RU2046164C1 - Method of producing semi-insulating gallium arsenide - Google Patents

Abstract

FIELD: technology of semiconductors. SUBSTANCE: method involves irradiation of monocrystals by the fast neutrons, heating and cooling. Monocrystals were irradiated at the different compensation degree at the density flow Φ=(0,4-0)·10¹⁶ cm^-2.. Annealing is carried out at 850-900 C for 20 min, at the heating and cooling rate 4 C/min and 2 C/min, respectively. Prepared gallium arsenide shows improved optical heterogeneity δ₁≅ 5%, decreased optical absorption α=(6-7)·10^-3 cm^-1 at wavelength λ=10,6 μm 10.6 mcm and increased property thermostability. EFFECT: improved method of product producing. 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии полупроводниковых соединений типа А^ШВ^У и может быть использовано при получении монокристаллов полуизолирующего арсенида галлия (АГП) с улучшенными параметрами.The invention relates to the technology of semiconductor compounds of type A ^{W H U} and can be used to obtain single crystals of semi-insulating gallium arsenide (AGP) with improved parameters.

Выпускаемые в промышленности монокристаллы АГП имеют ряд недостатков: неоднородность свойств по объему кристалла, достигающая 50% а в ряде случаев и выше; низкую стабильность параметров после термообработки; большую величину коэффициента оптического поглощения (α=1,5 ˙ 10^-2 см^-1) на длине волны λ= 10,6 мкм.AGP single crystals produced in industry have a number of disadvantages: heterogeneity of properties over the crystal volume, reaching 50% and, in some cases, even higher; low stability of parameters after heat treatment; a large value of the coefficient of optical absorption (α = 1.5 ˙ 10 ^-2 cm ^-1 ) at a wavelength of λ = 10.6 μm.

Широкое применение АГП в производстве электронных приборов, высокая степень интеграции приборов выдвигают более жесткие требования к качеству и геометрическим размерам (диаметр до 250 мм) монокристаллов. Улучшение параметров материала металлургическими способами в процессе выращивания монокристаллов в настоящее время практически не осуществимо. The widespread use of AGP in the manufacture of electronic devices, a high degree of integration of devices put forward more stringent requirements for the quality and geometric dimensions (diameter up to 250 mm) of single crystals. Improving the parameters of the material by metallurgical methods in the process of growing single crystals is currently practically not feasible.

Предлагаемый способ заключается в улучшении параметров АГП облучением нейтронами ядерного реактора и последующей термообработкой. Прототипом служит способ, заключающийся в том, что исходный нелегированный полуизолирующий арсенид галлия облучают быстрыми нейтронами (флюенсом Ф>7 ˙ 10¹⁷ см^-2) с последующей термообработкой в течение 30 мин при температуре до 800^оС.The proposed method consists in improving the parameters of AGP by neutron irradiation of a nuclear reactor and subsequent heat treatment. The prototype is a method comprising that the original undoped semi-insulating gallium arsenide irradiated by fast neutrons (fluence F> 7 ˙ 10 ¹⁷ cm ^-2), followed by heat treatment for 30 minutes at a temperature up to 800 ° ^C.

Недостатки способа в том, что улучшить характеристики полуизолирующего арсенида галлия таким образом не удается. Большие флюенсы нейтронов приводят к усилению прыжковой проводимости и ухудшению параметров материала. Температура отжига низкая и не дает ожидаемого эффекта. The disadvantages of this method are that it is not possible to improve the characteristics of the semi-insulating gallium arsenide in this way. Large neutron fluences lead to increased hopping conductivity and deterioration of material parameters. The annealing temperature is low and does not give the expected effect.

Предлагаемый способ отличается тем, что в качестве исходного можно использовать полуизолирующий арсенид галлия с любой степенью компенсации, а облучение вести только быстрыми нейтронами (Е>0,1 МэВ) с плотностью потока не более 5 ˙ 10¹² см^-2 ˙ с^-1 до флюенса Ф=(0,4-5,0) ˙ 10¹⁶ см^-2. Отсечь тепловые нейтроны можно, используя для облучения кадмиевые пеналы или другие известные способы. Необходимость ограничения плотности потока нейтронов вызвана сильным разогревом и возможным растрескиванием материала в процессе облучения.The proposed method is characterized in that as the starting one it is possible to use semi-insulating gallium arsenide with any degree of compensation, and irradiation is carried out only by fast neutrons (E> 0.1 MeV) with a flux density of not more than 5 ˙ 10 ¹² cm ^-2 ˙ s ^-1 to fluence F = (0.4-5.0) ˙ 10 ¹⁶ cm ^-2 . Thermal neutrons can be cut off using cadmium canisters or other known methods for irradiation. The need to limit the neutron flux density is caused by strong heating and possible cracking of the material during irradiation.

Физический смысл происходящих в материале процессов заключается в следующем. В результате облучения быстрыми нейтронами в арсениде галлия возникают простые радиационные дефекты (пары Феркеля: атом в междоузлии и вакансия). С увеличением дозы облучения растет концентрация вводимых дефектов и повышается вероятность их взаимодействия (коагуляции) и образования более сложных радиационных дефектов (РД), так называемых областей разупорядочения (ОР). Образовавшиеся ОР служат геттерами для простых (точечных) дефектов, образовавшихся в кристалле в процессе облучения и на стадии выращивания. Последующая термообработка облученных образцов при температуре 850-900^оС приводит к распаду ОР и перемещению простых дефектов на поверхность и на стоки (термообработка при температурах меньше 850 и выше 900^оС и не дает ожидаемого эффекта). Тем самым происходит очистка матрицы от большого количества ростовых и других точечных дефектов. Оптическое поглощение в облученном и термообработанном материале на рабочей длине волны λ=10,6 мкм становится меньше, происходит так называемое просветление материала. Коэффициент поглощения уменьшается примерно в 2 раза и становится равным α=(5-7) ˙ 10^-3 см^-1. Такое явление имеет большое практическое значение в связи с широким применением оптических окон из полуизолирующего арсенида галлия в производстве мощных технологических лазеров.The physical meaning of the processes occurring in the material is as follows. Irradiation with fast neutrons in gallium arsenide results in simple radiation defects (Ferkel pairs: an atom in an interstitial position and a vacancy). With an increase in the radiation dose, the concentration of introduced defects increases and the likelihood of their interaction (coagulation) and the formation of more complex radiation defects (RD), the so-called disorder regions (OR), increases. The resulting ORs serve as getters for simple (point) defects formed in the crystal during irradiation and at the growing stage. Subsequent heat treatment of the irradiated samples at a temperature ^of 850-900 C leads to the disintegration of OR and displacement of simple defects on the surface and to the drains (heat treatment at temperatures below 850 and above 900 ^{° C} and does not give desired effect). Thus, the matrix is cleaned from a large number of growth and other point defects. The optical absorption in the irradiated and heat-treated material at a working wavelength of λ = 10.6 μm becomes smaller, the so-called bleaching of the material occurs. The absorption coefficient decreases by about 2 times and becomes equal to α = (5-7) ˙ 10 ^-3 cm ^-1 . This phenomenon is of great practical importance in connection with the widespread use of optical windows from semi-insulating gallium arsenide in the production of high-power technological lasers.

Циклическая обработка образцов (облучение и термообработка) приводит также к значительному повышению однородности и термостабильности свойств материала. Неоднородность электрофизических и оптических (глубокий уровень Е/2) характеристик в объеме материала не превышает 5% Термическая обработка образцов при 900^оС в течение 8 часов не приводит к чувствительным изменениям параметров материала, в то время как в обычном (необлученном) материале термообработка при 900^оС в течение 30-40 мин уже приводит к значительным изменениям параметров.Cyclic processing of samples (irradiation and heat treatment) also leads to a significant increase in the uniformity and thermal stability of the material properties. Heterogeneity of electrical and optical (deep level of E / 2) characteristics in the bulk material does not exceed 5% Heat treatment of the samples at 900 ^{° C} for 8 hours does not lead to changes in sensitivity parameters of the material, while in the conventional (unirradiated) heat treating the material at a 900 ^about C for 30-40 minutes already leads to significant changes in the parameters.

Применение радиационно-модифицированного материала в производстве полупроводниковых приборов (СБИС, СВЧ и оптоэлектронные приборы и др.) открывает новые перспективы в микроэлектронике. The use of radiation-modified material in the manufacture of semiconductor devices (VLSI, microwave and optoelectronic devices, etc.) opens up new prospects in microelectronics.

П р и м е р 1. В качестве исходного материала используют монокристаллический слиток полуизолирующего арсенида галлия электронного типа проводимости (ρ ≈ 1˙10⁸ Ом˙см), легированного хромом (N_Cr=3˙10¹⁶ см^-3), имеющего степень компенсации К=0,05. Оптическая неоднородность (по ЕL2) по диаметру слитка равна δ₁= 30% Неоднородность электрофизических характеристик, измеренных бесконтактным методом, равна δ₂ 25% Оптическую однородность измеряют на двух оптически полированных пластинах толщиной 5 мм, вырезанных с разных участков слитка, методом оптического пропускания с разрешающей способностью в направлении сканирования ≈200 мкм и погрешностью измерений, не превышающей 2-3%
Оптическое поглощение на длине волны λ=10,6 мкм измеряют на тех же пластинах. Коэффициент поглощения составляет α=1,9 ˙ 10^-2 см^-1.EXAMPLE 1. As a starting material, a single-crystal ingot of semi-insulating gallium arsenide of electronic type of conductivity (ρ ≈ 1 810 ⁸ Ohm˙cm) doped with chromium (N _Cr = 3˙10 ¹⁶ cm ^-3 ) with degree compensation K = 0.05. The optical heterogeneity (according to EL2) over the diameter of the ingot is δ ₁ = 30%. The heterogeneity of the electrophysical characteristics measured by the non-contact method is δ ₂ 25%. The optical homogeneity is measured on two optically polished wafers 5 mm thick, cut from different sections of the ingot, by optical transmission with resolution in the scanning direction ≈200 μm and measurement error not exceeding 2-3%
Optical absorption at a wavelength of λ = 10.6 μm is measured on the same plates. The absorption coefficient is α = 1.9 ˙ 10 ^-2 cm ^-1 .

Облучение нейтронами проводят в вертикальных каналах реактора ВВР-ц, используя кадмиевые пеналы для устранения тепловых нейтронов. Флюенс быстрых нейтронов (φ=5 ˙ 10¹²см^-2 ˙ с^-1, Е>0,1 МэВ) составляет 5 ˙ 10¹⁶ см^-2.Neutron irradiation is carried out in the vertical channels of the WWR-c reactor, using cadmium canisters to eliminate thermal neutrons. The fast neutron fluence (φ = 5 ˙ 10 ¹² cm ^-2 ˙ s ^-1 , E> 0.1 MeV) is 5 ˙ 10 ¹⁶ cm ^-2 .

После спада наведенной активности до допустимого уровня облученные образцы нагревают в запаянных кварцевых ампулах с равновесным давлением паров мышьяка со скоростью 4^оС/мин до температуры 900^оС. Отжиг проводят в течение 20 мин, а последующее охлаждение ведут со скоростью 2^оС/мин до температуры 400^оС, далее охлаждают вместе с печью до комнатной температуры.After decay of induced activity to an acceptable level of irradiated samples are heated in sealed quartz ampoules with an equilibrium vapor pressure of arsenic at a rate ^of 4 C / min to a temperature of ^about 900 C. The annealing is performed for 20 min and subsequent cooling are at 2 ° ^C / min to a temperature of 400 ^about With, then cooled together with the oven to room temperature.

В результате получают полуизолирующий арсенид галлия ( ρ ≈ 2˙10⁸Ом ˙ см) электронного типа проводимости с оптической неоднородностью δ₁=5% и неоднородностью электрофизических свойств δ₂=4% Коэффициент поглощения на длине волны λ= 10,6 мкм составляет α=6,7 ˙ 10^-3 см^-1. Термообработка образцов при 900^оС в течение 8 ч не приводит к заметным изменениям электрофизических параметров материала.The result is a semi-insulating gallium arsenide (ρ ≈ 2˙10 ⁸ Ohm ˙ cm) of electronic type of conductivity with optical inhomogeneity δ ₁ = 5% and heterogeneity of electrophysical properties δ ₂ = 4% The absorption coefficient at a wavelength of λ = 10.6 μm is α = 6.7 ˙ 10 ^-3 cm ^-1 . Heat treatment of the samples at 900 ^{° C} for 8 h did not lead to significant changes of the electrophysical parameters of the material.

П р и м е р 2. В качестве исходного материала используют монокристаллический слиток нелегированного полуизолирующего арсенида галлия электронного типа проводимости (ρ 8 ˙ 10⁷ Ом ˙ см), имеющего степень компенсации К= 0,35. Оптическая неоднородность по диаметру слитка равна δ₁=35% Неоднородность электрофизических характеристик, измеренных бесконтактным методом, δ₂= 50% Коэффициент поглощения на длине волны λ=10,6 мкм составляет α=1,7 ˙ 10^-2 см^-1.Example 2. As a starting material, a single-crystal ingot of undoped semi-insulating gallium arsenide of electronic type of conductivity (ρ 8 ˙ 10 ⁷ Ohm ˙ cm) having a degree of compensation K = 0.35 is used. The optical inhomogeneity in the diameter of the ingot is δ ₁ = 35%. The heterogeneity of the electrophysical characteristics measured by the non-contact method, δ ₂ = 50%, The absorption coefficient at a wavelength of λ = 10.6 μm is α = 1.7 ˙ 10 ^-2 cm ^-1 .

Облучение быстрыми (φ=3 ˙ 10¹² см^-2 x x с^-1, Е>0,1 МэВ) нейтронами проводят в вертикальных каналах реактора ВВР-ц, используя кадмиевые пеналы. Флюенс нейтронов составляет 4 ˙ 10¹⁵ см^-2.Irradiation with fast (φ = 3 ˙ 10 ¹² cm ^-2 xx s ^-1 , E> 0.1 MeV) neutrons is carried out in the vertical channels of the WWR-c reactor using cadmium canisters. The neutron fluence is 4 ˙ 10 ¹⁵ cm ^-2 .

После спада наведенной активности образцы отжигают при температуре 850^оС в течение 20 мин при тех же скоростях нагрева и охлаждения, что в примере 1.After decay of induced activity samples annealed at 850 ^C for 20 minutes under the same heating and cooling rates, as in Example 1.

В результате получают полуизолирующий арсенид галлия (ρ=1,5 ˙ 10⁸Ом ˙ см) электронного типа проводимости с оптической неоднородностью δ₁=4,5% и неоднородностью электрофизических свойств δ₂=4% Коэффициент поглощения на длине волны λ=10,6 мкм составляет α=6 ˙ 10^-3 см^-1. Термообработка образцов при 900^оС в течение 8 ч не приводит к заметным изменениям электрофизических параметров.The result is a semi-insulating gallium arsenide (ρ = 1.5 ˙ 10 ⁸ Ohm ˙ cm) of electronic type of conductivity with optical inhomogeneity δ ₁ = 4.5% and heterogeneity of electrophysical properties δ ₂ = 4% Absorption coefficient at a wavelength of λ = 10, 6 μm is α = 6 ˙ 10 ^-3 cm ^-1 . Heat treatment of the samples at 900 ^{° C} for 8 h did not lead to significant changes of the electrophysical parameters.

Примеры проведения процессов приведены в таблице. В качестве исходного материала может быть использован как нелегированный, так и легированный хромом полуизолирующий арсенид галлия в виде монокристаллических слитков и эпитаксиальных пленок. Examples of processes are shown in the table. Both unalloyed and chromium-doped semi-insulating gallium arsenide in the form of single-crystal ingots and epitaxial films can be used as starting material.

Предлагаемый способ позволяет получить монокристаллы полуизолирующего арсенида галлия с улучшенной оптической однородностью (δ₁

5%), уменьшенным оптическим поглощением α=(5-7) ˙ 10^-3 см^-1 на длине волны λ=10,6 мкм и повышенной термостабильностью свойств.The proposed method allows to obtain single crystals of semi-insulating gallium arsenide with improved optical uniformity (δ ₁

5%), reduced optical absorption α = (5-7) ˙ 10 ^-3 cm ^-1 at a wavelength of λ = 10.6 μm and increased thermal stability of the properties.

Такой материал соответствует требованиям современной микро- и оптоэлектроники и пользуется большим спросом как на внутреннем, так и на внешнем рынке. Such material meets the requirements of modern micro and optoelectronics and is in great demand both in the domestic and foreign markets.

Claims (1)

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ путем облучения монокристаллов быстрыми нейтронами с последующим нагревом, отжигом и охлаждением, отличающийся тем, что облучению подвергают монокристаллы с различной степенью компенсации при плотности потока не более 5 · 10^{1 2} см^{- 2} с^{- 1} до флюенса ф= (0,4-5,0)10^{1 6} см^{- 2}, а отжиг проводят при 850-900^oС в течение 20 мин при скорости нагрева и охлаждения 4 град/мин и 2 град/мин соответственно.METHOD FOR PRODUCING SEMI-INSULATING GALLIUM ARSENIDE by irradiating single crystals with fast neutrons, followed by heating, annealing and cooling, characterized in that the single crystals are irradiated with different degrees of compensation at a flux density of not more than 5 · 10 ^{1 2} cm ^{- 2} s ^{- 1} to fluence f = ( 0.4-5.0) 10 ^{1 6} cm ^{- 2} , and annealing is carried out at 850-900 ^o C for 20 min at a heating and cooling rate of 4 deg / min and 2 deg / min, respectively.

Images