专利名称:多层外延砷化镓的双源法和装置的制作方法
本发明属于气相化学淀积领域，特别是和多层气相外延GaAs相关。
Te、Sn扩散系数小，Te又非两性，它们易于得到陡峭的高迁移率的多层结构。但它们都与Ga生成合金，并在源壳中分凝，因而无论是把它们掺入Ga中或放在Ga源前的任何方法都不稳定。后来R.Sankaran在J.Crystal Growth 50(1980)P859-864上提出的(C2H5)2Te方法，不但费用贵，且有安全问题。本发明的目的，是提供一种经济实用而产品性能好的多层生长方法。其原理是利用AsCl3-Ga-H2系统源区中非平衡HCl的存在，因此可把重掺Te或Sn的GaAs单晶切片作杂源放于镓源后的腐蚀区内，就被腐蚀而贡献出掺杂剂，其量与杂源的温度、面积大小和本身的掺杂浓度相关。它们会有效地沉积于生长的衬底上(见Fumio、Hasegawa等Japan.J.appl.Phys.7(1968)P1342-1347)
图1为反应管及其内部结构。它由细的源区和粗的主要为沉积区的两种园柱状管组成。源分镓源(4)和杂源(7)两部分，中间借助于接于镓舟上部的托板(5)相连，又以多孔筛板(6)隔开，以防止杂源污染镓源。镓盛于一小长方体舟内，取小面积为的是源区中有足够的非平衡HCl。杂源由面积为1cm×1cm有一定取向的重掺体单晶切片，经机械化学抛光、腐蚀清洗吹干后放入磨好的紧密的凹槽(7)内，一般可放一至两片，其凹槽位置的选择见下文。通过反应管外的线圈(2)磁拉拉杆(3)前端封住的铁芯(1)，以调整镓源和杂源的温度。尾勾(8)是为将拉杆(3)放入进气管(17)中和为取出整个源而用。沉积区的衬底托板(9)也磨好凹槽，同样为防止基片的滑动，它也被线圈(13)、铁芯(14)、拉杆(10)通过磁拉而前后移动。接于拉杆(10)后端的粗管(12)为防止磁拉时拉杆的转动，因为很重的铁芯是封在这个粗管的底部的。下方纳污管(11)为一半石英管其外径比反应管内径略小，以防其摇动，其上部的凹面为使拉杆移动时始终处于最低处而不离开其径向位置。纳污管头部位置要适当，以使反应管壁上没有GaAs沉积，这同时要求外延片的生长必需在沉积区的最前部。其尾端(16)为一外径与反应管内径大致密合的短管，其端口研磨到与反应管帽的半球形大致密合，并正对出气管(20)的接口。两个密合使通过管(15)进入的逆流保护气体绝大部分都经纳污管排出。标尺(18)、(19)为精确测定铁芯的位置。图中衬底托是水平生长的，当然可更换成立式生长的。除铁芯、线圈、标尺外，其它都用石英制成。
图2为炉温分布曲线。炉温除要求精确控制外，其分布尚有如下要求1、源恒温区的长度(BC)要稍大于镓源与首片杂源两相邻边界之间的距离，这是为了保证镓源在恒温区内拉动时，杂源可调到腐蚀区内任一温度，以得到较广泛的掺杂浓度。
2、前端炉口由550℃升到恒温区850℃前沿的距离(AB)要小于前述的镓源与杂源间距离，这主要为n++层的生长，届时镓源可前拉至处于550℃以下其化学反应可忽略的“休息”状态，而杂源正处于850℃的恒温区。
3、饱和温度点(E)前，最好能调制出一小段(DE)梯度小的炉温曲线，这是为了能作到衬底的微腐蚀。
这些要求可通过炉温曲线的调制及杂源凹槽位置的调换而实现。
本法适用于由n+和n++组成的各种多层结构。对杂源要求纵向横向均匀，没有杂质条纹，浓度在1018cm-3以上。保证生长条件稳定，仍是重复性的基本条件，如气流流速、炉温等，尤其是生长温度，对于掺Te极为重要。在衬底装入反应管开始生长前，以及长完一层后新层开始生长前，都将衬底拉至微腐蚀区(DE)，适当加大流速，同时调整镓源与杂源的温度位置，待镓源重新成壳或气相组分达到新的平衡状态后，调回流速，再将衬底拉至生长位置外延生长。为了防止杂源及镓源的氧化，装、取衬底最好在手套箱中进行。
本法的显著优点是1、过渡层小，浓度变化陡峭。
因为每个层生长前，衬底都处于微腐蚀状态，避开了反应管中的各组分浓度渐变、建立新的平衡过程中而引起的缓变层的生长。这种改变衬底温度进行的腐蚀能作到速度最小的腐蚀，因为是把它拉在近饱和温度的位置上。由于必需要有过饱和度才能成核，紧靠饱和点是既不生长又不腐蚀的。我们把饱和温度之前的一小段距离内的温度梯度变小，就能作到最微小的腐蚀。当新的平衡建立，把衬底拉至生长位置开始生长时，腐蚀虽停止了，但由于原腐蚀量极微，对气相成分的影响很小，可以忽略，我们可以认为生长是在气相组分都没有任何改变的情况下进行的。这就保证了每个层生长均匀，过渡区小。而用源后注入腐蚀气流的办法，不但达不到这样微少的腐蚀，而且当关闭或减小腐蚀气流后，衬底的生长，是在这种气相组分逐渐变化过程中的某一时刻开始并进行的。其次，衬底由腐蚀区移向生长区，是磁拉小小的衬底托板，其热容量小，温差又小，还有导热快的氢冲吹，到达新的平衡温度的时间快，这也是造成陡峭分布的条件。而双室法衬底拉动距离大，温差也大。
2、保证了有源区的高迁移率。
有源区的生长，主要靠镓源提供的镓，杂源供给的很少，因此它保留了Ga-AsCl3-H2系统高迁移率的优点。而杂源提供的Te、Sn纯度高，因为体单晶生长时就有分凝掉其中一些杂质的作用。
3、重复性好。
杂源具有恒定面积和一定取向，其温度又可精确调节，这就保证了恒定腐蚀速率。而单质固体杂源稳定性就差，因蒸发时体积、表面积都渐小，晶型也往往发生改变。筛板和纳污管在消除本方法的不稳定因素上都起重要作用，前者防止了镓源的污染，后者使反应管内壁及纳污管外壁都没有GaAs沉积，这不但克服了寄生生长，而且也防止了沉积于管壁上GaAs中的Te、Sn对外延的掺杂。由于纳污管通道窄，又有逆流气体通过，故其流速快，杂质物种自纳污管中扩散出来再掺于外延片上的几率就很小了。
4、气相组分建立新的平衡速度快。
这是因为反应管内起作用的有效空间小，因其前部是体积小的细管，其后部自纳污管以后的很大空间又被逆流气体隔除。纳污管在反应管的最下部，减少了气流分层的不利作用，因为其它成分都比氢重，这就有利于它们以及杂质气体的排出。
5、操作简便，杂源成本低，易得易保存，本法经济实用。
本发明虽然是针对氯化物系统而言，但依照其精神，将其应用于具备条件的它种系统，仍属于本发明的范围之内。
权利要求
1.气相外延掺Te或掺SnGaAs，且在同一次中实现不同掺杂浓度的多层生长，本方法的特征是通过改变反应管内镓源和杂源温度，以调制不同的掺杂浓度，及至把镓源处于550℃以下的“休息”状态，实现重掺n++层的生长。同时，每层生长前，都是磁拉热容量小的托板及其上衬底至微腐蚀区进行气相腐蚀，以避开缓变层的生长。
2.使用如权利要求
1所述方法的装置，由反应管及其内的源、纳污管、衬底托板组成，其特征为在反应过程中通过外部线圈磁拉使其移动的镓源，及与其连结而又被多孔筛板隔开的杂源，通过另一组外部线圈磁拉的衬底托板，放在反应管底部的带有凹面的靠两个密合使逆流气体通过它的纳污管。
专利摘要
本发明属于掺杂的气相化学淀积技术领域：
。为解决掺Te或掺Sn GaAs多层结构的制作，把重掺Te或Sn的GaAs单晶切片置于氯化物系统镓源后的腐蚀区作杂源，用磁拉方法改变两源的温度，以进行多层生长。用将衬底磁拉至微腐蚀区的方法，避开为生长新层而在反应管内建立新的气相组分过程中所引起的缓变层的生长。本法成本低，操作简便、安全，质量重复可靠。
文档编号H01L21/223GK86104689SQ86104689
公开日1988年1月27日 申请日期1986年7月10日
发明者杨韧 申请人:杨韧导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan