Розділ 2. Математична модель процесу нітридизації GaAs
2.1 Фізико-технологічні моделі нітридизації підкладки GaAs
Значною мірою прогрес в оптимізації процесу нітридизації підкладок GaAs
стримується відсутністю на даний час конкретної фізико-математичної моделі
конвертації поверхневих шарів підкладки у напівпровідникову сполуку GaN.
Нами [94] запропонована фізико-математична модель процесу конвертації поверхні
підкладки GaAs у тонку плівку GaN, на основі аналізу якої можлива оцінка
оптимальних параметрів нітридизації (температура, час, тиск у системі, вибір
джерела азоту), що дозволить у кінцевому рахунку ефективно використовувати
переваги підкладок GaAs для вирощування гетероструктур GaN/GaAs.
Розглянемо теоретичну модель конвертації поверхневих шарів підкладок GaAs у
тонкі плівки GaN за рахунок нітридизації та порівняльний аналіз її
відповідності експериментальним результатам. Для досягнення поставленої мети
необхідно вирішити наступні задачі:
1. На основі порівняльного аналізу літературних джерел визначити принципи
побудови моделей дифузії за механізмом kick-out та їх відповідність процесам
нітридизації підкладок GaAs.
2. Визначити відмінні особливості процесу конвертації поверхневих шарів GaAs у
сполуку GaN від загальних моделей дифузійного легування та їх вплив на принципи
побудови відповідної фізико-математичної моделі.
3. На основі аналізу теоретичних даних, отриманих за допомогою запропонованої
фізико-математичної моделі, визначити ступінь їх відповідності
експериментальним результатам, зробити висновок щодо чутливості моделі до
величин відповідних коефіцієнтів.
4. Ґрунтуючись на даних порівняльного аналізу теоретичних та експериментальних
даних визначити діапазон оптимальних фізико-технологічних умов нітридизації
підкладки GaAs з метою отримання тонких плівок GaN з мінімізованою
концентрацією дефектів.
Розглянемо далі методику вирішення поставлених задач та аналіз отриманих
результатів.
Як було визначено у роботах [62, 72-74, 95, 96] процес нітридизації GaAs за
певних технологічних умов має наслідком конвертацію поверхневих шарів GaAs у
GaN, що зумовлено, з одного боку, виходом на поверхню атомів миш’яку та їх
подальшою десорбцією та, з іншого боку, одночасовою дифузією атомів азоту в
об’єм монокристалу GaAs.
Аналіз літературних даних і результатів наших експериментів [4, 6, 72, 97, 98]
свідчить про досить широкий спектр параметрів шарів GaN, отриманих у результаті
нітридизації (товщина, стехіометрія, структурна досконалість, оптичні
властивості тощо), що зумовлено розходженням параметрів процесу нітридизації
(температури підкладки GaAs і потоку збуджених атомів азоту, що падають на
підкладку), виду джерела атомарного азоту (азот, аміак, діметилгідразин) і
фізичних властивостей самої підкладки.
Розроблена в рамках дослідження модель конвертації поверхневих шарів арсеніду
галію у нітрид галію під час нітридизації ґрунтується, в першу чергу, на
математичному описі дифузії атомів азоту в монокристал GaAs та його взаємодії
із атомами підгратки миш’яку. Звичайно, подібна модель дозволяє досліджувати
кінетику процесу, тобто визначати стан системи у будь-який момент часу
нітридизації.
Використання для нітридизації чистого молекулярного азоту спричиняє
необхідність у високій потужності генератора УВЧ для активізації розриву
сильних зв'язків у молекулі N2, що, у свою чергу, веде до погіршення морфології
отриманих в подальшому зразків GaN/GaAs. Використання аміаку як джерела
атомарного азоту дозволяє уникнути даного недоліку, але в той же час створює
умови активної декомпозиції матеріалу підкладки GaAs за температур вище 950 К.
В наших експериментах ми використовували як аміак так і молекулярний азот,
нітридизація проводилась в три етапи.
На першому етапі проводився відпал підкладки GaAs в аміаку за температури 870 К
протягом 20-30 хв., що дозволяло одержати в поверхневій області підкладки тонкі
(до 150 Е) шари GaN, які надалі виступали в ролі буфера і дозволяли на другому
етапі підвищити температуру процесу до 900-950 К.
Тривалість другого етапу складала від 45 до 60 хвилин. У результаті перших двох
етапів на поверхні підкладки формувалася гетероструктура
типу GaNxAs1-x/GaAs. Причому потрійна сполука GaNxAs1-x очевидно має варізонну
структуру, в якій параметр x зростає в напрямку до зовнішньої поверхні. Аналіз
результатів оже-спектроскопії показав, що в результаті нітридизації підкладки
GaAs відбувається конвертація поверхневих шарів (товщиною до 0.2 мкм) арсеніду
галію в нітрид галію. В отриманих тонких плівках GaN присутній миш’як у
загальній кількості до 8%. Наявність миш’яку в сполуці GaN зумовлює вплив на
фотолюмінесцентні властивості отриманої структури. Зокрема, у спектрах
фотолюмінесценції тонких плівок GaN спостерігалась широка смуга у діапазоні
2.5-2.6 еВ, що пов'язувалася з вбудовуванням миш’яку в ґратку GaN [87, 99].
На третьому етапі нітридизації з метою видалення миш’яку із потрійної сполуки
GaNxAs1-x вакуум у системі знижувався до 10-7-10-9 Па за температури 950 К
протягом 5-7 хвилин, що призводило до значного зменшення кількості миш’яку в
структурі GaNxAs1-x.
Далі розглянемо основні положення, на яких будується запропонована нами
фізико-математична модель конвертації поверхневих шарів підкладки GaAs у більш
широкозонну сполуку GaN.
2.2 Термодинамічний аспект нітридизації GaAs
Застосування термодинамічного підходу до поставленої задачі викликає значні
труднощі, перш за все внаслідок того, що процес нітридизації підкладок GaAs
характеризується нерівноважним та нестаціонарним станом системи.
З іншого боку, за умов певних обмежень застосування термодинамічн
- Київ+380960830922