СПОСОБ ПРЕЦИЗИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

Изобретение относится к области синтеза тонких пленок на поверхности полупроводников A^IIIB^V и может быть применено в технологии создания твердотельных элементов газовых сенсоров, а именно для анализа и определения содержания газов, обладающих восстановительными свойствами, таких как аммиак, угарный газ, пары этанола.

Известно, что такие методы легирования тонких пленок, как молекулярно-лучевая и газофазная эпитаксия обладают при всех их достоинствах существенными недостатками: они требуют дорогостоящего оборудования, имеют высокую токсичность используемых исходных соединений, а также сложность протекающих химических процессов.

Известны газочувствительные датчики для определения содержания кислорода [патент РФ 2235315, МПК G01N 27/12, опубл. 10.05.2004] и сероводорода [патент РФ 2231053, МПК G01N 27/02, опубл. 20.06.2004], в которых газочувствительный слой напылялся на монокристаллическую пластину арсенида галлия, а затем легировался кислородом. Недостатком такого способа изготовления газочувствительных датчиков является сложность изготовления.

Известны способы получения слаболегированных слоев на поверхности арсенида галлия термическим окислением с использованием нескольких хемостимуляторов: PbO и Bi₂O₃ [Пенской П.К., Салиева Е.К., Кострюков В.Ф., Рембеза С.И., Миттова И.Я. Газочувствительность слаболегированных слоев полученных окислением GaAs в присутствии PbO и Bi₂O₃ // Вестник ВГУ. Серия: химия, биология, фармация. 2008, №1, стр.26-31]; PbO и V₂O₅ [Миттова И.Я., Пшестанчик В.Р., Кузнецова И.В., Кострюков В.Ф., Скороходова С.М., Медведева К.М. Влияние размера частиц активаторов на процесс термооксидирования GaAs под воздействием композиции PbO и V₂O₅ // Журн. Неорган. Химии, 2005, Т.50, №10, С.1603-1606];

Прототипом настоящего изобретения является способ легирования поверхности арсенида галлия, изложенный в статье [Кострюков В.Ф. Термическое окисление GaAs при совместном и пространственно разделенном воздействии оксидов свинца (II) и марганца (IV) // Вестник ВГУ. Серия: химия, биология, фармация. 2006, №2, стр.69-76]. Согласно способу в эксперименте использовались полированные пластины арсенида галлия марки АГЦЧ-1, ориентации (111). Предокислительную обработку поверхности GaAs осуществляли в концентрированной плавиковой кислоте (49%) в течение 10 мин с последующей отмывкой в дистиллированной воде. В качестве активаторов использовалась композиция оксида свинца (II) и оксида марганца (IV) состава от одного чистого компонента до другого с шагом 20 мол.%. Навеску помещали в кварцевый контейнер, крышкой которого служила окисляемая пластина арсенида галлия (расстояние до пластины 10 мм), и располагали в рабочей зоне печи. Окисление проводили при температурах 530 и 560°C; рабочая сторона пластины была обращена к потоку композиции оксидов. Ток кислорода был постоянным и составлял 30 л/час. Окисление проводили методом доокисления за время 10-60 мин.

Недостатком всех вышеперечисленных способов является то, что во всех них в состав композиции оксидов входят два оксида-хемостимулятора. Это приводит к нелинейным зависимостям от состава композиции таких свойств пленки, как ее толщина и содержание хемостимулятора, что не позволяет заранее точно предсказать степень легирования растущей оксидной пленки хемостимулятором и прецизионно ее контролировать. Также в данных способах используется температурная регулировка содержания активатора в оксидной пленке, что не очень удобно, так как окисление полупроводников происходит в очень ограниченном температурном интервале, ниже которого окисление практически не наблюдается, а выше которого происходит необратимая деградация полупроводниковой подложки.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке технически реализуемого способа создания на поверхности GaAs тонких пленок, содержащих заданное количество легирующего компонента в оксидном слое и обладающих газочувствительными свойствами.

Технический результат настоящего изобретения заключается в создании на поверхности GaAs тонкой оксидной пленки, содержащей прецизионно регулируемое количество легирующей примеси, с использованием простого оборудования экспрессным методом.

Технический результат достигается тем, что в способе прецизионного легирования тонких пленок на поверхности арсенида галлия, включающем обработку поверхности пластины арсенида галлия концентрированной плавиковой кислотой в течение 10 минут, промывку пластины дистиллированной водой, сушку на воздухе, окисление пластины в присутствии активного хемостимулятора - оксида свинца - (II) при температуре 530°C, скорости потока кислорода 30 л/ч в течение сорока минут, согласно изобретению, окисление проводится в присутствии оксида иттрия (III), причем его количественное содержание варьируется от 0 до 100 мол.% от оксида свинца (II).

На фиг.1 приведена таблица 1 полученных значений качественных показателей полученной оксидной пленки в зависимости от состава композиции.

Процесс формирования оксидных пленок на GaAs проводили в горизонтальном кварцевом реакторе диаметром 30 мм печи МТП-2М-50-500, предварительно разогретом до рабочей температуры 530°C. Скорость потока кислорода составляла 30 л/ч. Постоянство температуры в реакторе обеспечивалось измерителем и регулятором ТРМ-10 (±1°C).

Перед началом окисления поверхность полированных пластин GaAs обрабатывали концентрированной плавиковой кислотой. Время травления составляло 10 минут, после чего пластины промывались в дистиллированной воде и высушивались на воздухе. Обработка проводилась для удаления естественного оксидного слоя на поверхности и разного рода загрязнений.

Навеску композиции (PbO+Y₂O₃) заданного состава помещали в кварцевый контейнер, крышкой которого служила окисляемая пластина GaAs (расстояние до пластины 10 мм), и располагали в рабочей зоне печи. Составы композиций менялись от одного чистого компонента до другого с шагом 20 мол.%. Время оксидирования составляло 40 минут. Термооксидирование поверхности GaAs происходит при введении композиции оксидов через газовую фазу.

Такой способ формирования оксидных слоев на поверхности GaAs обеспечивает фиксированное содержание активатора в пленке (не более 3%), что необходимо для обеспечения газочувствительных свойств (на примере этанола, ацетона). Было установлено, что введение активного оксида в растущий на GaAs оксидный слой приводит к увеличению газового отклика (возрастание газовой чувствительности составляет от 20% до 40%). Величина газового отклика зависит от содержания активного оксида в пленке. Регулируя содержание активатора в оксидном слое, можно подбирать условия максимальной газовой чувствительности для того или иного газа. Была установлена строгая корреляция (линейная зависимость) содержания активного оксида (PbO) в пленке на поверхности GaAs от его содержания в композиции с инертным компонентом (Y₂O₃).

Данный способ обладает преимуществом перед температурной регулировкой содержания активатора в оксидной пленке, поскольку окисление полупроводников происходит в очень ограниченном температурном интервале, ниже которого окисление практически не наблюдается, а выше которого происходит необратимая деградация полупроводниковой подложки.

Пример 1. Если необходимо вырастить на поверхности GaAs пленку, легированную 1% свинца, необходимо вычислить отношение содержание свинца в необходимой пленке (1%) к содержанию свинца в слое, полученном под воздействием индивидуального оксида свинца (2,36%). Эта величина составляет 0,424. Тогда для получения на поверхности GaAs пленки, легированной свинцом на 1%, необходимо провести термооксидирование пластины арсенида галлия в присутствии композиции состава 42,4% PbO + 57,6% Y₂O₃.

Толщину сформированной таким образом на поверхности GaAs пленки определяли эллипсометрическим методом на лазерном эллипсометре ЛЭФ-754 с абсолютной погрешностью ±1 нм.

Для определения состава полученной на поверхности GaAs пленки использовали метод локального рентгеноспектрального микроанализа (ЛРСМА). Полученные результаты представлены в табл.1.

Как следует из полученных результатов, имеет место линейная зависимость между содержанием оксида-хемостимулятора в композиции и оксидной пленке на поверхности GaAs, и, как следствие, между содержанием хемостимулятора и толщиной пленки на поверхности GaAs.