НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2008, том 44, № 9, с. 1036-1040
УДК 546.681:19
ДИФФУЗИЯ ХРОМА В GaAs В ОТКРЫТОЙ СИСТЕМЕ
© 2008 г. М. В. Ардышев, И. А. Прудаев, О. П. Толбанов, С. С. Хлудков
Сибирский физико-технический институт Томского государственного университет,
e-mail: mikhail_ardyshev@yahoo. com Поступила в редакцию 06.12.2007 г.
Исследована диффузия хрома из поверхностного слоя, полученного вакуумным напылением, в GaAs я-типа проводимости в проточной инертно-восстановительной атмосфере. Получены температурные зависимости коэффициента диффузии и предельной растворимости Cr в GaAs, которые описываются уравнением Аррениуса с параметрами для коэффициента диффузии: D0 = 1.7 х 10-2 см2/с, QD = 1.43 эВ; для
растворимости: C°Cr = 8.9 х 1021 см-3, QCr = 1.22 эВ.
ВВЕДЕНИЕ
В 70-80-х годах легирование арсенида галлия хромом широко использовалось для получения полуизолирующего подложечного материала, в первую очередь для интегральной СВЧ-электрони-ки. Большая часть исследований того времени была посвящена термостабильности и ее влиянию на свойства выращиваемых эпитаксиальных слоев. Позднее от 6аА8 (Сг) по ряду причин отказались в пользу ростового полуизолирующего ваА8, в котором высокое удельное сопротивление достигалось компенсацией проводимости дефектным комплексом БЬ2 (так называемый ваА8 (БЬ2)). Тем не менее, ваА8 (Сг) остался востребованным в качестве материла для активной области ряда приборов, в первую очередь лавинных ^-диодов и ИК-фотопри-емников [1].
Наиболее удачным способом введения хрома в ваА8 является диффузия. Исследования по данному вопросу проводятся на протяжении более 30 лет, однако до сих пор не сложилось единого мнения относительно температурной зависимости коэффициента диффузии и предельной растворимости Сг в ваА8. Так, разброс данных по коэффициенту диффузии в типичном для диффузии диапазоне температур 900-1000°С составляет 3-5 порядков. Судя по литературным данным, единственным способом проведения диффузии хрома в ваА8 является отжиг в вакуумированных кварцевых ампулах. Представляет интерес, прежде всего, физическая сторона процесса диффузии в проточной атмосфере. Кроме того, диффузия в открытой системе бесспорно экономически выгодна из-за дороговизны кварца, являющегося расходным материалом при диффузии в закрытой системе. Исследованию физической стороны диффузии Сг в ваА8 и определению температурных зависимостей коэффициента диффузии и предельной растворимости хрома посвящено крайне ограниченное число работ [2-8]. Разброс
значений, как уже отмечалось выше, огромен, что, по-видимому, объясняется следующим. Во-первых, не соблюдались одинаковые условия проведения экспериментов. Приводятся результаты для различных давлений паров мышьяка, для различных исходных состояний диффузанта, не учитывается влияние защитного диэлектрика и т.д. Во-вторых, при обработке результатов авторы пользовались как прямыми, так и косвенными методами, что, ко всему прочему, приводит к большой погрешности.
Тем не менее, несмотря на различия условий и результатов проведенных ранее экспериментов, получены следующие закономерности.
Характер диффузии хрома в ваА8 сложный. Профиль имеет два четко выраженных участка. У поверхности ваА8 в процессе диффузии формируются области с повышенной концентрацией хрома, что связано с образованием комплексов хром + вакансия, либо хром + неконтролируемая примесь. Распределение хрома в этой области не описывается функцией дополнения интеграла ошибок до единицы (ег&), так как не относится к свободной диффузии. При одной и той же температуре размеры приповерхностной области зависят от целого ряда параметров, таких как давление паров мышьяка, источник диффузанта и время диффузии, и могут составлять от единиц до десятков процентов от общей толщины диффузионного слоя. Сведения об электрической активности атомов хрома у поверхности в литературе практически отсутствуют. Механизм свободной диффузии хрома в объеме ваА8, вероятнее всего, диссоциативный, а распределение описывается функцией ег&.
Определена зависимость коэффициента диффузии Сг в ваА8 от давления паров мышьяка. Коэффициент диффузии хрома в ваА8 при пониженном давлении паров мышьяка при температурах 900-1100°С по порядку величины составляет 10-8-
10-7 см2/с, что, вероятнее всего, выполняется и при диффузии с консервацией GaAs пленкой SiO2. Предельная растворимость хрома очень сильно зависит от исходного состояния диффузанта и может изменяться при 1000°С от 1015 до 1017 см-3.
В литературе отсутствуют данные по диффузии хрома в GaAs в проточной атмосфере.
Целью настоящей работы являлось исследование диффузии хрома в GaAs в проточной инертно-восстановительной атмосфере, определение температурных зависимостей коэффициента диффузии и предельной растворимости & в GaAs и сравнение результатов с известными данными по диффузии в закрытой системе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты выполняли на пластинах я-GaAs, легированных оловом или теллуром, с концентрацией свободных носителей от 1 х 1016 до 2 х 1017 см-3, плотностью дислокаций (3-5) х 104 см-2. Пластины вырезались из слитков диаметрами 26, 40 и 75 мм, выращенных в направлении [100] методами Чо-хральского или Бриджмена. Хром на поверхность пластин наносили вакуумным напылением. В качестве защитного покрытия использовали пленку диоксида кремния толщиной =0.5 мкм, нанесенную плазмохимическим методом.
Диффузию в проточной атмосфере осуществляли в экспериментальной установке. В качестве фор-минг-газов использовали водород, аргон и азот. После продувки газ в реактор подавался под давлением 1.05 х 105 Па, точка росы была не выше -70°С. Температура диффузии составляла 870-1020°С, время 0.5-6 ч.
Исследование диффузии проводили методом двух образцов [2]. В одном технологическом процессе проводили диффузию хрома в я-GaAs с различной концентрацией носителей С1 и С2. За счет компенсации исходных доноров продиффундиро-вавшими атомами & образовывались высокоом-ные слои, в которых концентрация хрома ССг > Сх или С2. Толщины высокоомных слоев х1 и х2, в предположении, что они образованы исключительно продиффундировавшим хромом, определяли по толщине неокрашенных слоев анодированного скола. Анодирование выполняли на экспериментальной установке напряжением 130 В. Измерение анодированных толщин проводили на оптическом микроскопе МИМ-7.
По известным С1, С2, х1 и х2 записывали систему уравнений
С1 = С5ег& С2 = С5ег&
-2^0%-
(1)
1000 980 960
г, °С 940
920 900 880
о
4
3 -
2
104/Г, к-1
Рис. 1 Температурная зависимость коэффициента диффузии хрома в GaAs.
где С5 и О - поверхностная концентрация и коэффициент диффузии хрома соответственно, т - время диффузии, и решали ее относительно неизвестных С3 и О.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
По данным измерений и решения системы (1) были построены температурные зависимости коэффициента диффузии (рис. 1) и растворимости (рис. 2) хрома в GaAs. Видно, что зависимость 0(1/7) хорошо спрямляется в полулогарифмических координатах и, следовательно, описывается экспоненциальным законом Аррениуса:
00 = 1.7 х 102 см2/с, 0О = 1.43 эВ,
(2)
где 00 - предэкспоненциальный множитель, QD -энергия активации диффузии.
Некоторые экспериментальные точки на температурной зависимости растворимости хрома (рис. 2) определены для случая, когда диффузия хрома проводилась в один образец. При этом пользовались формулой [2]:
ССГ = С/ег^
2 тО0ехр I —
кТ р
(3)
где С - концентрация свободных носителей, х - глубина диффузии. Полученная зависимость хорошо
1038
АРДЫШЕВ и др.
2 х 1017гт
10
17
2 х 1016
t, °C
1050 1000
950
900
7.6 8.0 8.4
104/Г, К-1
850
Рис. 2 Температурная зависимость предельной растворимости хрома в GaAs
1100 1050
10-
2 10"
о
10
,-10
10
,-11
■ 1
V 2
о 3 • 4
т 5
7.2
7.6
t, °C 1000
950
8.0
900
.4
Рис. 3 Сравнительные температурные зависимости коэффициента диффузии хрома в GaAs: 1 - [4, 7, 8], 2 - [6], 3 - [3], 4 - [5], 5 - данные настоящей работы.
спрямляется в координатах ln( CC°B ) от 1/T и описывается законом Аррениуса:
CC0B = cCrexp [-О*
(4)
Предэкспоненциальный множитель и энергия активации равны, соответственно:
сСг = 8.9 х 1021 см-3, бСг = 1.22 эВ.
На рис. 3 представлены сравнительные температурные зависимости коэффициента диффузии хрома в ваА8, полученные в работах [3-8], и наши данные. Видно, что результаты настоящей работы согласуются с результатами работ [4, 7, 8], которые соответствуют диффузии при низком давлении паров мышьяка либо диффузии с консервацией ваА8 пленкой 8Ю2.
На рис. 4 представлены сравнительные температурные зависимости предельной растворимости хрома в ваА8 по данным [4-8] и наши результаты. Данные настоящей работы близки к результатам [6]. Однако ее авторы [6] проводили аппроксимацию профилей "несвободной" диффузии, поэтому зависимость СС°гв от 1/Г не спрямляется в полулогарифмических координатах. Кривая 1 на рис. 4 отображает зависимость растворимости при различных экспериментальных условиях, точно не указанных авторами работ [4, 7, 8], поэтому объяснить причину различия этих результатов от данных настоящей работы невозможно. Кривая 2 имеет тот же угол наклона, что и кривая 4, однако значения растворимости почти на порядок ниже, чем в настоящей работе. Это свидетельствует о том, что источник диффузии в работе [5] содержал на порядок меньшую концен-
трацию хрома. Данный результат может быть связан с тем, что диффузия в нашем случае ведется не из навески, как в работе [5], а из напыленного слоя, что, по-видимому, приводит к увеличению концентрации хрома в фазе, которая является источником диффузии, так как давление паров хрома низкое.
Следует отметить, что анализ экспериментальных данных на основе решения второго закона Фи-ка справедлив в случае, когда, во-первых, источник диффузанта находится в равновесии с кристаллом
t, °C
10
18
1100
1000
900
800
§ 10
M*
о
3?
17
10
16
О 1 • 2
▲ 3 ▼ 4
7.0
7.5
8.0 8.5 104/T, К-1
9.0
Рис. 4 - Сравнительные температурные зависимости предельной растворимости хрома в ОаАБ: 1 - [4, 7, 8], 2 - [5], 3 - [6], 4 - данные настоящей работы.
и, во
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.