2
Список принятых сокращений.
АО - анизотропное отражение
АСУ - автоматическая система управления
ГС - гетероструктура
ДБЭ - дифракция быстрых электронов
ДПЭ - дифракция прошедших электронов
ДШ - диод Шоттки
ДБТХ - дифенил бензол трикарбонил хрома
ИС - интегральная схема
ИК - инфракрасный
КЯ - квантовая яма
Me - металл
МГ1Э - молекулярно-пучковая эпитаксия
м.с. - моноатомный слой
ОСЛПТ - обращённый селективно легированный полевой транзистор
ОПЗ - область пространственного заряда
ОФК - осцилляции Франца-Келдыша
ПТШ - полевой транзистор с затвором Шоттки
РТД - резонансно-туннельный диод
СВЧ - сверхвысокая частота
ФЛ - фотолюминесценция
ФО - фотоотражение
ЭДП - эквивалентное давления паров
НЕМТ - high electron mobility transistor
/
Содержание
Список принятых сокращений.......................................... 2
Введение............................................................ 9
Глава 1. Разработка комплекса аппаратуры молекулярно-пучковой эпитаксии и аналитических средств контроля технологического процесса выращивания туннельных гетероструктур на основе GaAs... 33
1.1. Введение....................................................... 33
1.2. Разработка комплекса аппаратуры для выращивания гстсроструктур
на основе GaAs методом молекулярно-пучковой эпитаксии................. 38
1.2.1. Модернизация базовой установки молекулярно-пучковой эпитаксии типа ЦНА—25........................................................... 38
1.2.2. Оптимизация системы управления молекулярными потоками 42
1.2.3. Разработка автоматической системы управления процессом молекулярно-пучковой эпитаксии на базе программного обеспечения и аппаратных средств фирмы ADVANTECH........................................... 43
1.2.4. Аналитические средства in situ исследования и контроля процесса выращивания гетероструктур............................................ 49
1.3. Оптический мониторинг процесса эпитаксиального выращивания гетероструктур.......................................................... 51
1.3.1. Метод спектроскопии анизотропного отражения применительно к технологии молекулярно-пучковой эпитаксии наноразмерных гетероструктур............................................................ 51
1.3.2. Оценка чувствительности спекгрометра EpiRAS IR ТТ в составе комплекса аппаратуры для молекулярно-пучковой эпитаксии на примере монослойных плёнок металлов на поверхности Si..................... 57
1.4. Разработка ех situ-методов измерения свойств гетероструктур 60
4
1.4.1. Разработка метода измерения латеральной подвижности носителей заряда в отдельных квантовых ямах многоямных гстероструктур................. 60
1.4.1.1. Теоретическая модель метода измерения латеральной подвижности.. ...................................................................... 60
1.4.1.2. Экспериментальная установка и тестовые измерения латеральной подвижности в образцах квантовых ям на основе ОаАБ/ІПхОаихАБ................ 69
1.4.2. Развитие метода спектроскопии фотоотражения для измерения параметров квантово-размерных гетероструктур: .................................... 72
1.4.2.1. Регистрация квантово-размерных.эффектов в широких квантовых
ямах на основе ОаА5/СахА1і.хА8..................................................................... 74
1.4.2.2.. Измерение концентрации носителей и локализация зондируемой области по глубине гетероструктур........................:................. 81'
1.4.3. Разработка методики регистрации ЄВЧ-снектра Фурье-гармоник для
измерения быстродействия туннельно-резонансных гетеросгруктур:.............. 85
Г.5. Выводы................................................................. 90
Глава 2. Разработка технологии выращивания гетер о структур полевых транзисторов, резонансно-туннельных диодов и эпитаксиальных контактов Шогтки для монолитной планарной интеграции.................................................................. 92
2.1. Введение.... ................................................... 92
2.2. Характеризация достигнутого уровня технологии молекулярнопучковой эпитаксии на различных гетеро структурах полевых транзисторов с затвором Шоттки........................................................... 94
2.3. Разработка технологии выращивания гстероструктур дискретных резонансно-туннельных диодов на основе СаАз/АІЛв............................. 103
2.3.1. Технологические особенности гетероструктур-• резонансно-туннельных диодов и оценка требуемой точности процесса их
5
выращивания........................................................... 103
2.3.2. Разработка методики in situ контроля процесса роста гетсроструктур резонансно-туннельных диодов методом анизотропного отражения 110
2.3.2.1. Предэпитаксиальная подготовка поверхности подложки GaAs в ростовой камере....................................................... 110
2.3.2.2. Выращивание буферного слоя на подложках GaAs................ 113
2.3.2.3. Разработка методики контроля формирования активной области двухбарьерного резонансно-туннельного диода на основе GaAs/AlAs методом анизотропного отражения в режиме Х= const................ 115
2.3.2.4. О возможности контроля параметров сформированной активной области резонансно-туннельного диода методом сравнительной спектроскопии анизотропного отражения в процессе выращивания............ 119
2.3.2.5. Анализ временных зависимостей сигнала огражения, полученных
в процессе выращивания активной области резонансно-туннельного диода 121
2.3.3. Статические и динамические харакгеристики резонансно-
туннельных диодов..................................................... 123
2.4. Разработка технологии эпитаксиальных туннельных контактов'
Шоттки GaAs/Al, выращиваемых методом молекулярно-пучковой
эпитаксии в процессе получения полупроводниковых гетероструктур 125
2.4.1. Выращивание гетероструктуры GaAs(5-Si)/Al...................... 127
2.4.2. Процесс формирования структуры слоя А1 (но наблюдениям картин дифракции быстрых электронов и результатам атомно-силовой микроскопии).......................................................... 128
2.4.3. Просвечивающая электронная микроскопия гетер ос груктур эпитаксиальных контактов Шоттки GaAs/Al..................................... 131
2.4.4. Оценка качества эпитаксиального барьера Шоттки по туннельным характеристикам гетерострукгуры GaAs(5-Si)/Al......................... 134
6
2.5. Выводы........................................................... 135
Глава 3. Разработка технологии функционально интегрированных элементов цифровых интегральных схем с планарной конфигурацией резонансно-туннельных диодов, полевых транзисторов с затвором Шоттки и диодов Шоттки .............................................. 138
3.1. Введение......................................................... 138
3.2. Выбор конфигурации базовой гетероструктуры для планарной функциональной интеграции резонансно-туннельных диодов, полевых транзисторов и диодов Шоттки........................................... 142
3.3. Разработка технологии изготовления монолитно интегрированных резонансно-туннельных диодов, полевых транзисторов и диодов
Шоттки.............!.................................................. 146
3.4. Простейшие элементы цифровых интегральныех схем с планарной функциональной интеграцией активных приборов.......................... 150
3.4.1. Инверторы................................^..................... 150
3.4.2. Компаратор........................................... .т...... 156
3.5. Выводы........................................................... 158
Глава 4. Разработка технологии выращивания сверхрешсток
с широкими слабосвязанными квантовыми ямами на основе СаА8/А1хСа1.хА8 и перспективные их применения......................... 160
4.1. Введение........................................................ 160
4.2. Технологические особенности выращивания сверхрешсток ОаАз/СахА11_хА8 с широкими слабосвязанными квантовыми ямами........... 164
4.3. Разработка методик экспресс-анализа образцов сверхрешёток
СаА5/СахА11_хА5 с широкими слабосвязанными квантовыми ямами........... 173
4.3.1. Диагностика нарушений периодичности и оценка степени
7
туннельной связи в сверхрешётках GaAs/Ga4Al,.4As на основе метода
спектроскопии фотоотражения......................................... 174
4.3.2. Методика межоперационного контроля образцов сверхрешёток на основе GaAs/GaxAluхAs методом фотолюминесценции.................... 177
4.3.2.1. Экспериментальная техника................................... 178
4.3.2.2. Опорные спектры фотолюминесценции и вольт-амперные характеристики...................................................... 179
4.3.2.3. Исследование влияния процесса изготовления мезаструктур методом фотолитографии на люминесцентные свойства сверхрешёток 182
4.3.2.4. Применение отжига для улучшения качества гетероструктур 183
4.3.2.5. Молекулярно-пучковая эпитаксия гетероструктур............... 186
4.3.2.6. Результаты применения разработанной фотолюминесцентной
методики межоперационного контроля образцов сверхрешёток............ 187
4.4. Резонансно-туннельные свойства сверхрешёток GaAs/AlxGai.xAs с широкими слабосвязанными квантовыми ямами............................ 190
t
4.4.1. Образование доменной структуры- как результат слабой связи в сверхрешётках GaAs/AlxGa^xAs......................................... 190
4.4.2. Эффект мультистабильности и его использование для создания
1
элементов многоуровневой логики..................................... 192
4.4.3. Самоподдерживающиеся осцилляции тока и перестраиваемые
напряжением генераторы............................................... 194
4.5'. Выводы......................................................... 196
* Глава 5. Молекулярно-пучковая эпитаксия и исследование свойств полупроводниковых гетероструктур для создания источников излучения на внутрицентровых переходах ионов Yb3+ и Сг2‘.............. 197
5.1. Введение........................................................ 197
5.2. Гетероструктуры GaAs/AlxGai.xAs с примесью Yb3+................. 206
8
5.2.1. Разработка технологии молекулярно-пучковой эпитаксии слоев ваАи и АЮаАз с примесью УЬ3+ ........................................ 206
5.2.2. Редкоземельное излучение слоев СаАэ и АЮаАв, выращенных и легированных УЬ методом молекулярно-пучковой эпитаксии............... 213
5.2.3. Излучательные и геттерирующие свойства примеси УЬ в квантово-размерных гетероструктурах СаАэ/АЮаАБ, легированных
ионной имплантацией................................................ 221
5.2.4. Люминесценция центров, связанных с ионами УЬ 3+,.
в квантово-размерных гетероструктурах ОаАэ/АЮаЛ.я.................... 226
5.3. Разработка технологии молекулярно-пучковой эпитаксии слоев и гетероструктур на основе 2пБе с примесью Сг........................ 232
5.3.1. Технологические проблемы введения примеси Сг в эпитаксиальные слои на основе А2В6 и выбор лигатуры ....................... :....... 232
5.3.2. Получение эпитаксиальных слоев ZnSe:Cr2+мeтoдoм молекулярно-пучковой эпитаксии................................................. 234
5.3.3. Исследование спектрально-кинетических свойств эпитаксиальных слоев йгёегСг^'и оценка их применимости для создания гетероструктур-
ных перестраиваемых лазеров на диапазон X = 2 - 3 мкм................ 236
5.4. Выводы...................................................... 241
Основные выводы по диссертации...................................... 243
Благодарности................................................ 248
Список основных публикаций автора но теме диссертации................ 251
Список цитируемой литературы..........................:........:.... 260
Приложения (1-4)................................................... 274
9
Ввеление.
Трудности дальнейшего совершенствования элементной базы твердотельной электроники стремительно возрастают. Доминирующий на протяжении всей истории развития интегральных схем (ИС) подход, в котором повышение быстродействия приборов и увеличение плотности их компоновки достигались уменьшением характерных размеров, «агрессивный скейлинг», как его ещё называют, исчерпывает себя. Уже в ближайшие годы характерные размеры многих электронных приборов (рис. 1) достигнут значений, сравнимых с длиной волны де Бройля для электронов (26 нм в ОаАэ при 300 °К [1]).
Рис. 1. Развитие работ FRAUNHOFER IAF по увеличению быстродействия транзисторов типа шНЕМТ на основе InAIAs/InGaAs путём уменьшения длины затвора. [2].
2001 г.: частота 220 ГГц - длина затвора 100 нм,
2007 г.: частота 515 ГГц - длина затвора 35 нм.
На таких расстояниях классические физические представления не применимы и должны измениться принципы работы электронных приборов. Переход к новым проектным нормам будет замедляться и по технологическим причинам
10
и по экономическим, т.к. он требует колоссальных вложений в промышленную технологию литографии в глубокой субмикронной и нанометровой областях. Кроме того, в проектировании многоэлементных монолитных устройств, таких как ИС, одной из ключевых становиться проблема отвода тепла, возрастающая с увеличением плотности компоновки элементов. Как отмечается в работе [3], замедление процесса дальнейшего уменьшения характерных размеров приборов неизбежно и закон Мура в ближайшее время будет нарушен.
Поиск иных путей развития элементной базы электроники заметно активизировался в последние два десятилетия. Одним из наиболее перспективных направлений развития альтернативной элементной базы является использование принципа функциональной интеграции и квантовых эффектов.
;
Функциональная интеграция, в- основе которой лежит идея реализации сложных схемотехнических функций-физическими процессами, протекающими в рабочем объёме твёрдого-тела [4], даёт ключ к новым физическим подходам при проектировании устройств получения, обработки и передачи информации. В отличие от широко применяемой сегодня схемотехнической интеграции функционально простых- дискретных элементов - транзисторов, диодов, резисторов-и др., функциональная интеграция позволяет упростить конфигурацию монолитных электронных устройств за счёт избавления от множества мелких структурных элементов, межсоединений и отказа от чрезмерного уменьшения проектных норм.
Одним из наиболее персиешивных в функционально интегрированной электронике является направление, использующее эффект резонансного туннелирования, характеризующийся чрезвычайно малой инерционностью внутренних электронных процессов (время переходных процессов около 1 пс при комнатной температуре [5]), сравнимых с быстродействием сверхпроводящих устройств. Именно в этом направлении в мире достигнуты наивысшие в твердо-
11
тельной электронике рекорды по быстродействию. Простейшим электронным прибором такого типа является резонансно-туннельный диод (РТД). РТД отличают четыре важных свойства:
1. Исключительно высокое быстродействие при умеренных проектных нормах.
2. Существенно нелинейная ^-образная) и симметричная относительно начала координат вольт-амперная характеристика (ВАХ).
3. Способность неограниченно долго находиться в одном из устойчивых
4. Существенно более высокая плотность тока в сравнении с обычными туннельными диодами.
К этому следует добавить, что РТД является единственным квантовым прибором, который на сегодня технологически готов к массовому использованию в электронике [6]. РТД является наиболее быстрым полупроводниковым переключателем больших сигналов и может быть использован в ультраширо-ком диапазоне электронных систем. Схемы на функционально интегрированных элементах РТД/транзистор могуг быть спроектированы с меньшим количеством компонентов, меньшей потребляемой мощностью и более высоким быстродействием, чем схемы на транзисторах.
Принцип функциональной интеграции наглядно реализуется в ИС на основе РТД. Действительно, переключение из одного устойчивого состояния в другое - это функция триггера, т.е. один РТД - функционально эквивалентен электронной схеме на нескольких транзисторах. В действительности, это не совсем так, поскольку РТД необходимо поддерживать в определённой области ВАХ - «рабочей точке», обеспечить вход и выход, что требует использования дополнительных элементов. Тем не менее, в целом, схемы с использованием
12
РТД существенно проще по сравнению с чисто транзисторными, что хорошо видно, например, на рис. 2.
В настоящее время начаты активные разработки в области интеграции РТД и с другими приборами, например, с оптическими. Очень показательными
VDD
Рис. 2. Схемы компараторов с рабочей частотой 25 ГГц на основе РТ/УПТШ (а) и ПТШ (б) [7].
являются разработки цифровых ИС на платформе MOBILE (monostable-bistable transition logic element), в которых планируют использовать не только интегрированные элементы РТД/ПТШ [8,9] (ПТШ - полевой транзистор с затвором Шоттки), но и пары РТД/фотодиод [10] для реализации высокоскоростного оптического интерфейса (до 100 Гбит/с).
Распределение электрического поля в волноводе может сильно меняться в зависимости от малого изменения смещения на РТД в области резонанса и, следовательно, сильно будут меняться оптические характеристики волновода. При определённых условиях возможно получить нестабильность поля в волноводе, которая приведёт к возникновению незатухающих колебаний, что можно использовать для модуляции оптического сигнала. На этом эффекте разрабатываются такие монолитно интегрированные устройства, как РТД/модулятор [11]
13
и РТД/лазер [12]. При интегрировании РТД с лазером существенно упрощаются схемы генераторов стохастических колебаний, которые востребованы в системах защищённой оптической связи. С помощью волновода возможно и стабилизировать генерацию РТД, что было достигнуто нами в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн [АЗЗ].
Реализация квази-оптического подхода к построению многоэлементных высокочастотных электронных устройств на основе РТД, где расположение элементов осуществляется с учётом волновой природы излучения, также требует монолитной интеграции с различными приборами, например с диодами Шоттки [13]. Такая интеграция является.по сути функциональной, т.к. дискретность элементов в любом СВЧ-устройстве достаточно условное понятие в силу близости значений его характерных размеров и длины волны излучения.
Таким образом, новая элементная база электроники на основе функциональной интеграции РТД с другими приборами или устройствами стремительно развивается и это направление разработки цифровых и высокочастотных ИС несомненно актуально.
Несмотря на значительные успехи в технологии, выращивания полупроводниковых ГС, широкое внедрение РТД в электронику ограничивается недостойно высокой воспроизводимостью их характеристик. Информация технологического характера в этой области имеет ограниченный доступ ввиду значительного коммерческого и военного потенциала новой элементной базы электроники. По этой причине исследования по функциональной интеграции РТД/ПТШ/ДШ (ДШ - диод Шоттки) требуют разработки всего комплекса технологических и метрологических методов и устройств, обеспечивающих выращивание ГС на основе СаАэ высокого качества с непрерывным контролем поверхности роста, тестирование образцов ГС после выращивания.
14
В настоящей работе была поставлена и достигнута цель создания технологии диодных и многофункциональных монолитно-интсфированных элементов и схем на основе резонансно-туннельных GaAs/AlAs ГС. Главная трудность в этом направлении связана с необходимостью обеспечения электрических характеристик, обусловленных квантовыми явлениями туннелирования, которые, как известно, чрезвычайно чувствительны к толщине барьеров, качеству интерфейсов и однородности электрических свойств в пределах интегральной структуры. Работа включала разработку технологии получения и методов технологического контроля, исследование свойств функционально интефирован-ных элементов на основе GaAs/AlAs типа РТД/ГГГШ/ДШ с планарной конфигурацией для создания монолитных устройств цифровой: обработки сигналов, и сверхрешёток GaAs/AlGaAs с широкими слабосвязанными квантовыми ямами (КЯ)’ДЛЯ создания ^элементов многоуровневой-логики и генераторов, электрических колебаний. Работа1 включала также разработку технологии, связанной с созданием лазерных источников ближнего и среднего PIK-диапазона. Разрабатывалась технология молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и проводились исследования свойств эпитаксиальных слоев и квантоворазмерных ГС на основе GaAs/AlGaAs с примесью Yb и на основе ZnSc с примесью Сг ', обладающих характеристическим внутрицентровым излучением, которые могут быть основой-источников излучения ближнего и среднего PIK-диапазона.
Разработаны аппаратура выращивания методом МПЭ и специальные методики контроля как в процессе выращивания (in situ), так после него (ex situ).
На этапе изготовления ИС при монолитной интефации РТД и ПТШ решалась и другая проблема, касающаяся особенностей размещения и соединения интегрированных элементов. Высота рельефа поверхности пластины при обычно используемой вертикальной интефации РТД на стоке ПТШ настолько велика, что требуются специальные сложные операции планаризации перед нанесе-
I
V
15
✓
*
я
нием металлизации межсоединений. В диссертационной работе решалась зада-I ча осуществления монолитной интефации РТД/ПТШ/ДШ таким образом, что-
1
V, бы цифровые ИС можно было изготавливать по обычной* арсенид-галлиевой
технологии на стандартной фотолитографической линии. Кроме того, для ио-
}
лучения высококачественных контактов Шоттки необходимо было отработать \ технологию выращивания эпитаксиальных слоев А1 на СаАэ в едином техноло-
I
гическом цикле МПЭ ГС цифровой ИС. Наряду с разрабатываемыми в диссертации методами контроля, к этой работе были привлечены и традиционные методы материаловедения: просвечивающая электронная микроскопия, оптическая микроскопия в сочетании с селективным химическим травлением, атомно-
I
5 силовая микроскопия, рентгеновская дифрактометрия, что позволило, в конеч-
ном итоге, достигнуть поставленных в данной работе целей.
' Указанный' технологическо-исследовательский комплекс методов был
использован и для получения более сложных объектов, свойства которых опре-’ дсляются резонансно-туннельным эффектом, таких как сверхрешётки. Сверх-
решётка - многослойная ГС с туннельно-связанными КЯ, количество которых -число периодов п - обычно больше 10.' Заметим, что п-периодную сверхрешётку можно рассматривать и как продукт функциональной интефации п последова-тельно соединённых туннельно связанных РТД.
Один из типов сверхрсшёток с широкими слабосвязанными КЯ, изучается в последнее время достаточно интенсивно в связи с возможностью получения генерации в тсрагерцовом (1 — 10 ТГц) - в длинах волн - дальнем инфракрасном (300 - 30 мкм) диапазоне электромагнитного спектра. Освоение терагецового диапазона, имеющего крайне важное практическое значение в биологии и медицине, системах вооружения и безопасности [141 и т.д., затруднено отсутствием эффективных твердотельных источников, излучения, что породило даже специальный термин - «террагерцовая щель» (рис. 3). Успехи последних лет в
%
Г
3
•
16
расширении спектра излучения квантово-размерных каскадных лазеров на диапазон 1 - 5 ТГц [15] бесспорно являются значительным достижением, но, к сожалению, не решают всех проблем.
Optical
Lead salts
AftmrJ. AUmn, UCSB
А.. А А ХЛЧЛ i * UUuJ 1 * A i Hill . ...i. I A > I tltl 1 I llllit
1000
Frequency [THz]
Рис. 3. Терагерцовая щель.
CW. continuous wave: TUNNETT. Ttumcl Injection Transit Time: SI.ED, Super Luminescent Diode light source; RTD, Resonant Tunneling Diode: IIG. Iiannonic generation: QC laser. Ouantuin Cascade laser; IU-Vs, compounds from the periodic chart colunuis П1 and V (e.g.. GaAs); IMPATT. Impact Ionization Avalanche Transit Time: and Gunn, electron drift velocity is decreasing as clcctnc field in semiconductor is increasing above ccitam critical value. SOURCE Courtesy of Heubeit Eisele. University of Leeds. Leeds. UK
Исследования слабосвязанных КЯ представляют интерес в связи с возможностью формирования инвертированных распределений в нижних подзонах размерного квантования. В результате различия скоростей процессов рассеяния и релаксации носителей заряда с участием и без участия оптических фононов в этих структурах можно ожидать возникновение генерации в терагерцовом диапазоне [16], что особенно актуально.
Технологически сверхрешётки с широкими слабосвязанными К Я достаточно сложные объекты. Реализация процессов резонансного туннелирования в
17
ГС такого типа требует соблюдения не только высокой точности по толщине и составу выращиваемых слоев и их латеральной однородности в пределах каждого периода, но и высокой степени повторяемости свойств от периода к периоду. Эти обстоятельства, а гак же и то, что в данном случае барьерные слои имели трёхкомпонентный состав, вносили дополнительные сложности в технологию по сравнению с выращиванием двухбарьерных РТД' на основе двойных соединений. В настоящей работе, решалась задача разработки технологии выращивания ГС сверхрешёток с широкими слабосвязанными КЯ методом МПЭ. С этой целью была создана оптическая методика контроля на всех этапах изготовления образцов, включая выращивание и последующую обработку.
Часть работы посвящена легированным примесями Г- и (I-элементов полупроводниковым ГС, перспективным для создания источников света, в частности лазеров, на ближний и средний ИК-диапазон. Как было показано в работах лаборатории проф. А.А. Гиппиуса (ФИАН) [17] на-переходах 2Р5/2 - 2Р7/2 ионов УЪ3' могут быть созданы узколинейчатые температурно-независимые источники излучения в диапазоне 1 мкм. По сравнению с более важным в практическом отношении ионом Егзн, у иона УЪ3: система'уровней проще, что позволяет рассматривать его как модельную редкоземельную примесь. Ряд технологических проблем, связанных с активацией, т.е. переводом иона в зарядовое состояние 3+, низкой растворимостью в полупроводниковых матрицах и высокой химической активностью УЬ, препятствовали не только практической реализации источников излучения такого типа, но и решению научных задач, в частности, изучению вопросов влияния- матриц пониженной размерности на излуча-тельные свойства Г- и б-элементов.
В последнее время для освоения террагерцового диапазона предпринимаются попытки создания сред с ультрабыстрой динамикой носителей на основе ваАБ, легированного редкими землями. В работе [18] было достигнуто время
релаксации фотовозбуждённых носителей в GaAs с примесями Ег и О, равное
0.37 пс и получено излучение в террагерцовом диапазоне. Соединения на основе редкоземельных элементов, обладающие полуметалличсскими свойствами и хорошим согласованием с решёткой полупроводника; были успешно применены для получения высококачественных контактов Шоттки, например, на основе InAlGaAs/ErAs, которые показали обнадёживающие результаты в качестве ультрачувствительных детекторов террагерцового излучения [19].
Таким, образом, технология полупроводниковых ГС с применением ред-
*■»
коземельных элементов имеет актуальное значение в современной оптоэлетро-нике. В настоящей.работе решалась задача разработки технологии выращивания методом МПЭ и исследования-свойств легированых примесью Yb слоев и ГС на основе GaAs/AlGaAs.
Технология'выращивания полупроводниковых ГС, легированных Сг, разрабатывалась автором в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН под руководством академика'Е.М. Дианова. Новая лазерная среда, представляющая собой широкозонную полупроводниковую матрицу соединений типа А2В6, легированную двухвалентными ионами переходных металлов (А2В6:ПМ2ь); является наиболее перспективной для разработки твердотельных перестраиваемых лазеров среднего ИК-диапазона, работающих при комнатной температуре. Этот новый-класс лазеров, который интенсивно развивается начиная с 1996 г., является на сегодня безальтернативным и, по-видимому, в ближайшие годы приобретёт такое же важное практическое и научное значение, какое сегодня имеют Ti-сапфировые лазеры. К моменту начала работы по данной теме все лазеры на А2В6:ПМ2+ были реализованы только на объемных монокристаллах, т.к. техно-логия выращивания высококачественных эпитаксиальных слоев А2В6:ПМ не была разработана. Основные технологические проблемы были связаны с сильной химической активностью Сг и высокой температурой его испарения.
19
Радикальное уменьшение размеров и энергопотребления лазеров А2В6:11М2' возможно только путём перехода на ГС. В данной диссертационной работе ставилась задача разработки технологии выращивания методом МПЭ легированных примесыо Сг слоев и ГС на основе ZnSe и исследования их излу-чательных свойств.
Таким образом, поиск альтернативных путей развития быстродействующей твердотельной электроники, где принцип масштабирования, подразумевающий уменьшение характерных размеров приборов, не был бы доминирующим при решении задач повышения быстродействия и увеличения плотности компоновки ИС, несомненно является актуальным. Использование квантовых эффектов, принципа функциональной интеграции, новых решений в сфере материаловедения содержит значительный потенциал в этом направлении и является предметом исследования настоящей диссертации.
К моменту начала научной работы (1994 г.), результаты которой легли в основу представляемой диссертации, исследования в области создания ИС на базе функционально интегрированных элементов только зарождались. Были предложены и реализованы различные базовые функционально интегрированные элементы типа РТД/транзистор, где РТД располагался на транзисторе, т.е. в вертикалькой конфигурации. Планарная конфигурация размещения РТД и транзистора, взятая за основу в настоящей работе, не рассматривалась.
В начальной стадии находились исследования сверхрешёток СаАБ/АЮаАБ с широкими слабосвязаниыми КЯ и были опубликованы первые сообщения о наблюдении в них доменной структуры при поперечном электронном транспорте. Качество ГС таких сверхрешёток было недостаточно высоким, что затрудняло экспериментальные исследования целого ряда физических явлений, обусловленных туннельной природой поперечного транспорта и имеющих важное практическое применение.
20
Были воспроизводимо синтезированы объёмные образцы ваАБ с примесью УЬ3+ и объёмные образцы ZnSc с примесыо Сг2 ‘ обладающие характеристическим внутрицентровым излучением. Технология выращивания эпитаксиальных слоев и квантоворазмерных ГС, легированных примесями УЬ и Сг не была освоена.
Был проведён большой объём теоретических и экспериментальных исследований по спектроскопии анизотропного отражения (АО) полупроводников и разработаны приложения данного метода для контроля процессов выращивания различных ГС, в основном с относительно толстыми слоями (более 5 нм). Для мониторинга процесса выращивания ГС РТД метод АО'*не применялся.
К началу данной работы также отсутствовали сведения о кристаллической структуре эпитаксиальных контактов Шоттки СаА$/А1 туннельного качества и не было чётких представлений о технологии их получения.
Не был разработан метод измерения латеральной подвижности в отдельных квантовых ямах многоямных гетероструктур. Возможности метода фото-отражения применительно к квантоворазмерным ГС были недостаточно изучены.
Цели и задачи работы.
В связи с вышеизложенным, основной целью настоящей диссертационной работы являлась разработка технологии получения и методов технологического контроля, исследование свойств функционально интегрированных элементов на основе ваАвМЛАз типа РТД/ПТШ/ДШ с планарной конфигурацией для создания монолитных устройств цифровой обработки сигналов, и сверхрешёток СаАБ/АЮаАз с широкими слабосвязанными КЯ для создания элементов многоуровневой логики и генераторов электрических колебаний. Другая цель заключалась в разработке технологии выращивания и исследовании свойств эпитаксиальных слоев и квантоворазмерных ГС на основе ОаАБ/АЮаАБ с при-
21
месью Yb J+ и на основе ZnSe с примссыо Сг2+, обладающих характеристическим внутрицентровым излучением, для создания источников излучения ближнего и среднего ИК-диапазона.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
1. Создание автоматизированного аппаратного комплекса для выращивания ГС на основе GaAs методом МПЭ, оснащённого современными средствами исследования и контроля процесса роста.
2. Разработка методики неразрушающего in situ контроля методом анизотропного оптического отражения процесса выращивания полупроводниковых ГС на основе GaAs и металлов с разрешением 1 м.с..
3. Разработка конфигурации ГС для планарной интеграции РТД/ПТШ/ДШ и технологии их выращивания методом МПЭ.
4. Изготовление и исследование параметров ИС на основе функционально инте1рированных элементов типа РТД/ПТШ/ДШ.
5. Разработки технологии выращивания и методик оптического контроля in situ и ex situ слабосвязанных сверхрешёток с широкими КЯ на основе GaAs/AlGaAs и исследование их свойств.
6. Разработка метода измерения латеральной подвижности носителей заряда в отдельных КЯ многоямных гетероструктур, выращенных как на изолирующей, так и на проводящей подложке.
7. Разработка технологии выращивания эпитаксиальной ГС GaAs(5-Si)/Al для туннельной спектроскопии двумерной электронной системы с туннельным контактом Шоттки и приповерхностным S-Si-легированным слоем, исследование её кристаллической структуры и туннельных свойств.
22
8. Разработка технологии МПЭ квантово-размерных ГС на основе СаАз/АЮаАь с примееыо УЬ, их активации ионной имплантацией кислорода, исследование внутрицентровых переходов УЬ 34" в полученных ГС.
9. Разработка технологии выращивания слоев ZnSc, легированных примесью Сг, и исследование в них внутрицентровых переходов ионов Сг 2+.
Объекты и методы исследования.
Объектами исследования в диссертации являлись ГС и макетные образцы ИС на основе ОаАьЛМАБ, имеющие перспективное применение в области быстродействующей электроники, а также легированные УЪ гстероструктуры на основе СаАБ/АЮаАБ и легированные Сг ГС на основе ОаАэ^пЗе, включая и квантово-размерные, для создания источников излучения ближнего и среднего ИК-диапазона.
Основная часть работы посвящена туннельным ГС следующих четырёх типов:
1. Дискретные РТД.
2. ИС на основе интегрированных РТД/ПТШ/ДШ.
3. Сверхрешётки с широкими слабосвязанными КЯ.
4. ГС СаАз(5-81)/А1.
Гстероструктуры на основе СаАБ/АЮаАз, легированные примееыо УЪ с активацией примесью О и слои ZnSc, легированные примееыо Сг, исследовались на предмет получения характеристического внутрицентрового излучения. Отдельным объектом исследования можно считать процесс выращивания всех перечисленных ГС методом МПЭ.
Автором и его сотрудниками в результате многолетней работы но модернизации был создан современный комплекс аппаратуры МПЭ на базе отечественной установки ЦНА-25 с уникальными для России возможностями исследования и мониторинга технологического процесса эпитаксиального выращива-
23
ния, оснащённый in situ-спектрометром типа EpiRAS IR ТТ фирмы LayTcc (Германия). Спектрометры такого типа имеются в распоряжении лишь у нескольких научных центров в мире, в России ранее не применялись. С помошыо указанного спектрометра были проведены исследования in situ выращиваемых эпитаксиальных ГС методом анизотропного отражения (АО) в диапазоне 500-1600 нм. В процессе выращивания ГС проводились исследования методом дифракции быстрых электронов (ДБЭ). Для этой цели на установке ЦНА-25 была установлена новейшая система регистрации и расшифровки картин ДБЭ.
Исследования ГС после выращивания проводились традиционными мате-риаловедческими методами: просвечивающей электронной микроскопией, оптической микроскопией в сочетании с селективным химическим травлением, атомно-силовой микроскопией, рентгеновской дифрактометрией. Использовались оптические методы: фотолюминесценция (ФЛ), фотоотражение (ФО).
Транспортные свойства исследовались методом Холла. Для измерения ВАХ РТД использовался анализатор параметров полупроводников 4155С SEMICONDUCTOR PARAMETR ANALYZERr фирмы AGILENT. Измерения проводились на мезаструктурах, изготовленных методом фотолитографии. В качестве материала омических контактов к слоям п типа проводимости использовалась композиция AuGe-Ni (88%-Au, 12%Ge, Ni-0,05MKM).
Научная новизна.
В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты:
1. Разработана и реализована технология монолитной планарной интеграции РТД/ПТШ/ДШ на основе GaAs/AlAs/Al, полностью совместимая с базовой технологией арсенид-галлисвых ИС.
2. Разработана технология выращивания и созданы уникальные квантово-размерные объекты - высококачественные сверхрешётки с широкими слабосвя-
24
занными КЯ на основе СаАв/АЮаАз, проявляющие ряд неизвестных ранее эффектов при поперечном транспорте.
3. Предложен и реализован метод измерения подвижности носителей заряда в ГС с квантовыми ямами, основанный на особенностях проникновения электрического поля вглубь образца. Получены аналитические выражения, позволяющие на основе экспериментальных данных определять латеральную подвижность носителей заряда в отдельных КЯ многоямных ГС, выращенных как на изолирующей, так и на проводящей подложке.
4. Экспериментально установлено, что интенсивность люминесценции примесных центров с локализованными состояниями электронов значительно возрастает в матрице пониженной размерности.
5. Обнаружена специфическая люминесценция, связанная с ГУ переходами на.ионах УЪ3+ в слоях СаАэ, АЮаЛз и в квантово-размерных ГС на их основе, легированных УЬ в процессе выращивания методом МПЭ и активированных ионной имплантацией кислорода.
6. Зарегистрировано изменение формы спектральной полосы характери-
л х
стического излучения ионов Сг , вызванное созданием микрорезонатора типа Фабри-Перо в ГС на основе СаА8/2п8е:Сг2+.
7. Разработана технология и установлены закономерности процесса легирования слоев и квантово-размерных ГС на основе ОаА$ЛЗаА1А8 методом МПЭ. Достигнута концентрация примеси УЬ 2-1018 см'3, что не менее чем на порядок превышает ранее известные значения. Обнаружено явление накопления УЬ на растущей поверхности слоев Са(А1)Аз.
8. Разработана технология МПЭ слоев 2п8е, легированных примесью Сг?‘, из низкотемпературного молекулярного источника, в котором в качестве лигатуры предложено использовать высоколетучее соединение дифенил бензол трикарбонил хрома, разлагающееся на поверхности подложки с выделением Сг.
25
9. Определены границы устойчивости квантово-размерных ГС на основе GaAs/AlGaAs к радиационным повреждениям, создаваемым ионной имплантацией Yb3+.
10. Установлено, что туннельный контакт Шоттки в ГС GaAs(5-Si)/Al возникает при осаждении слоя Л1 только на стехиометрическую поверхность GaAs, имеющую в случае ориентации поверхности (001), реконструкцию (3x1). Показано, что невоздействующий метод АО позволяет более точно установить тип поверхностной реконструкции GaAs при отсутствии потока As, чем метод ДБЭ. Установлено, что эпитаксиальный слой А1 имеет блочную структуру, а ориентационное соотношение слоя и подложки имеет вид А1{110}/GaAs(001). Блочная структура слоя А1 не препятствует образованию высококачественного контакта Шоттки GaAs/Al, что подтверждено наблюдением эффектов плотности состояний на туннельных спектрах.
11. Разработаны оптические методики неразрушающего контроля гетероструктур на основе GaAs/AlGaAs и металлов, основанные на измерении анизотропного отражения, фотоотражения и фотолюминесценции, в частности, методика оптического мониторинга процесса выращивания (in situ) с использованием метода анизотропного отражения, позволяющая контролировать толщину слоев и резкость гетерограниц с разрешением 1 м.с. в реальном-масштабе времени.
Практическая значимость работы.
1. Созданные технологии и комплекс диагностических методов позволяют осуществлять приборные разработки широкого класса наноструктур высокого быстродействия, основанных на квантовых эффектах резонансного туннелирования.
2. Разработанная технология монолитной планарной интеграции РТД/ПТШ/ДШ открывает относительно простой и малозатратный путь к созданию различных цифровых ИС и других быстродействующих электронных уст-
- Київ+380960830922