Динамика поверхностных процессов в условиях молекулярно-пучковой эпитаксии соединений A3 B5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

о

у г

/

С.-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ Алексей Николаевич

ДИНАМИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ МОЛЕКУЛЯРНО-ПУЧКОВОЙ ЭПИТАКСИИ СОЕДИНЕНИЙ А3В5

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук (специальность 01.04.04 - физическая электроника)

Научные руководители

Д.ф.-м.н. Кораблёв В.В. К.ф.-м.н. Карпов С.Ю.

С.-Петербургский Государственный ООО «Софт-Импакт» Технический университет

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1999

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 6

Глава I

Исследование поверхности полупроводников

А3В5 при выращивании их методом МПЭ /2

1.1 Свойства (001) - ориентированной поверхности ваАэ и других полупроводников А3В5.

I.1.1. Поверхностные фазовые диаграммы. /Ц

1.1.2 Результаты исследования структуры

реконструированной поверхности. !9

1.2 Использование дифракции быстрых электронов на отражение для исследования поверхности полупроводников А3В5.

1.2.1 Осцилляции интенсивности ДБЭ. 26"

1.2.2 Анализ структуры растущей поверхности

в условиях МПЭ. 27

1.2.3 Исследования шероховатости поверхности

ваАз(001). 29

1.3 Термодинамические факторы в МПЭ. 32

1.3.1 Применимость термодинамического подхода

в условиях МПЭ. 32

1.3.2 Термическое травление полупроводников А3В5

в вакууме. 35"

1.3.3 Образование жидкой фазы на поверхности полупроводников А3В5. "58

1.4 Выводы 4О

Постановка экспериментов и экспериментальные методики.

11.1 Конструктивные и функциональные

особенности установки МПЭ ЭП1203. ¿/1

II. 1.1 Структура установки ЭП1203. ¿/2

II. 1.2 Особенности контроля температуры поверхности подложки полупроводника в установке ЭП1203.

11.2 Методики подготовки, контроля состояния поверхности и калибровки потоков основных компонент, базирующиеся на ДБЭ.

II. 2.1 Система регистрации интенсивности рефлексов ДБЭ.

11.2.2 Предварительная подготовка поверхности полупроводника перед загрузкой в установку МПЭ,

контроль качества подготовки с помощью ДБЭ. 57

11.2.3 Удаление окисного слоя с поверхности подложки ваАз(001). 60

11.2.4 Калибровка потоков ва и А1 по осцилляциям

зеркального рефлекса ДБЭ. 62

11.2.5 Калибровка потока Ав4. 65"

11.2.6 Калибровка температуры подложки, коррекция температурного сдвига при выращивании буферного слоя. 6 7

11.3 Выводы 71

Экспериментальные исследования поверхности полупроводников А3В5 с помощью

ДБЭ в условиях МПЭ. 72

111.1 Исследование многоуровневой кристаллизации в процессе эпитаксиального роста AIAs(001)

методом МПЭ. 7 5

III. 1.1 Модель многоуровневой кристаллизации в условиях

роста методом МПЭ. 73 III. 1.2 Многоуровневая кристаллизация слоев AlAs на

поверхности GaAs(001). 78

111.2 Исследование шероховатости поверхности

GaAs(001). 81

III. 2.1 Экспериментальная процедура. Si

II 1.2.2 Сравнение зависимости интенсивности дифракции от температуры в статических условиях и в процессе эпитаксиального роста.

II 1.2.3 Зависимость уровня шероховатости поверхности от начальной реконструкции в процессе эпитаксиального роста.

Ш.З Исследование фазового перехода с(4х4)<~>(2х4) на поверхности GaAs(001).

II 1.3.1 Промежуточные стадии структурного перехода с(4х4)+Х2х4) на поверхности GaAs(001). 90

III.3.2 Модель поверхностной структуры

с реконструкцией (2x1). 97

111.4 Выводы №2

¿5

S6

Рост, травление и образование избыточной

жидкой фазы на поверхности полупроводников

А3В5 в процессе эпитаксии из молекулярных пучков. 105

IV. 1 Термодинамическая модель роста и испарения кристалла в условиях МПЭ.

IV. 1.1 Гэтерогенное равновесие «пар-кристалл» на поверхности тройных твёрдых растворов А3ХВ31.ХС5. IV. 1.2 Гэтерогенное равновесие «пар-жидкость» на поверхности тройных твёрдых растворов А3ХВ31.ХС5. IV. 1.3 Баланс масс на поверхности растущего кристалла. IV.1.4 Верификация термодинамической модели: расчёт скорости роста СаАз(001).

IV.2 Термическое травление полупроводников А3В5 в вакууме.

IV. 2.1 Термическое травление бинарных соединений. IV. 2.2 Термическое травление баАв. IV.2.3 Термическое травление 1пАв. IV.2.4 Термическое травление тройных соединений.

IV.3 Образование жидкой фазы на поверхности тройных соединений полупроводников А^В^С5

в процессе роста методом МПЭ. 12,3 IV.3.1 Определение границы образования жидкой фазы

на поверхности тройных соединений А^В^.хС5- ^3

IV. 3.2 Учёт вклада упругих напряжений. 12 £ IV.3.3 Расчёт границы образования жидкой фазы для АЮаАв. 123

1С76

Ю7

Ю8

Ю9

11/

ИЗ

//4

115

П8

121

IV.3.4 Расчёт границы образования жидкой фазы для ненапряжённых (релаксированных) слоёв /пСаАв. /55

IV. 3.5 Влияние упругих напряжений на образование избыточной жидкой фазы в случае напряжённых слоёв /пСаАэ. /3 ?

N.4 Выводы /4/

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: основные результаты работы. /45

Список цитированной литературы. /4&

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) является одним из наиболее перспективных методов получения полупроводниковых структур с толщинами слоев, находящимися на атомном уровне. К достоинствам этого метода относятся возможность получения монокристаллов высокой чистоты (за счет проведения ростового процесса в сверхвысоком вакууме); возможность выращивания сверхтонких слоев с резкими изменениями состава на границах (за счет относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии компонент, и практически мгновенного прерывания молекулярных потоков, поступающих на подложку); прецизионный контроль толщин слоев на атомарном уровне (за счет высокой скорости управления потоками и относительно малых скоростей роста); высокая однородность состава и уровня легирования вдоль поверхности структуры; возможность получения бездислокационных напряженных полупроводниковых слоев, сверхрешёток и др.

Помимо широких технологических возможностей, метод МПЭ во многом является приспособленным для изучения процессов, происходящих на чистой поверхности полупроводника в вакууме. В ходе развития МПЭ было установлено, что наиболее полезным и информативным оказалось применение методик, основанных на дифракции быстрых электронов (ДБЭ) на отражение. Использование ДБЭ позволяет получить широкий спектр данных как о параметрах, контролирующих процесс роста, так и о физике поверхностных явлений.

Ключевой проблемой МПЭ является выбор оптимального режима выращивания материала. Для решения этой задачи необходимо построить адекватную физическую картину процессов, происходящих на поверхности полупроводника в вакууме, базируясь как на результатах

экспериментов, так и на теоретических исследованиях. Такая картина должна включать не только процессы роста и испарения кристаллов в условиях МПЭ, но также и сопутствующие процессы, такие как сегрегация компонент (примесей) на поверхности, образование нежелательных избыточных фаз (например, капель жидкости, приводящих к эрозии поверхности) и др.

Другим важным аспектом МПЭ является структура растущей поверхности. Поскольку резкость интерфейсов в гетероструктурах непосредственно связана с уровнем шероховатости поверхности (степени покрытия островками роста на атомном уровне), исследование зависимости шероховатости от условий роста с помощью ДБЭ является важным с научной и прикладной точки зрения, особенно в свете постоянного интереса к выращиванию качественных низкотемпературных слоёв ОаАэ и АЮаАэ.

Кроме вопросов, представляющих фундаментальный интерес, практика развития и использования МПЭ как ростовой технологии производства полупроводниковых приборов постоянно ставит новые задачи. К таковым относится, например, предложенная в ряде работ методика термического травления поверхности кристалла. Будучи важной технологической операцией, термическое травление в вакууме оказалось практически не изученным процессом. В частности, не определены предельные скорости травления и факторы, их лимитирующие.

Таким образом, имеется ряд направлений исследования динамики поверхностных процессов в условиях МПЭ полупроводников А3В5, требующих дополнительного изучения. В связи с этим, тема работы, направленная с одной стороны, на изучение поверхности полупроводников А3В5 в вакууме с помощью методик, основанных на ДБЭ, и с другой, на построение адекватной картины отдельных физических

процессов на поверхности бинарных полупроводников А3В5 и тройных соединений на их основе, является актуальной.

Цель и задачи работы состоят в экспериментальном исследовании шероховатости поверхности полупроводников А3В5 с помощью методик, основанных на ДБЭ, и в анализе наиболее важных экспериментальных ситуаций, включающих процессы термического травления, роста и образования жидкой фазы на поверхности бинарных полупроводников А3В5 и тройных соединения на их основе (включая напряжённые слои).

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые: на основе предложенной качественной модели выявлен характер влияния многоуровневой кристаллизации на форму кривых осцилляций ДБЭ; определены зависимости уровня шероховатости поверхности ваАз(001) от условий эпитаксиального роста; предсказано и обнаружено существование промежуточного состояния поверхности СаАБ(001) с реконструкцией (2x1) при структурном переходе с(4х4)-»(2х4); предложена наиболее вероятная модель поверхности с реконструкцией (2x1); в рамках термодинамического подхода проведён анализ режимов термического травления бинарных полупроводников А3В5 и тройных соединений А^В^С5; проведён анализ влияния упругих напряжений на процесс образования жидкой фазы для тройных соединений А^В^С5; рассчитаны границы образования жидкой фазы для тройных соединений АЮаАэ и 1пСаАв как функции параметров ростового процесса.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней:

1. Получен качественный критерий, позволяющий определить доминирующий механизм кристаллизации на поверхности полупроводников А3В5 по форме кривых осцилляций ДБЭ.

2. Получены новые данные о динамике структурного перехода с(4х4)->(2х4) на поверхности ОаАв(001), вызванного началом

эпитаксиального роста. Эти данные позволяют проводить рост кристалла в условиях, обеспечивающих идеально гладкую поверхность 6аАз(001).

3. Рассчитаны важные с точки зрения практического применения режимы термического травления СаАБ(001) и 1пАб(001) в вакууме.

4. Проведён анализ термического травления тройных соединений А3ХВ31.ХС5 и обосновано заключение о неэффективности его применения на практике.

5. Рассчитана граница образования жидкой фазы для АЮаАэ и релаксированного 1пСаАз, что важно для оптимизации режимов выращивания этих соединений методом МПЭ.

6. Для напряжённых слоёв 1пОаАз с содержанием индия 0.22 и 0.53 (наиболее часто применяемыми на практике), проанализирован характер влияния упругих напряжений на границу образования жидкой фазы при росте на подложках СаАв, 1пАб, и 1пР.

Основные результаты работы, выдвигаемые на защиту:

1. Модель и качественный критерий, позволяющие определить доминирующий механизм кристаллизации растущей поверхности полупроводников А3В5 на основе анализа влияния многоуровневой кристаллизации на форму осцилляций интенсивности зеркального рефлекса ДБЭ.

2. Методика и результаты исследований зависимости уровня шероховатости поверхности 6аАБ(001) от температуры и начальной реконструкции в режиме эпитаксиального роста.

3. Результаты экспериментального исследования фазового перехода с(4х4)-»(2х4) на поверхности СаАз(001), обнаружение и модель промежуточной поверхностной структуры с реконструкцией (2x1).

4. Результаты анализа процессов испарения и образования избыточной жидкой фазы на поверхности полупроводников А3В5 и

тройных соединений на их основе, с учётом влияния упругих напряжений в эпитаксиальных слоях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Xl-й Международной Конференции по росту кристаллов (The Hague, The Netherlands, 18-23 June, 1995), семинарах С.-Петербургского Центра Перспективных Технологий и Разработок и кафедры физической электроники СПбГТУ.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 8 научных работах, список которых приведён в конце диссертации.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из четырёх

глав.

В ПЕРВОЙ главе даётся обзор экспериментальных работ по исследованию базовых свойств поверхности полупроводников А3В5 с ориентацией (001), рассматриваются возможности применения ДБЭ в условиях МПЭ. Обсуждаются имеющиеся экспериментальные данные по исследованию шероховатости поверхности GaAs(001); по травлению полупроводников А3В5 в вакууме и образованию избыточной жидкой фазы, а также применимость термодинамического подхода к описанию физических процессов на поверхности в условиях МПЭ. Выделяются направления, требующие дополнительного изучения и формулируются цели и задачи диссертации.

Во ВТОРОЙ главе даётся детальное описание экспериментальной установки молекулярно-пучковой эпитаксии и её модификаций, направленных на совершенствование оборудования с целью повышения достоверности экспериментальных результатов. Описаны основные экспериментальные методики, основанные на ДБЭ, которые были использованы для изучения состояния поверхности.

В ТРЕТЬЕЙ главе рассматривается качественная модель, позволяющая определять доминирующий механизм кристаллизации растущей поверхности на основе анализа влияния многоуровневой кристаллизации на характер осцилляций зеркального рефлекса ДБЭ. Приведены результаты исследования шероховатости поверхности СаАв(001) в статических условиях и в режиме роста из молекулярных пучков. На основе изучения фазового перехода с(4х4)-*(2х4) на поверхности 6аАз(001) с помощью ДБЭ предсказано и обнаружено существование промежуточной атомарно-гладкой поверхностной структуры с реконструкцией (2x1); рассмотрен ряд моделей поверхности, из которых выбрана наиболее вероятная, описывающая данную реконструкцию.

В ЧЕТВЁРТОЙ главе термодинамическая модель использована для анализа испарения и образования избыточной жидкой фазы на поверхности полупроводников А3В5 и тройных соединений на их основе. Учтено влияние упругих напряжений на границу образования жидкой фазы. При этом принята во внимание существенная для получаемых результатов зависимость упругих констант кристалла от его состава. Проведено сравнение предсказаний теории с имеющимися экспериментальными данными.

Исследование поверхности полупроводников А3В5 при выращивании их методом МПЭ.

Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) является универсальной технологией элитаксиального выращивания тонких пленок полупроводников. Её отличие от ранее существовавших методик вакуумного напыления заключается в существенно более высоком уровне контроля потоков веществ и условий их конденсации на подложке. МПЭ представляет собой процесс эпитаксиального роста, в основе которого лежит взаимодействие одного или нескольких пучков атомов или молекул с кристаллической подложкой в условиях сверхвысокого вакуума. Знание физики поверхности и наблюдения за перестройкой поверхностных атомов, определяемой соотношением между скоростью поступления атомов (интенсивностью пучка) и температурой подложки, способствуют лучшему пониманию путей получения высококачественных пленок путем наращивания одного атомного слоя за другим [1,2,3,4,5].

Успехи технологии твердотельных электронных приборов в последние десятилетия утвердили соединения А3В5 в качестве основного класса полупроводников для быстродействующих СВЧ-приборов и высокоэффективных приборов оптоэлектроники. Отличные результаты при создании двойных гетеролазеров [6,7,8,9,10] и полевых СВЧ-транзисторов [11,12] наряду с высоким выходом и хорошей однородностью роста при вращении подложкодержателя сделали МПЭ одним из базовых методов современной тонкоплёночной технологии.

Наряду с широкими технологическими возможностями МПЭ является единственным методом выращивания полупроводников, в рамках которого имеется возможность контролировать и исследовать чистые поверхности кристаллов в вакууме. Эти исследования, с одной стороны, приводят к дальнейшему совершенствованию МПЭ-технологии, и, с другой, позволяют детально изучить физические процессы, происходящие при взаимодействии молекулярных пучков и поверхности кристалла: состав и структуру поверхности, адсорбцию и десорбцию атомов и молекул, диффузию атомов по поверхности, образование избыточных фаз. Тем самым закладывается физическая база для определения оптимальных режимов роста тех или иных материалов.

В настоящей главе представлен обзор экспериментальных работ по исследованию поверхности полупроводников А3В5. Ввиду весьма широкого спектра проводимых исследований в данной области, данный обзор представляет обсуждение лишь выделенных направлений, имеющих непосредственное отношение к диссертационной работе. Рассматриваются данные по исследованию поверхностной шероховатости, термическому травлению полупроводников в вакууме и обра