)轶w單晶生長(zhǎng)時(shí)就有分凝掉其中一些雜質(zhì)的作用。
3、重復(fù)性好。
雜源具有恒定面積和一定取向，其溫度又可精確調(diào)節(jié)，這就保證了恒定腐蝕速率。而單質(zhì)固體雜源穩(wěn)定性就差，因蒸發(fā)時(shí)體積、表面積都漸小，晶型也往往發(fā)生改變。篩板和納污管在消除本方法的不穩(wěn)定因素上都起重要作用，前者防止了鎵源的污染，后者使反應(yīng)管內(nèi)壁及納污管外壁都沒有GaAs沉積，這不但克服了寄生生長(zhǎng)，而且也防止了沉積于管壁上GaAs中的Te、Sn對(duì)外延的摻雜。由于納污管通道窄，又有逆流氣體通過，故其流速快，雜質(zhì)物種自納污管中擴(kuò)散出來再摻于外延片上的幾率就很小了。
4、氣相組分建立新的平衡速度快。
這是因?yàn)榉磻?yīng)管內(nèi)起作用的有效空間小，因其前部是體積小的細(xì)管，其后部自納污管以后的很大空間又被逆流氣體隔除。納污管在反應(yīng)管的最下部，減少了氣流分層的不利作用，因?yàn)槠渌煞侄急葰渲?，這就有利于它們以及雜質(zhì)氣體的排出。
5、操作簡(jiǎn)便，雜源成本低，易得易保存，本法經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
本發(fā)明雖然是針對(duì)氯化物系統(tǒng)而言，但依照其精神，將其應(yīng)用于具備條件的它種系統(tǒng)，仍屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.氣相外延摻Te或摻SnGaAs，且在同一次中實(shí)現(xiàn)不同摻雜濃度的多層生長(zhǎng)，本方法的特征是通過改變反應(yīng)管內(nèi)鎵源和雜源溫度，以調(diào)制不同的摻雜濃度，及至把鎵源處于550℃以下的“休息”狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)重?fù)絥++層的生長(zhǎng)。同時(shí)，每層生長(zhǎng)前，都是磁拉熱容量小的托板及其上襯底至微腐蝕區(qū)進(jìn)行氣相腐蝕，以避開緩變層的生長(zhǎng)。
2.使用如權(quán)利要求
1所述方法的裝置，由反應(yīng)管及其內(nèi)的源、納污管、襯底托板組成，其特征為在反應(yīng)過程中通過外部線圈磁拉使其移動(dòng)的鎵源，及與其連結(jié)而又被多孔篩板隔開的雜源，通過另一組外部線圈磁拉的襯底托板，放在反應(yīng)管底部的帶有凹面的靠?jī)蓚€(gè)密合使逆流氣體通過它的納污管。
專利摘要
本發(fā)明屬于摻雜的氣相化學(xué)淀積技術(shù)領(lǐng)域：
。為解決摻Te或摻Sn GaAs多層結(jié)構(gòu)的制作，把重?fù)絋e或Sn的GaAs單晶切片置于氯化物系統(tǒng)鎵源后的腐蝕區(qū)作雜源，用磁拉方法改變兩源的溫度，以進(jìn)行多層生長(zhǎng)。用將襯底磁拉至微腐蝕區(qū)的方法，避開為生長(zhǎng)新層而在反應(yīng)管內(nèi)建立新的氣相組分過程中所引起的緩變層的生長(zhǎng)。本法成本低，操作簡(jiǎn)便、安全，質(zhì)量重復(fù)可靠。
文檔編號(hào)H01L21/223GK86104689SQ86104689
公開日1988年1月27日 申請(qǐng)日期1986年7月10日
發(fā)明者楊韌 申請(qǐng)人:楊韌導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan