СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР..................................... 13
1.1. Современные методы получения легированных эпитаксиальных гетеро структур на основе полупроводниковых соединений Л'В' (понят ие и виды эпитаксии)............................13
1.1.1. Жидкофазная эпитаксия...............................14
1.1.2. Химическое осаждение гстсроструктур из газовой фазы методом разложения металлоорганических соединений и гидридов....................................................16
1.1.3. Методы легирования полупроводниковых структур...... 18
1.1.4. Эпит аксиальный метод легирования...................22
1.2. Свойства легированных эпитаксиальных слоев...............24
1.2.1. Легирование углеродом, авголегирование..............25
1.2.2. Легирование кремнием................................29
1.2.3. Легирование редкоземельными элементами..............32
! .2.4. Эффект легирования эпитаксиальных слоев ОаЛв........34
1.3. Выводы. Цель работы и задачи исследования................43
ГЛАВА 2. ОБЪЕК ТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................45
2.1. Характеристики объектов..................................45
2.2. Современные методы исследования атомного и электронного строения эпитаксиальных гс герое груктур на основе полупроводниковых соединений А3В5.............................49
2.2.1. Дифрактометричсскис и рентгенографические методы определения параметров решетки твердых растворов в гетероструктурах на основе А’В .............................50
2.2.2. Методика расчета параметров эпитаксиальных твердых растворов с учетом упругих напряжений кристаллической решетки.....................................................54
2.2.3. Профили рентгеновской дифракции полупроводниковых
ici сроструктур........................................60
2.2.4. ИК - спектрометрия на отражение.......................61
2.2.5. Римановская снскфоскоиия (комбинационное рассеяние света)........................................................64
2.2.6. Фотолюминесцснтпая спектроскопия......................68
2.2.7. Сканирующая электронная микроскопия, энерго-дисисрсиоиный микроанализ.....................................69
2.3. Выводы....................................................72
ГЛАВА 3. РЕНТГЕНОСТРУ КТУРНЫЕ, МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР Cavln,.xP:l)y/por-GaAs/GaAs (100), ЛЕГИРОВАННЫХ ДИСПРОЗИЕМ.........................73
3.1. Рснттсноструктурный анализ твердых растворов Оач1п,.чР в гстероструктурах GaNIn,_sP/GaAs (100), GaJri|.4P:Dy/GaAs (100), Ga4In,.4P:Dy/por-GaAs/GaAs ( 100)...............................74
3.1.1. Эпитаксиальные твердые растворы, полученные меюдом
жидкофазной эпшаксии...................................76
3.2. Результаты исследования сколов образцов меюдом сканирующй электронной микроскопии.........................................80
3.3. Оптические характеристики жидкофазных эпитаксиальных гстсроструктур на основе твердых растворов Ga4In|.NP в ИК области.........................................................81
3.4. Выводы....................................................84
ГЛАВА 4. РЕНТГЕНОСТРУ КТУРНЫЕ, МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭП ИТ А КСИ АЛ Ь НЫ X Н И 3 КОТЕМ П Е РАГУ PH Ы X
ГЕТЕРОСТРУКТУР AlxGa,_4As/GaAs (100), ЛЕГИРОВАННЫХ УГЛЕРОДОМ........................................................85
4.1. Структурные и оптические свойства эпитаксиальных твердых растворов МОС-гидридных гстсроструктур Al4Ga|.4As/GaAs (100),
легированных углеродом........................................86
4.1.1. Раечеї параметров решетіки с учетом внутренних напряжений для низкотемпературных літ аксиальных геї еросі рук тур..........87
4.1.2. Изучение морфологии повсрхносіи гсгероеіруктур............92
4.1.3. Исследование особенностей ИК-снекгров отражения...........94
4.2. Субструктура и люминесценция низкотемпературных МОС-гидридных гстсроструктур Л^Са^Ля/СаЛя (100), легированных углеродом..................................................97
4.2.1. Исследование особенностей спектров Раманонекого рассеяния.98
4.2.2. Фотолюминссцептныс исследования низкотемпературных гстсроструктур Л1чОаі.чЛ8:С/ОаД5(ЮО).............................102
4.3. Выводы........................................................107
ГЛАВА 5. РЕНТГЕНОСТРУКТУ PHЫЕ И СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОМОЭПИТАКСИ АЛ ЬНЫХ С.аАи^і/СаАхООО) И ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР АІх(;а,.хА5:8і/СаАа(І»0), ЛЕГИРОВАННЫХ КРЕМНИЕМ................................................1 10
5.1. Рентгсносфуюурпыс исследования МОС-і идридпых
іомоэ!іитаксиальїіьіх СіаД8:8і/(іаД.н( 100) и гстсроэпигаксиальлых структур Д1чСіаі.чД8:8і/СїаДя( 100), легированных кремнием.1 11
5.1.1. Образование твердых расі воров її гомоэнитаксиальнмх структурах СаА8:8і/С}аЛз( 100)...................................113
5.1.2. Образование четверных твердых растворов в гетсросіруктурах АкОа,.чЛ8:8і/ОаА*(ЮО)............................................ 119
5.2. ИК-спсктры юмоэпитаксиаиьпых ОаДз^і/ОаЛяО 00) и гетсроопитаксиальных структур А1чОаі_чЛ.ч:8і/(іаЛз( 100), легированных кремнием.....................................130
5.3. Выводы........................................................136
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.........................................................139
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................... 140
Введение
Актуальность работы:
Многие голы усилия исследователей сконцентрированы на изучении физических свойств полупроводниковых твердых растворов (ГР) AlxGa|.xAs и CîaJn,.4P, поскольку тонкие пленки па их основе являются базисом для большинства оптоэлсктронных компонентов, гстсролазсров, а іакже элементов эффективных солнечных фотопреобразователей. Разработка любого из вышеперечисленных устройств требует от полупроводникового эпитаксиального материала определенных стабильных электрических и оптических свойсзв. Существенно изменять такие свойства можно посрсдствам введения небольшого количества примесей и дефектов. Однако, если один тип дефектов может оказаться полезным, то другой можсі еделаїь будущий прибор некачественным.
В полупроводниках широко известны примеси, используемые как легирующие, для управления типом проводимости и электросопротивлением, которые являются «мелкими» донорами и акцепторами. Их энергии ионизации очень малы по сравнению с шириной запрещенной зоны данного полупроводника. В то же время существуют в большом количестве дефекты, называемые “глубокими” центрами. К ним относят те примеси, энергии активации которых лежат вблизи середины запрещенной зоны.
Известно, что высокая химическая активность редкоземельных элементов обеспечивает связывание примесных атомов, залечивание вакансий и уменьшение вероятности образования аптиструктуриых дефектов. Они также способствуют снятию напряжений в кристаллической решетке эпитаксиального ТР и его «очищению» от дефектов. Кроме того, поскольку редкоземельные элементы обладают сильными магнитными свойствами, введение их в полупроводниковые ГР на основе Л’В' открывает новые возможности таких материалов за счсч взаимодействия свободных носителей и магни тных ионов.
Несмотря на теоретическую возможность практически полного согласования параметров между эпитаксиальным слоем и подложкой в гстсростуктурах, часто в реальных технологических условиях эти нарамефы оказываются несколько рассогласованными, что приводит к возникновению в пленке внутренних напряжений. Поэтому большой интерес представляє! проблема влияния преднамеренного и непреднамеренною легирования, в том числе элементами четвертой группы кремнием и углеродом, на возможнос ть полного согласования параметров пленки и подложки для тройных ГР различных составов в системе ЛЮаЛз/СаЛз( 100).
Поэтому большой интерес представляет изучение атомного и электронного строения гетероструктур в зависимости от соотношения элемен тов в составе твердых растворов.
Цель работы: Исследование особенностей атомного и электронною
строения, оптических свойс'і в полупроводниковых гстсроструктур на основе тройных ГР ОаІпР и ЛЮаЛа, легированных редкоземельными элементами и элементами четвертой группы - углеродом и кремнием. Выявление технологических условий роста, позволяющих получить наиболее согласованные но параметрам гстсрос тру к туры.
Основными задачами исследовании, исходя из поставленной цели, являются:
1. определение параметров эпитаксиальных ГР (їачІП|.ЛР:І)у, Л1чОаі,чЛ^:С и АІчОаі_чЛ*>:8і, а также влияния легирования па степень их согласования с параметрами подложки ОэЛб (100) ме тодом рентгеновской дифракции;
2. получение данных о морфологии поверхности и элементном составе эпитаксиальных пленок методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) е использованием микроанализа (МЛ);
3. изучение особенностей ИК-рсшсточиых спектров отражения в обласіи одпофононпого резонанса методом ИК-спектроскопии;
4. исследование фоюлюминссцситиых (ФЛ) свойств обратной гс героетру к гу р для определения энергетического спектра эпитаксиальных слоев в условиях непреднамеренного легирования углеродом;
5. получение данных об особенное і ях сосіава и онергеї ичсского спекіра методом Рамаповской спектроскопии;
6. изучение влияния легирования редкоземельными элемен тами и рос і а пленки на буферном пористом слое на свойства эпитаксиальных гетероструктур Оач1п|.чР/ОаД8( 100).
Объекты н методы исследовании.
В работе исследовались іст срост рук туры, изготовленные в лаборатории «Полупроводниковой люминесценции и инжскционных излучателей» Физико-технического института им. А.Ф. Ио(|)фс РЛІ1.
На монокристалличсских подложках ОаАя с ориентацией (100) химическим осаждением из газовой фазы путем разложения мсталлоргаиичсских соединений и гидридов (МОСГФЭ), а также жилкофазной эпитаксией (ЖФЭ), были выращены монокристалличсские пленки тверді,їх растворов ОачІП|.чР с различным содержанием индия и галлия в металлической нодрешетке и относи тельно одинаковой толщины.
Также в работе исследовались образцы, представляющие собой гомоэпит'аксиальные структуры СіаАя^і/СаЛя(100) и гстсроструктуры Л1чОа|.чЛ5/СаЛя(100) легированные кремнием, углеродом, выращенные ме тодом МОСГФЭ.
Анализ влияния эффектов легирования на свойства исследуемых материалов производился методами, позволяющими получать прямые данные о структуре, оптических харакісристиках, морфолоіии и энергетическом спектре. В данной работе использовался комплекс структурных и спектроскопических методов: рентгеновская дифрактомстрия, сканирующая электронная и атомно-силовая микроскопия, Рамановская и
ИК-сисюроскоиия, фенол юм инее цен I пая спектроскопия. Используемые методы я паяются неразрушающими и позволяют получить полную информацию об атомном и электронном строении и свойствах новых материалов.
Научная новизна определяется тем, что:
1. Обнаружено влияние легирования диспрозием на увеличение композиционной однородности ГР Сач1п|_хР:1)у.
2. Впервые экспериментально установлена и обоснована возможность полного согласования параметров кристаллических решеток ТР Л1чОа|.чДн различных составов с монокристалличсской подложкой ОаДя (100) за счеч управляемою введения концентраций легирующих элементов кремния и углерода в ДЮаАя.
3. Обнаружены нанокластсры уиюрода, образующиеся при выращивании ГР Д^Оа^ДБ в условиях пониженной температуры методом МОСГФО в результате автолегирования высокими копцептрацями атомов углерода.
4. Разработана методика регистрации запрещенного рефлекса (600) в гстсросфуктурах ДТЗ5 на больших брэыовеких углах отражения, позволяющая производить прецизионные измерения параметров компонент гстсроструктур с точнос тью до четвертого знака с использованием в качссизс репера дифракционной линии (600) подложки ОаДв (100).
Практическая значимость:
Определении оптимальных технологических условий получения гстсроструктур на подложке ОаЛз (100) на основе применения комплекса неразрушающих методов рснтгснострукчурнот анализа, ИК, Рамановской, ФЛ спектроскопии и растровой электронной микроскопии, коюрые позволяют получать фундаментальные характеристики гстсрострукзур -параметры кристаллической решетки ГР. механические напряжения.
возникающие и системе пленка / подложка, атомный состав и оптические свойства.
Моделирование технологических процессов эпитаксиальною выращивания ГР в координатах: параметр решетки - состав - температура -давление позволяет определить оптимальные режимы получения полупроводниковых гетероструктур па основе гетсропары ЛЮаАя - ОаЛя с полностью согласованными параметрами решетки путем растворения кремния в кристаллической решетке А1чОа|.хЛя.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современной экспериментальной техники, применением современных и независимых методов обработки данных и воспроизведением обнаруженных эффектов в ряде зарубежных авторов. Достоверность созданных компьютерных моделей подтверждается использованием современною программного обеспечения, а также сої ласоваппостыо с имеющимися экспериментальными данными.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Определение оптимальных технологических условий наилучшего согласования параметров решеток при эпитаксиальном выращивании тетероструктур СачІП|.чР/ОаЛ8 (100) методом химического осаждения из газовой фазы МОСГФЭ.
2. Однородность состава ГР в жидкофазных гетероструктурах (іа0.11хІПо.52Р:І)у/СіаА8(100), достигаемая путем легирования атомами диспрозия, в результате чего трехкратно уменьшается полуширина дифракционной линии (600) эпитаксиального слоя.
3. Релаксация напряжений в гстсропаре пленка / подложка в результате создания дополнительною пористого слоя в гетероструктуре (іачІП|. хР:1}у/рог-ОаАБ/(}аАБ(100) в качестве буферного при наличии рассогласование параметров между тройным ГР и подложкой гп = 0,0019.
10
4. Образование панокластсров углерода происходи! в результате автолегирования методом МОСГФЭ в условиях роста при пониженной температуре (Т - 550°С в реакторе) ГР A I4C}a1_xAs:C высокими концентрациями атомов углерода С<1 ат.%.
5. Полное согласование параметров кристаллических решеток пленки с подложкой Дя=0 при растворении атомов кремния в ГР Al4Ga,_4/\s с образованием четверного ГР в широкой области измерения х: 0,25<х<0,4, в условиях выполнения обобщенного закона Вегарда для четырехкомпонентной системы ГР Al4Cjai_xAs|.ySiy.
Личн»>1Й вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре Физики твердого тела и наноструктур Воронежскою юсу ни вере и тега и проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры, а также грантов РерФИ и AWG. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при cio непосредственном участии. Автором осуществлено обоснование метода исследования и проведены экспериментальные исследования. Совместно с научным руководителем проведен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались па II и III Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых учёных по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2009), NA TO Workshop "Advanced Materials and Technologies for Micro/Nano-Devices, Sensors and Actuators" (Санкт-Петербург, 2009), Всероссийской конференции с элсмстами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наиосисзсм и материалов» (Ьелгород, 2009), X Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой ото- и наноэлектроникс (Санкт-Петербург, 2009), V Всероссийской конференции
«Физико-химические процессы к конденсированном состоянии и на межфазпых границах» «Фагран - 2010» (Воронеж, 2010), XVII
Международной молодежной конференции «Ломоносов» (Москва, 2010), 18-th Inicrnalional Symposium “Nanostructures: Physics and Technology”
(Владивосток, 2010), 13-й научной молодежной школы по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наносис'іем» (Сапкг-1 (с гербу pi, 2010).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 7-й печатных работах в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ, из которых 3 статьи в зарубежных научных журналах. Кроме тою, 9 работ опубликованы в трудах конференций.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 і лав и заключения, изложенных па 155 страницах машинописного текста, включая 42 рисунка. 16 таблиц и список литературы из I 59 наименований.
В первой главе приводится обзор лич ера туры, в ко тором изложено современное состояние вопроса о легировании редкоземельными элементами, а также углеродом и кремнием эпитаксиальных слоев те торос і рук гур на основе тройных ГР, описаны современные методы эи из аксиального роста, а также рассмотрены основные структурные и оптические свойства изучаемых полупроводниковых соединений тина А'В\ На основании анализа литературных данных сделаны выводы, определившие цели и основные задачи исследования.
Во второй главе представлено описание четырех серий образцов эпитаксиальных гегероетруктур, полученных двумя разными методами: химическим осаждением из іазовой фазы мечаллоргапичсских соединений и гидридов (МОСГФЭ) - Al4Gai.4As:C /GaAs(lOO), GaAs:Si/GaAs(100), AI4Gai. 4As:Si/GaAs(100), и жидкофазной эпитаксией (ЖФД) - GaJm.JVGaAs (100), в
лаборатории «Полупроводниковой люминесценции и ипжскционпмх излучателей» Физико-1 схничсского института им. Л.Ф. Иоффе РЛ11.
В третьей главе представлены оптические и структурные исследования эпитаксиальных гегероетру ктур Оа<м.>1по.5|Р/С;аДя( 100), Оао.481по.52^’Пу/С}аЛн(100), Оао.4у1п1)5|Р:[)у/рог-(}аД8/СаЛн(100), легированных диспрозием, полученных методом ЖФЭ, результаты моделирования рентгеновских спектров, а также ИК-снсктров изучаемых образцов двух серий.
В четвертой главе приводятся исследования образцов гстсросгрукчур Л1ч(}а|.чЛ$:С/(|аЛ8(100), выращенных методом МОСГФЭ при пониженной температуре (550°С) в условиях автолегирования углеродом для достижения максимальной концен трации углеродного акцептора.
В пятой главе про и водятся исследования энтаксильпых гстсроструктур Д1чОа|.чЛ8:81/(}аД8(10()) и гомоопи таксиальных струю у р СаДБ^/СаДзООО), легированных кремнием, результаты
рсптгсноструктурного анализа, сканирующей электронной микроскопии и дынных дисперсионного анализа экспериментальных ИК-спстров отражения.
В заключении подведены итоги по результатам диссертационной работы в целом и сформулированы основные выводы.
Г ЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
13
В настоящей главе изложено современное сос тояние вопроса о методах эпитаксиального роста, легировании эпитаксиальных слоев гстсросчрукгур на основе тройных твердых расч воров, описаны дифракционные методы исследования, а также рассмотрены основные структурные и оптические свойства изучаемых полупроводниковых соединений типа А3В3.
1.1. Современные методы получении эпитаксиальных I ечеросч рук тур на основе полупроводниковых соединений А3В>
Развитие современного производства полупроводниковых приборов трсбус) ип тарирования большою числа различных элементов. Создание таких приборов требует управляемо! о осаждения и производс тва материалов различного типа: металлов, полупроводников и диэлектриков 111.
Работы по исследованию искусственно созданных полупроводниковых гсчсроструктур были инициализированы идеей о создании периодической структуры из чередующихся тонких слоев, высказанной в 1962 Л.В. Келдышем 121. Идея гсчсроструктур возникла при изучении возможных проявлений резонансною туннелирования через двойные и более сложные потенциальные барьеры |3|. Д. Бом установил, ч то если характерные размеры полупроводниковых наноструктур сделать меньшими, чем длина свободного пробега электронов, то при наличии почти идеальных Iсторограниц вся электронная система перейдет в квантовый режим с пониженной размерностью.
Эпитаксиальным (от греческого «эпитаксия» - упорядоченное расположение па чем-либо) называют закономерное выращивание монокристалличсской пленки на монокристалличсской подложке. Материал подложки играет роль затравочною кристалла, при этом выращенная пленка воспроизводит кристаллографическую структуру подложки. При эпитаксии рост кристалла происходит при чем пера туре, меньшей чемперачуры
- Київ+380960830922