Исследование процессов роста при молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур с напряженными слоями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Дзамашвили, Александр Акакиевич АВТОР
кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Тбилиси МЕСТО ЗАЩИТЫ
1991 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.10 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Исследование процессов роста при молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур с напряженными слоями»
 
Автореферат диссертации на тему "Исследование процессов роста при молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктур с напряженными слоями"

оисжо-глшгаж! институт им.л.4<.»'и>к'е ли ссср

грузжски.1 щничшагё уиньерсиш

о

На правах рукописи .ЛЗ^МШЛй АЛККСЛЦЯР АХАКЯКВИЧ

удк 621.315.532

1ши10а*ня2 процвссов роста при тяшшно-пучково'л йггероотешу? с шшкееншзд слоями

{OI.Ot.IO - бланка полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертаций да соискание ученой степени кандидата {азихо-натсматических наутс

Тбилиси 1991

Работа выполнена и физико-техническои институте ::м.Л.О.ИоКТс АН СССР

¡¡аучшэд руководитс/и: кандидат Злтко-ыатекахлческнх наук

лауреат премии Ленинского коксоглопа П.С.Кольев

Директор Института йуаламея-гальних наук ГТУ профессор .

Р.Л.Ч.чковаяг

Официальные оппонент«: доктор <£нз;;ко-катсиат'лческях наук

лауреат Государственной премил 0.В,Е1?;арцеа

кандидат технических наук А.П.Сеаичяин

Золуцоо учреждение - БПО "СУЗ X: АНА"

Зацнта состоится/-?" г. в , часов на

заседании специализированного созета .5 К C03.23.0I прв физико-техническом института оффе АН СССР ло

адресу: 193021, г.Лешшград, Политехническая ул.,д.26, ФТИ ик.А.Ф.Иоф&е АН СССР.

С диссертацией конно ознакомиться в библиотеке института. Отзови на автореферат в двух экземплярах, заверенные початьп, просьба присылать по нижеуказанному адресу на ш ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат • разослан."Л?" т-<1

Ученый секретарь специашшроззанкого совета кандидат £изико-катеадтически:х науя

Г.С.Куликов

Актуальность работу. В настоящее врсня прогресс в таких областях полупроводниковой техники, как микро- и оптозлектроники СБЧ-техника, определяется в значительной степени использованием гетероструктур на основе соединений А3^ и их твердых растворов. Эта тенденция стала сце более аа'/етной после того, как развитие современных технологических методов, таких, как молекулярно-пуч-ковая эиитаксня (КПЗ) и газовал эпитаксия из ыеталлоорганичеохих соедивензй, сделало возможны воспроизводимое вирааиванио "многослойных гетероотруктур с тонкими а сверхтонкими слоге/.!!, энергетический спектр которых определяется эффектами размерного квантом-вия.

Использование кваятово-размерит: гегэрострукгур произвело настоящий переворот в полупроводниковой теташсе, позволив существенно улучшать параметры арактячесни всех известных полупроэод-никозцх приборов а создать целнй ряд принципиально нолнх приборов. Приыеракз 'таких достижений является создание квантово-размерите Гетеролазеров, позволивших снизить пороговую плотность тока до величин сушественно менее ГСО а/ал2 при ЗООК, и полевых транзисторов с высокой подвижности электронов, б основе которых легшт концепция селективного легирования гетероперехода.

Использование этой те-хнологяи позволяет та:;яе спять суиест-вовавиее преаде ^граничение по строгоку'согласованию параметров . решеток вврашиваемнх пленок и подлежи, а такие слоев гетсрострук-турн между собой и тем самш, с одной стороны, расширить круг кс-пользуешх подложек и, с другой сторош, создать по сути козий класс соединений - гетер'осгруктурн с напряженными слоями.

Актуальность данной работы заключается в гам, что в ее ходе проведев комплекс исследований, направленн а: на создание технологии вырааиваяия методом ШЭ эяитакейальшх слоев, несогласованных по параметру рег.^таи с подл ездой.

Оонопная. цол^ диссертационной работа заклачагась в изучена а влияния напряжений, возникающих при росте истодом ШЭ эпдтакопаль-ного слоя, несогласованного по п&раметру решетка" q подДоякой не ростовце процессы й параметр-, структур и вирaûotite на sro.'i осиозз рекомендаций по режимам роста и конструкции структур.

OcHppiwç подожнля. наносимые ка заезду. сводятся к следув-

игму:

I. Наличие напрякошй в растущей слсз приводят к совквекзо минимально необходимого э^Есчтпвыого избыточного давления бола а летучего компонента бинарного соеднлэшш;

2. Бксокотс"Пйратурныа технологическая рос'Ы вирааиваняя струг-тура JÎS6-aJf/G^^Ji'/'&aJ/ , включазаий остановку роста на. интерфейсе Ga^Jj - Jiù-oJf, . что позволяет переаспврать сегрегированный s улучдшть качество штер^ойса;

3. Двухступенчатый тешаратурцый резаху роста слоев t позволивший улучпять структурное cosepneHcîBO слоав G&éS;

4. Конструкция буферного слоя в структура /(raJj^ вклшавдая корогншериоднув оверхревеигу J£$$/&o$ê к позволял;; ал улучшить' лзшюсдентвые ' и алекгрофзнчеокБз параметр СЛОЯ ■ •

Научная но!>яукд работы заглгтается в гсйг что предотаазгЛг ные к защите осковто результата получены вцервиэ.

Научная и ..адщюсге,заклгластся в тс«,

что впервые получены теоретические и экспериментальные даннае.по влиянию напряжений, возникахшзс в ходе роста несогласованных по Параметру решетка с подложкой впитаксаал&йых слоев на ростоше процессы в на основе этих данных разработаны технологические режимы " вирааизания ыетодо« 1.ПЭ чрезвычайно вахннх в практической отношения структур й'ъЖ/баМ и &аЗпJj/ùaJj.

Осповпке результате работы локлалюшлксь иа Бсесотонач ccEGri'iKtiK по исследованию арсепида галлия (Тбилиси, 1987 г,), ХП Всесоюзной г.аучиол конференций по микроэлектронике (Tdieacfl, "I9G7 г.), 1!! .".Те кду на родном сиипозиуке по колекудярно-гглг--KOüQÍ! эпиглкс:::! (Болгария,1989 г.), У Всесоюзной конференции но фазачссягг яропсссва в полупроводников»* гегерострукгурах (Калуга, I9S0 г,), У1 Кзроаейской ко!г|.ерешши по ШЭ я снязашшх о Jici! рос— тозух-.-мегсдоя {^¡яляэдия, 1993 г.).

'•л^'ч'гШРД* материалам диссертации спу&шковапо 5 иаучпих работ, елнеог которой приьеден в яенце автореферата.

.ВЗЙй.'^й«Даосер7£!ЦИЯ состоит из введения, пяти глая, оак-хячепг.я а списка цитируемой литератур?]. Общий объем диссертант1. -Iffl сграж^Хч, нз них 77 страниц текста, 25 страниц с рисункам;!, c.iü-,00:; цитируемой литература включает 94 наименования.

■ч

So введения обоснована актуальность теми, ейорккро-гахш осиошые пели работы, приведены полояе.шя, выносилгкз на за-етту.

П<?_рряя ^лзЩг представлшаая собой обзор литературных датшх, содержат 'iOTupe параграфа.

Б первой naplrpaío глава раоснагрлвавгся осношге отличительные особенности Двозкоякос та технологического ко года ШЭ, характерна!) функциональные узлн тяличнол злитаксналыюЯ устанош;;; и предъявляемое к am требования, необходимые аналитические eiícokc-згакууквдэ методик й-, позволяялае контролировать технологически;; процесс на всех его этапах, Обсуздаатся осцошке тенденции ризв:;--мл г/еюда МПЗ. ■

■ Во• ьторси • параграф е-Зсуздоягся соотяс:,..:нце кяпотзческого к геркодаштачасгого подходов к екгоакло процессов роста яр'л Л1Э

\

Б

соединений А3В* ; основное внимание уделяется исторически более позднему и в настоящее вреия более элективному териоданаыэтесноьгу подходу. Сформулировали осноише положения термодинамической модели, развитие к моменту начала диссертационной работа, сановными параметрами которой является элективное давление элементов У груп-пи и температура подлохки. iia примере спстекк ( )при-

воден кратки:! анализ возможностей данной модели в применении к описанию процессов роста и легирования соединений А38% ц юс тверди растворов, из которого следует вывод о применимости термодинамических лродстаатешй к описанию процессов роста и легнрова- . ння при Т1ШЛЧШК для 1ЛЭ температурах подлодки (500-7С0°С).

3 третьем параграфе рассматрпзавтся гетеройтруктуры в с::сте-кс M&aJs - Ga9nJ)¿,

Гетероструктурамн е налряязннкма слоями называется квантово-рлзиеризе структуры, состоящие иэ материалов с разлэтавдлмнея постоянными решетки, в которых слой (или слой), отлачадеШся по постоянной решетин от катеряала кодяазки а/али огранвчпвшещах слоев выращивается достаточно тонким, так, чтоби разница в постоя нее • решетки снижалась-лишь упругими непряяешшш в Qsoes не приводила к пластической депортации с генерацйеЯ <5одьеого количестаа-дис-

*

локаций несоответствия, Гете рост рук туры с напрккеншши слояка открывают новке мз.уохиосм как в приборных применениях, ras и в исследованиях.систем с пониженной размерностью, так как, о одной . ' сторони, она резко расширят круг аопользуемих катеркадов п позволяют исходить при конструирования гете роструктури только из фа-/ зичееккх требований н ней, а с другой стороны, возникающие' в ней упругие напряжения открывав? дополнительные возможности иодк$ика-"l.-и этой структура.

Одной ::э систеы, привлекающих в настоящее время канйольсое ьижшс, являются гстероструктурц M^. G-ct^J.-é - (ra,^

В этой системе достаточно велики критические толщины сдоя бъ/.у^цЛ^ . т.е. толашш, до которых поддергивается режим пссв-доморфного роста и не происходит генерации дислокаций несоответствия. С другой стороны, резко увеличиваются разравн зоа в гетеропереходе по сравнении с системой АР&аЛ,у - (гоЛ/ , Ла основе систскн АЦЬ-спЛ^ - СгаУлЛ? бала внращоны лаз ори в диапазоне длин волн 0,9-1,1 пни с пороговой плотностью тока менее 103а/а/*. Получени исключительно высокие параметра в транзисторах на основе асевдомср^шсс' структур &о,/(УаУлЛ,?.

■ В четверток параграф приведены гетероструктуры в системз <га/Я, которые вызывают интерес благодаря особому характеру взаимного расположения зоа в полупроводниках. Большие величины разрыва зон на гетеропереходе и"высокая подвижность и скорость насищенкя электронов э позволяют рассчитшзать на получение высокой проводимости двумерного канала в сочетании с хорегки ограничением носителей в ней. Поскольку подложки (тя^ё обладают значительной провода/остью р-типа, особый интерес представляет изготовление таких структур на полуизолируюпдх подложках , позволяющее к тому же использовать для изготовления приборов ухе отработанную (ля^У технологию. Трудность практического использования этой систекн связана с довольно большим рассогласованием 'рарагетров решеток на гетерогранзде в-аМ/З»^ (¿а/а = 0,6<У„) , а такта (га$6/(?аЛ£ Били синтезированы структура ■ бя^ё/У^^/ба^ё на подлогах

. Возникновение уровней разызрного квантования в яме приводит к переходу полуметалл-полупроводник при ее сугсш:п. Критическая ширянз отвечает случав, когда урозень размерного квантования совпадает о валентной зоной и составляет

около 170°А. Структуры с более широкими

ямаып дслхнн обладать полуметагшичсскоЗ дзукернол проводимостью

с paDHKWii концентрациями электронов и кирок, Из вцрапшпшх методом 1ЛПЭ на поддонках (структур (rc,$S значения подвижности электронов в лучших образцах составляли (3,5^4)гЮ5 ск2/Вс при низки:; температурах, однако факторы, определяющие рассеянно носителей, а следовательно возможности полу- • ченил более Бысококзчастзештх структур, гг насто.вдему врекеня яснсш недостаточно,

Ео второй глопо рассматриваются осаовнне технологические этапу выращивания слоев и гогероотруктур «отодоь: '1ШЭ к кс,тсд;и:ц_ ;;>: исследования.

Приведет.' характеристики узлов и систем эпигакекалзнси установки ""J13 и расширено их ^унхфюнальаоо назначений применительно к процессу роста. Определены диапазоны значении колекуляршсс потоков а соотаетствуших вм температур источников базовых'{(га,£$;М) к легпрувдпх ,8$) элементов,. требуемые для получения скоростей роста в диапазоне 0,5+2, мкы/ч; я урозпеЯ легирования Ю16,Ш'° си~* . Описана процедура загрузки тюиових материалов . в испарительные источники к последующая за этих подготовка установка к знатакскалызг' процесса'.!, позволявшая без проведения тоо-котейпературного откьта установки достигать за срок 24 часов необходимых условий сверхвисокого вакууг.-а.

Кратко сообщается о методике контроля парциального состава _ оотаточной атсос!еры (KS.i), с системе дифразцнз электронов сред» них энергии, слупацел для контроля кристаллического совершенства и планарности поддояки и растущего слоя, об аппаратуре да, кото- . рая дает ингоркацап о чистоте подложки и условиях роста, о контроле качества подготовки подложки, осуществляемом с покощыз Оае-^ анализа. ,

Среди большого числа разите видов электрических измерений одниии из са:л;х распространенных являются измерения электродро-

лизироваяная поверхность) на (3x2), соответствующей - стаби-

лизированной поверхности при данной скорости роста и температуре подлокки Т„ =500°С. Все эшттансиалыше слой били выращены в

. ПОД

стабилизированных условиях, иислп зеркалыю-гладкув поверхность я обладали рутилом проводимости.

Исследование оптических, электрофизических и структурных свойств выращенных образцов проводились:

1. Методом низкотемпературной (1,7К) -:л.

2. Методом Ван-дер Но на образцах произвольной форта.

3. Методо« дейеронцпальнсй ренгеновской дн^рактометрии на базе трехкрасталыюго и двухярнстального спектрометра с щеловш анализаторов.'

4. Ыетодс:г однокристальной рентгеновской топографии в геометрии Брегга (иотод-Баррзта-йьюкирка);.

■ 5. Методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) плз-пар'&нз: и поперечник срезов эизтаасиаяышх структур.

В третьей параграфе приведена результаты Есследовалпй структурных свойств слоев (гаЛ V . па подлояяах Оа Л$ »

По дэянш лЩздепцаапьиой рентгеновской, длфрэятокегр/ш распределение дислокаций по толщине слоев преимущественно хаотическое с образованием скоплений, выявляемых как граянцц разори-ентацип. Отлично плотности дислокаций в приповерхностной области пр сравнению с *ее средни« значениям по объему незначительно. Этот результат хорошо согласуется с данными ПЭМ о том, что рез~' код сникенид плотнооти прорастающих дислокаций имеет место в тонком слое вблизи границы раздела о подложкой.

Определяющее иаянаёГва полуширину.рентгонодифракцг.ошшх отражений, а» следовательно, и на плотность а .распределение днело-кациЛ, оказывает режим роста Тодно- или дзуступончатнЯ по ТП0Г1), тогда как отношение ¿¿/¿Л практически но влияет на этот параметр. Дислокации попадают в объем эпнтаксиального слся неаосрод-

ствеако с гетерогранпцы. Дифракционный анализ показывает, что в

основной это 60°-ДЕслокация с вектороа Бюргерса типа а/2 110, лэ-

i

г-аске в кеклонных плоскостях скольжения типа (III). Основную массу дисдокацзй несоответствия, лежащих в плоскости'гетерограницц, составляют краевые дислокации. Дислокадии леват по направлениям

о

110 и НО почти эквидистантно на расстояниях 50 А , образуя квадратную сетку в плоскости гетерограйицы. Анализ их структуры свидетельствует, что основная час-л, дислокаций представляет собой дислокация ЛоаераГ с векторами Еюргерса тала а/2 ПО. При указанной плотности эти дислокации практически полностью снимают несоответствие параметров решеток 0-а$6 - ЬаЛУ.

По данным однокристальной рентгеновской топографии взгиб структур отсутствует. Несмотря на высокую плотность дислокации не образуют стенок или ыалоугловых. границ, а равномерно распределяются по площади образцов.

Даяние рентгеновской дафракгометрян свидетельствуют о когерентности гетерограница сверхрешето'к J? G-aS'tf'/¿ra&d яле JC¿f/G-cf'ß' со слоями

¿■ort т.е. в исследованных образцах сЕорхреиетки не задерживали распространение прорастающих дислокаций к поверхности структуры.

3 пятой главе приведены результата исследований лшинесцент-шх электрофизических свойств слоев £ана ' G-aJtf.

1. Разработано термодинамическое описание процесса роста мете до:: МПЭ слоев с ytje70W добавочной свободной энергии Гийбаз за счет упругих надряяешй, которое находится в хорошо;.? согласии с экспердаентальнша данннип. - .

2. На основании данного термодинамического рассмотрения предложен оптимизированный двухступенчатый температурный ремы роста слоев &о/(,-aJs , позволявший повысить их структурное-со-..

веряенство, что кайло свое■отражение в уменьшении подуемриш привой дифракционного отражения, и улучшить их люминесцентные л электрофизические параметру.

В спектрах ФЛ при Т =1,7 К ааблэдалшсь линяя, связиваеиие с азлучательнши переходами на мелкий (~0,793 эЗЗ) и глубокий ■ (бо^, ^ 0,775 эв) акцепторные уровни, а татае о язлучательной рекомбинацией связашнх (4 лиши 0,7Э&«-0,804 гВ) и свободного (0,803 эВ) зксиюнов.

Уменьйеше отношения (о 14+16 до 4+10) при постсяд-

но:! температуре ^^=530°^ приводит к значительному увеличении сг-.нсалнзя зьтешизностей Я 1ас-Дл , улучшению разрешим зксптоши.т. линий а появления полоса свободного зкситона, увеличении подеи.т.-иос?3' носителей при 77К свыше 5000 см2/Во ^исчезновению' сдвигов линяй з спектрах ФЛ относительно и зорен, ¿точных слоев 'ь,

уменьшении до практически полного исчезновения остаточного напряжения в слой,' что подтверждается исследования?«: дпфферевдпалъко:'* реаЕгеновской дафрактоиетркн а П3!£.

. Введение КПСР 50 1 /501) т расстоянии 0,5 шш

от геторо^ранихда приводит к снвзониэ концентра-

ции центров'безызлучательной рекомбинации я рассслващнх центровг что находит свое отраяевне а увеличена интегральной йитенсивпсс.гн ФЛ п уиеиьпгнпа степени компенсации в слоях. Однако, такие КПП? из задергивав? распространение прорастгшяах дислокаций к поаерхноста структуры. • .

Использование .оптимизированной технологии роста буферного слоя Ьо^а а 'усовериенотпоааанох структур &а&о>:-' (с 10. X КЛ, 'Еиракэшюй непосредственно перёд 2СО Л Л»-^/ кп, содержащей двукершк олектронний канал:) позвольте аоспрокззо-т.а.'о

получать значения подвшшостей двумерных электронов в такк: струк-

СО *

турах свмзе Ю"сьг/Вс (4.2К) и проводимость при 300К, как икниггум на со рядок превитаязуз паксжаяъно возкохснув для традиционных

GrtiJiy' кодуларозачно-легарозаннцх^гстсроструктур.

В заааичекиа сформулирована основные результаты:

1. Разработано термодпнакаческоэ описание процессов роста-при ГЛ1Э с учетом яалртаэний, возникавши при росте несогласованного по параметру решетки с аодах-щой слоя,

2. Разработан дасокот®ара*уршй рсяиг рома методом П1Э структура JKb& -ff/с остановкой на rsTeSorpaiuaio JéírcJf/ба^Л?, . позвояшшЗ получить илаиаршгй imrupíofic.

3. Разработан технологический pesia: МПЭ в конструкция буферного слоя, гезволшнзе получить на додгозде O-n-'j структурно. совершенные слез (re¿(, обдадеадео хоровсу лзкшнзецектнши и эяектрофзээтеснЕиз свойствами.

4. Ыетодок ШЭ получена -структуры JfOctJs/C-a^Jf/C-a^f

с високой подЕигаюсхь» з двукернш 'канале ( у5' // - 38000 са^/ВС,

то р • *

- 1.1x10 ел? ) и с высокой концентрацией в канале ( пг„ - 2,35xI0i2c!,r2, ^^ 3000 сь£/Ш).

5. Использование олгиишревалиой технологаа роста буферного слоя ¿-¿ь^' и усовершенствованных структур &а/Cf/>Jу/6aS't! (с 10 А КЯ), выращенной непосредственно перед 200 А Kfi, содер.таяей двумерны! электрошшй какал, позволило воспроизводимо получать значения подвияностей двуггернвх электронов в таких структурах свыше 10Scí?/Bo (4.2Ю я проводимость прл 3Ó0K, как ишшуи на порядок провпшпаую какскаально возмоздуз для традиционных /it'C-ríT'Jtf/G-aJs кодудар.овади0-яегярокщ}ап: геторосгрукгур,

G. Методе-:.; ШЭ подучены ¿КС ¡Ю-ДС.лазерц на дснове скстека ("0.1? -Жб-aJf'c область» редоыбащщайд

"250 а/с;/2, прз ^ =6000 А и 750 а/си2 пр2 ^ =7°С0 1

7. На остове &-СЛГЗ структур подучены

транзистор! с крутизной до 240 vCu/m. .

Основные результата диссертационной работы опубликовали:

1.Дза«аяшиля А,к,, Ляхогруп A.B., Макалатяя T.Iii., Мелкадзе Р.Г., Скороходов U.U., Чигсгадэа З.Н.г Получение гетероструктур с

' двумерный электронным газом на отечественной установке молену-

. лярно-лучевой эодтаксия УЗ Ш.1А-Г2,5-001// Бсесогазкое совещание по исследования арсенида галлая. 8-10 октября 1987 г.Тбилиси.

2. Дэанашвяли A.A., Яяхргруд А.З., Макалатия Т.й., Иелкадза Р.Г., СкороходовВ.М., Чягояадзе З.Н.. Выращивание гетероструктур

кегодом колекуляряо-лучезой эпитакснн// ЯП Всесоюзная научязя коа|«рендг1я до м&кроэаптрснахе. Тезисы докладов. Тбилиси. 24-28 октября 1987 г.

3. Vagil'ev A.K.» Dzamashvi-li' к,A., Ivanov S.V., Kop'ev P.S., bedontsov И.П., iieltser В.У., Usticov III-V Hstero-structure lasers witb. sbort period cuperlattiae recombination re^ion/ZThird International Syuposium on Kolscular Веет 3pi-taxy. October 2-7, 1939. Yelico Earnov;o. Bulgaria.

4. Копье а П.С. Дзематвили A.A., Иванов C.B., Деденцов H.H., Малеев H.A., Мелккр 5.Я., Пресноз В.Л., Устинов В.М., Транзистора с высокой подвганосты) электронов аа основе гетероструктур с селективным и селввтанвш • & - легированием // Тезисы докладов У Всесоюзной конференций по фязнческш процесса'/ в па-у-пров'одшшовкх гетероструотурах. S-II октября 1990 г, Ток.П, Калуга.

p.lvaaov S.V., Budza A.A., Dzamashvili A.i.., Kop'ev P.S., t'.cl-tser E.Yc., Ustinov V.K., Shoposhvikov S.V, !-'ir.\ ^ -ov,th and characterisation, at strained JaEb layers or. Scu'is(IOO) for C&S'E/InAs/GaSb y.V stxucCures//Si>:th Buropeaa Conference on ¡Co] yc-alar Beas; Epitaxy and Related Grot/th r.'ethoac. April 21-¿S 1 -j-01Tampere Kali, Tampere, Finland. Tempera University ci' Technology.

Заказ )«£> Бесплатно . Тирах 100

* •

Типография ПУ, Тбилиси, ул.М.Косгава, 71