Способ получения многослойной эпитаксиальной p-i-n структуры на основе соединений GaAs-GaAlAs методом жидкофазной эпитаксии

Изобретение относится к технологии получения многослойных полупроводниковых структур из соединений A³B⁵ методом жидкофазной эпитаксии, а более конкретно к способам изготовления полупроводниковых p-i-n структур в системе GaAs-GaAlAs для силовой электронной техники.

Преимущества системы GaAs-GaAlAs для задач силовой электроники принципиально могут быть реализованы при использовании многослойных p-i-n структур с протяженной высокоомной i-областью, которая обеспечивает высокие значения обратного пробивного напряжения (U_обр.).

Для получения p-i-n структур GaAs-GaAlAs с протяженной высокоомной i-областью и комплексом глубоких уровней (ГУ), обеспечивающим высокое быстродействие прибора, наилучшим образом подходит метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) в варианте, когда в качестве легирующих компонентов используют оксиды галлия и кремния [Крюков В.Л., Крюков Е.В., Меерович Л.А., Стрельченко С.С., Стрельченко С.С., Титивкин К.А. Перспективная технология получения высоковольтных p-i-n-структур GaAs-GaAlAs для силовой электроники / Наукоемкие технологии, 2014, №2, стр. 42-46].

Известен способ (RU, патент 2488911, опубл. 27.07.2013) изготовления полупроводниковой p-i-n структуры на основе соединений GaAs-GaAlAs методом жидкофазной эпитаксии. В данном способе формирование высокоомной i-области происходит в ходе выращивания эпитаксиального слоя в интервале температур 900-840°C в ростовом зазоре 2,5 мм.

Данный метод позволяет получать структуры со значениями обратного пробивного напряжения до 1200 B. Однако для целого ряда применений требуются структуры с U_o6p. более 1200 B, например, для трехфазных инверторов. Для повышения обратного пробивного напряжения в p-i-n структурах GaAs-GaAlAs необходимо увеличивать толщину высокоомной i-области, на что известный способ имеет свои ограничения.

В технологии ЖФЭ существует два основных варианта повышения толщины эпитаксиального слоя: увеличение толщины раствора-расплава, из которого происходит эпитаксиальное наращивание, что в устройствах прокачного типа соответствует увеличению ростового зазора между подложками, или же повышение начальной температуры процесса.

Однако каждый из этих вариантов несет свои недостатки. Для варианта, связанного с увеличением толщины раствора-расплава, это диффузионные ограничения. Необходимая расчетная ширина ростового зазора для получения достаточной толщины i-области, соответствующей обратным пробивным напряжениям свыше 1200 B, должна составлять не менее 4,5 мм. Но при таком увеличении ростового зазора даже при низких скоростях охлаждения не успевает происходить процесс диффузионного перераспределения мышьяка в ростовом зазоре и в объеме раствора-расплава развивается спонтанная кристаллизация, что приводит, наоборот, к уменьшению толщины эпитаксиального слоя. С другой стороны, увеличение начальной температуры роста в известном способе не приводит к эффективному увеличению толщины i-области, поскольку коэффициенты распределения примесей жестко привязаны к температуре. Попытка сместить положение p-n-перехода за счет изменения концентрации легирующих примесей приводит либо к сужению i-области, либо к формированию на вольт-амперных характеристиках структуры классической тиристорной области, что приводит к полной ее непригодности для дальнейшего использования в приборах.

Так, при увеличении начальной температуры формирования эпитаксиального слоя, содержащего высокоомную i-область, в известном способе до 915°C в начальной p-области структуры образуется узкая паразитная n-область. Образование тиристорной характеристики связано с тем, что присутствующий в расплаве кремний, восстановленный водородом из окисла SiO₂, при температурах выше 885-895°C (температурной области инверсии типа проводимости для примеси кремния в арсениде галлия), входит в подрешетку галлия и формирует донорный уровень. Попытка устранить паразитную область n-типа введением акцепторной примеси (Zn, Ge) всегда приводит к сужению i-области и, соответственно, падению значений обратного пробивного напряжения.

Также толщина высокоомной i-области может быть увеличена за счет варьирования скорости охлаждения ростового устройства в определенных температурных интервалах.

Известен способ единовременного получения p-i-n структуры GaAs-GaAlAs, имеющей p-, i- и n-области в одном эпитаксиальном слое (положительное решение по заявке №2015112975/28 (020315) от 15.06.2016). Сущность известного способа состоит в том, что в ходе процесса жидкофазной эпитаксии при выращивании эпитаксиального слоя, содержащего высокоомную i-область, ограниченную с двух сторон слаболегированными p^-- и n^--областями, применяют режим принудительного охлаждения, включающий в себя как минимум два этапа с различной скоростью охлаждения: первый - с более быстрой скоростью охлаждения в диапазоне V_охл.=1.0-2.0°C/мин и второй – с медленной скоростью охлаждения V_охл.=0.1-0.5°C/мин, а изменение скорости охлаждения производят при температуре инверсии типа проводимости.

Способ позволяет выращивать структуры с обратным пробивным напряжением до 1300 B, однако при этом толщина i-области остается ограниченной начальной температурой ее формирования.

Техническая задача, на решение которой направлен предлагаемый способ, состоит в устранении причин возникновения паразитной области n-типа в ходе выращивания p-i-n структур GaAs-GaAlAs с протяженной высокоомной i-областью методом ЖФЭ при повышении температуры начала эпитаксии.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого способа, состоит в повышении значений обратного пробивного напряжения одновременно с устранением тиристорных областей на вольт-амперных характеристиках получаемых структур.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать способ изготовления полупроводниковой р-i-n структуры на основе соединений GaAs-GaAlAs методом жидкофазной эпитаксии, включающий нагрев исходной шихты до определенной температуры для образования насыщенного раствора-расплава, компонентный состав которого формируют путем предварительного введения в исходную шихту в определенных количествах, как минимум, двух дополнительных твердых компонентов, представляющих собой двуокись кремния SiO₂ и окисел галлия состава Ga₂O₃, выдержку раствора-расплава на этой температуре определенное время, взаимодействие раствора-расплава с компонентами для формирования необходимого состава раствора-расплава, осуществление контакта подложки с полученным раствором-расплавом, последующее принудительное охлаждение для выращивания эпитаксиального слоя, имеющего p-i-n структуру, удаление подложки, покрытой эпитаксиальным слоем, имеющим p-i-n структуру, из-под расплава, причем до температурной области инверсии примеси кремния в арсениде галлия 885-895°C эпитаксиальный процесс проводят в атмосфере высокочистого инертного газа, а далее до температуры окончания эпитаксии - в атмосфере высокочистого водорода.

Известно [Берман Л.С., Данильченко В.Г., Корольков В.И., Солдатенков Ф.Ю. - Глубокоуровневые центры в нелегированных слоях p-GaAs, выращенных методом жидкофазной эпитаксии / ФТП 2000, т. 34, вып. 5, стр. 558-561], что в слоях p-типа проводимости, выращенных в атмосфере водорода и аргона, образуются различные ГУ, причем при выращивании в аргоне концентрация ГУ меньше, что объясняется значительно меньшей концентрацией кислорода и кремния. ГУ в образцах, выращенных в водороде, идентичны центрам HL2 и HL5, а в образцах, выращенных в аргоне, идентичны мышьяку в подрешетке галлия (центр HM1). Наличие ГУ HL2 и HL5 в образцах, выращенных в водороде, и их отсутствие в образцах, выращенных в аргоне, указывает на существенное влияние на формирование этих ГУ процесса взаимодействия водорода с примесями - кремнием и кислородом.

В ходе процесса выращивания в атмосфере водорода происходит восстановление оксида кремния, присутствующего в расплаве в качестве легирующего компонента. При этом расплав обогащается кремнием, который до точки своей температурной инверсии имеет донорную природу и, соответственно, может формировать неконтролируемые области n-типа проводимости. Использование инертного газа позволяет значительно уменьшить концентрацию кремния в растворе-расплаве за счет подавления реакции восстановления оксида кремния водородом. Тем самым при температурах выше температурной области инверсии кремния исключается перекомпенсация акцепторных уровней донорным уровнем кремния, что, в свою очередь позволяет использовать более высокие температуры начала эпитаксиального процесса, выращивать высокоомные i-области больший толщины, и, как следствие, получать более высокие значения обратного пробивного напряжения при одновременном исключении опасности возникновения тиристорных областей на вольт-амперных характеристиках.

При реализации способа могут быть использованы любые инертные газы, не обладающие, как и примеси в них, восстановительными свойствами, вызывающими восстановление кремния.

Разработанный способ может быть реализован при любых вариантах метода жидкофазной эпитаксии получения многослойной эпитаксиальной p-i-n структуры на основе соединений GaAs-GaAlAs.

Пример 1

Получение p-i-n структур GaAs-GaAlAs для силовых диодов.

Предварительно взвешивали компоненты исходной шихты в следующих пропорциях:

- Ga₂O₃ - 0.55 вес. %;

- SiO₂ - 0.22 вес. %.

Содержание в растворе-расплаве арсенида галлия определяли из расчета диаграммы состояния Al-Ga-As.

Проводили загрузку галлия, компонентов шихты и подложек GaAs p⁺-типа проводимости в графитовую кассету прокачного типа с вертикальным расположением подложек. Зазор между подложками был выбран 2.5 мм. В кварцевом реакторе в атмосфере водорода с точкой росы около -80°C проводили предварительный отжиг расплавов галлия с дополнительными примесями (гомогенизацию) для растворения всех компонентов шихты в расплавах и образования растворов-расплавов требуемого состава в течение 70 минут при температуре 950°C и потоке водорода через реактор 3 л/мин, после чего систему охлаждали до температуры 920°C, при которой первый раствор-расплав приводили в контакт с подложками GaAs p⁺-типа проводимости и начинали кристаллизацию буферного эпитаксиального слоя p-типа проводимости толщиной 8-11 мкм с концентрацией носителей около 5⋅10¹⁶ см^-3, путем принудительного охлаждения ростовой системы со скоростью около 0.7°C/мин. Затем при температуре 915°C производили смену растворов-расплавов. Из второго раствора-расплава выращивали основной эпитаксиальный слой с высокоомной i-областью до температуры 850°C, где опять производили смену растворов-расплавов. Толщина эпитаксиального слоя с высокоомной областью составляла 100-110 мкм. Далее в интервале температур 850-845°C из третьего раствора-расплава выращивали контактный n⁺-слой толщиной 3.5-4.5 мкм с концентрацией носителей (1.5-2.0)⋅10¹⁸ см^-3. После этого очередной сменой раствора-расплава эпитаксию прекращали, систему охлаждали до комнатной температуры. Графитовую кассету разгружали, полученные структуры химически отмывали от остатков раствора-расплава по стандартной технологии. Из полученных эпитаксиальных структур GaAs-GaAlAs были изготовлены диоды с использованием стандартных методов фотолитографии, травления, напыления и вжигания контактов. Измерения характеристик приборов проводили в непрерывном и импульсном режимах при комнатной температуре (20°C). Результаты измерений приведены ниже:

U_R - 1200-1300 B (при токе 100 мкА). При увеличении обратного тока более 500 мкА происходил необратимый пробой диода, лавинный пробой не наблюдался.

Прямое падение напряжения на диоде (U_F) составило величину более 20 B, при этом на вольт-амперной характеристике наблюдалась S-образность, характерная для тиристорной области. При этом время обратного восстановления (t_rr) измерить не удалось, т.к. не устанавливался прямой ток.

Таким образом, выращенные по указанной технологии p-i-n структуры GaAs-GaAlAs оказались полностью непригодны для изготовления силовых диодов.

Пример 2

Проводили аналогичный эпитаксиальный процесс выращивания p-i-n структуры GaAs-GaAlAs, отличающийся тем, что эпитаксию начинали проводить в атмосфере аргона (AIRLIQUIDE марки ARCAL 1 чистотой 99,998%) при протоке через реактор 3 л/мин. При температуре 890°C производили смену подачи аргона в реактор на подачу водорода с точкой росы около -80°C. Из полученных эпитаксиальных структур были изготовлены диоды, параметры которых приведены ниже:

U_R - 1500-1600 B;

U_F - 1,5-1,7 B (при этом на вольт-амперной характеристике не наблюдалась S-образность);

t_rr - 15-20 нс.

Таким образом, предложенный способ позволяет увеличить толщину i-области, а соответственно, и повысить значения обратного пробивного напряжения при сохранении диодной структуры прибора (отсутствии S-образности на ВАХ) за счет повышения начальной температуры наращивания эпитаксиального слоя, содержащего высокоомную область.