Исследование структуры реальной поверхности полярных граней кристаллов полупроводниковых соединений методом асимптотической брэгговской дифракции тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.10 ВАК РФ

Ш2 СЦ?.31!

№ ** Российский н

ийскии научный центр "Курчатовский институт"

На правах рукописи УДК 538.97!

ГАЛКИН Игорь Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ РЕАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛЯРНЫХ ГРАНЕЙ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДОМ АСИМПТОТИЧЕСКОЙ БРЭГГОВСКОЙ ДИФРАКЦИИ

01.04.10. — Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Институте молекулярной физики Российского научного центра "Курчатовский институт"

Научные руководители:

доктор Физико-математических наук профессор ЯКИМОВ С.С..

кандидат физико-мэтемзтических наук С. Н. с. ЧАПЛАШБ В.А.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-матемзтических наук профессор КУЗЬМИН Р.Н.

доктор физкко-катенатических каук

АЛЕКСАНДРОВ П.А.

Институт кристаллографии им Шуоникова A.B. РАН.

Зашита состоится « » 1992 г. в час. на

заседании Специализированного Совета Д.034.04.04. при Российском научном центре "Курчатовский институт" по адресу: 123182, Носква, пл. Курчатова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАЭ. Автореферат разослан << » 1992 г.

Ученый секретарь совете

А.В. МЕРЗЛЯКОВ

Технический редактор С.К. Сведлова Подписано в печать 25.05.92. Формат 60x84/16 Уч.-изд. л. 1,4. Заказ 110. Тираж 92 Отпечатано в РНЦ „Курчатовский институт"

*

-II

-'ТйШ-:!

Осой и характеристика работы.

1!дЬ уальность. Изучение структуры приповерхностных слоев и раниц раздела кристаллов посвящены тысячи раоот, и интерес к 1Тому направлению все возрастает. Основным стимулом для этого шляется бурное развитие современной твердотельной электроники и, |режде всего, уменьшение размеров активных областей приборов, что юзволяет реализовать кваптово-размерные эффекты в их работе и начигельно расширить функциональные возможности приборов и стройств. Многие процессы, определяющие работоспособность лектронных приборов, происходят в приповерхностных слоях и на раницах раздела между кристаллом и различными пленками на его оверхности, поэтому знание физических свойств реальной оверхности (а именно, поверхности кристалла под пленкой) резвычайно сажпо при разработке микроэлектронных устройств.

Самые современные средства исследования поверхности твердых ел (сканирующая туннельная микроскопия, дифракция медленных лектронов и др.) позволяют исследовать структуру кристаллов с еобходимым разрешением, однако требуют для своего применения пециальной обработки поверхности в сверхвысоком вакууме. В связи этим невозмущенная реальная поверхность кристаллов практически вдостугша исследованию с их помощью. Это обстоятельство оусловлено низкой проникающей способностью используемого злучения, то есть именно тем, что и определяет высокую ирешпющую способность указанных методов. Классические энтгенодифршшонные методы не лзют столь высокого разрешения, цнако позволяют легко анализировать реальную поверхность твердых зл. Широкие теоретические и экспериментальные исследования :ооенностей дифракции рентгеновских лучей в совершенных знокристаллах привели к созданию качественно новых методов юлиза кристаллической структуры тончайших приповерхностных таев кристаллов [1]. Одним из них, объединившем высокую юникающую способность рентгеновских лучей с возможностью юлиза сверхтонких слоев на реальной поверхности кристалла, шяется метод асимптотической брэгговской дифракции.

Цепь работы и предмет исследования. Цель работы эакяйчгишоь изучении структуры реальной поверхности полярных граней (111) А (111 )В кристаллов полупроводниковых соединений. Исследования изводились на материалах, имеющих большие перспективы применения

1

в микроэлектронике: арсениде галлия, арсениде индия, антимониле индия-' и твердом растворе кадмий-ртуть-теллур. ОеооыИ интерес к полярным граням (111 )А и <111 )В кристаллов обусловлен тем. ч различные свойства входящих в соединение атомов приводят к различию физико-химических свойств полярных граней, в том числе и различию свойств реальной поверхности.

Основные положения, выносимые на защиту и их новизна.

1. Проведен анализ структуры границы раздело между кристаллами типа и естественной оксидной пленкой на их поверхности. Предложено объяснение различия структуры реальной поверхности на полярных гранях (111)А и (111)В кристаллов тш АЭВ^. Показано, что это различие обусловлено как разной плотностью свободных связей, так и |>азной химической активностью атомов на поверхности кристалла.

2. На основании анализа параметров, характеризующих реальную поверхность кристаллов типа А В , сделан вывод об определяющей роли элемента У-И группы в формировании переходной области между кристаллом и естественной оксидной пленкой.

3. Исследована граница раздела между кристаллом о 77 -Р ^ о ггбТе и естественной оксидной пленкой. Анализ

результатов показывает, что толщина переходного слоя между кристаллом и пленкой на грани <111) А примерно в подток» |>аза больше. чем па Г(>аии (111)В. Различие структуры реальной поверхности полярных граней криста л ла нб 0 77ьс<10 объясняется разной химической активностью поверхностных атомов.

4. Исследована граница раздела между кристаллом

о 77 о гг5Те и ШЮДПЬ,МИ (оксидными и сульфидными) пленками. Показано, что толщина переходного слоя на стороне (111 )А меньше, чем на стороне (111 )В. Предложена модель, объясняющая это отличие на основе представлений об анизотропии внутренних электрических подай.

&. Обнаружено, что после анодирования стороны (111 )А кристалла Н£ о Сй ^Те ближаИшая к пленке атомная плоскост! Нй-Сй почти полостью разупорядочепа.

б. Дня проведения исследований методом асимптотической орэгговской ш>м»1кции роз[йоо1ан автоматизированный комплекс для на основе трехкристального рентгеновского спектрометра, ПЭВМ 1ВМ РС/АТ и функциональных модулей КАНАК, как стандартных, так и 2

гк-киалмю |1УЗ|и1лотнных. комплекс ооеспечинает прецизионную гловуш развертку крисшиюв и накопление информации.

В<о опюоныи результаты получены впервые.

И[')1к|н'п ская ценность диссертации заювочнется в получении зьоИ информации о структуре реальной поверхности 5лун|ч)Г;(1мнн1<ов, которая играет большую роль в микроэлектронике, эоведвииьк) исследования позволили обнаружить изменение структуры поверхности кристаллов при анодировании. Эта информация мо*ет jTb полезна при разработке новых микроэлектронных устройств, мученные данные могут быть применены для решения проблем физики )ердого huiíi и материаловедческих задач.

Апробация работы. Основные результаты диссертации жладывалнсь на XII и XIII Европейских кристаллографических »нференниях (Москва, 1989; Триест, Италия 1991), V-м Всесоюзном »вещании по когерентному взаимодействие излучения с веществом :инфорополь, 1990), Международной конференции по твердотельным »иоорам и материалам (Иокогама, Япония, 1991), па 11-м »республиканском семинаре "Современные методы и аппаратура нтгеновских днфрактометрических исследований материалов в ооых условиях" (Киев, 1991), на семинарах и научных пференциях ИАЭ им. И.В.Курчатова.

Публикации. lio теме диссертации опубликованы б работ.

Структура и ооьем диссертации. Диссертация состоит из едения, пяти глав, заключения и списка литературы из 6<J именований. Обьем диссертации составляет 102 страницы, включая i рисунка и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАЕ.0Ш.

Во введении обоснована актуальность .емы. указаны цель и ьдмет исследования, его новизна и практическая значимое i ь; ормулированы основные положения выносимые на защиту; кратко пожено содержание каждой главы.

В первой главе изложены физические основы метода нмптотической брэгговской дифракции (АБД), описана его злизация с помощью трехкристальной рентгеновской [цйктометрии; дан широкий обзор теоретических м ;периментальных работ, поевншепных исследовании структур юрхности кристаллов методом А1Д.

Метод асимптотической брэгговской дифракции, предложенный 1963 группой советских ученых под руководством проф. Афанасьева

з

А.Н., заключается в измерении угловой зависимости интенсивност рентгеновского пучка, дифршшиошю отраженного от кристалла, достаточно широком угловом диапазоне в окрестности угла Брэгга Этот метод дает возможность изучения неразрушаюишм образо структуры переходной области между рентгеноаморфной пленкой кристаллической матрицей. Важной физической особенность!

процесса дифракционного рассеяния в этих условиях является то факт, что, волны, рассеянные от внутренних слоев совершенной кристалла, последовательно гасят друг друга. Поэтому, несмотря н< большую проникающую способность рентгеновских лучей дифракционное рассеяние при больших отклонениях от угла Брэгп формируется в приповерхностном слое (или слое на границ раздела), толдина которого становится тем меньше, чем дальше mi отходим от брэгговского угла. Следовательно, структурньк нарушения поверхностного слоя должны отразиться на законе спадания когерентной составляющей рассеяния. Это обстоятельств« открывает уникальные возможности для рентгеновской дифрактометри» в исследовании структурного совершенства тончайших приповерхностных слоев кристаллов вплоть до отдельных атомных плоскостей.

Особо следует отметить, что измерения ведутсн но t сверхвысоком вакууме, в в обычных условиях. Более того, возможно изучение слоев кристалла, покрытых толстыми (вплоть до несколько микрон) пленками другого материала.

Чтобы анализировать приповерхностные слои кристалла толщиной порядка нескольких ангстрем, необходимо измерять интенсивность дифрагированного пучка рентгеновских лучей при углах поворота ооразца несколько градусов. Однако при этом коэффициент дифракционного отражения уменьшается до значений порядка 1(Г'-1(Гв и выделение дифрагированного пучка из фона некогерентно рассеянного излучения представляет собой сложную экспериментальную задачу, которая решается при помощи трехкристалыюй рентгеновской дифрактометрии (ТРД).

Принципиальная возможность раздельного измерения когерентной и некогерентной ' компонент рассеяния связана с различием их угловых распределении. Область отражения когерентной составляющей равна нескольким угловым секундам, в то время как некогерентная имеет изотропное распределение. ТРД, благодаря высокому угловому разрешению кристалла-анализатора, позволяет проводить угловой анолиз отраженного от образца излучения, и, соответственно*, 4

измерять интенсивность когерентного рассеяния от кристалла.

Во второй главе проведен внализ основных закономерностей оифракиии рентгеновских лучей при больших отклонениях от 5рэгговских условий. Описана модель структуры реальной товерхности, в рамках которой обрабатывались экспериментальные тайные,

. В методе АБД рассматривается дифракция рентгеновских лучей 1ри углах а отклонения от угла Брэгга, удовлетворяющих условию: >о«а«вб, где а = е-0^, ео- угловая ширина брэгговского юфлскса, об - угол Брэгга, е - угол падения излучения. При этом шя описания дифракции можно использовать простое кииематическое |риближение, т.к. интенсивность отраженной волны много меньше нтенсивности палашей. Для описания рассеивающих характеристик лоя на глубине z от поверхности кристалла используется модель, азработанная Нефедовым A.A.:

eM<"^u,=(i-ez/L ). (1)

песь L имеет смысл толдины переходного слоя между ристаллической матрицей и полностью разупорядоченной областью, g<f{z) » ф e'z/L, причем «>«о> > 2nä/L, где а - смещение эверхности кристалла, вызванное изменением межплоскостного эсстояния d в переходном слое.

Для этой модели угловая зависимость приведенной (тенсивности ( пол которой понимается отношение измеренной иемсивности отраженного рентгеновского пучка к интенсивности, юсчитэнной для идеального кристалла) дается формулой: (2-тг ♦ Q2

I =---- , (Q = 4nIacose /А) (2)

(4+Q )•(1+Q ) 6

а модель вполне удовлетворительно описывает экспериментальные

зультаты и отражает основные характеристики искаженного

иповерхностного слоя.

В третьей главе описана экспериментальная установка и тодика проведения измеренениИ, а также рассмотрена работа тонатизированного комплекса в автономном режиме.

На рис.1 изображена блок-схема экспериментальной установки.

основой является трехкристальный рентгеновский спектрометр PC) с совмещенными осями. Излучение рентгеновской трубки зшностыо до 2,5 кВт) падает на первый кристалл нонохроматор (М) :пределение рассеяного им излучения анализируется вращением

Рис.1 Блок схема экспериментальной установки. И рентгеновская трубка, и - монохроматор, 0 - исследуемый

образец, А - кристс.. л-анализатор, Д - детектор, ЩД1, ИЩ2, ЩДЗ -шаговые двигатели, ЭВН - компьютер IBM PC/AT; блоки КАМАК: УСШ1 -спектрометрический усилитель, АЦП - амплитудно-цифровой преобразователь, BP - выходной регистр, БУ1 - блок управления шаговыми двигателяни с электронным дроблением шага, ЬУ2 - блок управления шаговым двигателем, КК-А9 - крейт-контроллер.

в

эд углом . efi. Отраженный от него пучок имеет малую угловую ^сходимость и падает на исследуемый кристалл (0). Угловое эетьего кристалла анализатора (А). А и 0 расположены на близком эсстоямии, оси их вращения совмещены.

Автоматизированная система управления экспериментальной лановкой состоит из двух каналов. Один из них гектрометрический тракт - реализует счет и амплитудный анализ «пульсов, измерение интенсивности рентгеновского пучка, а также жопление информации. Другой канал — угловой развертки ;ушествляет прецизионный поворот исследуемого кристалла, юлизатора и детектора. Работа обоих каналов обеспечивается (стеной функциональных модулей в стандарте КАМАК, управляемых !рсональным компьютером IBM PC/AT.

На погрешность угловой зависимости когерентной составляющей кхеяния, измеряемой в эксперименте, оказывает существенное шяние точность задания угла поворота кристаллов, а также ¡личина дискретности их углового перемещения. Уменьшение шага •лового перемещения анализатора приводит к увеличение плотности оспериментальных точек, получземь:х при регистрации спектров ТРД, следовательно, к увеличению гладкости экспериментальной »ивой, что повышает точность изг.ерсмиЯ.

Для осуществления прецизионного вращения кристаллов ¡пользовался специально разработанный блок управления шаговыми игателями с электронным дроблением шага. Указанный блок ¡еспечиБает задание угла поворота вала шагового двигателя ИШ-200) с точностью не хуже 3.25', и дискретностью его углового ремешения около 0.5', что с учетом редукции, позволяет ворачивать кристаллы с дискретностью углового перемещения около 002" и точностью не хуже 0.01» (здесь не учитывается линейность редуктора, которая, в свою очередь, не превшает 0155). Управление вращением осуществляется с помощью ЭВМ с пользованием выходного регистра (КАМАК). Вахшм достоинством зработанной схемы является простота и малая потребляемая щность. Разработанная система автоматизации позволяет оизводить регистрации спектров ТРД как в режиме цифрового мописца, так и в полностью автономном режиме.

Рассмотрим работу комплекса в автономном режиме. Цел»« сперимента является получение зависимости интенсивности герентной составляющей рассеяния от угла а отворота

1

исследуемого образца от угла Брэгга. Перед началом измерений вс три кристалла (ыонохроматор, образец и анализатор устанавливайте в "брэгговское положение". Задаются значения а( отклонений о угла Брэгга, при которых будут производиться измерени! интенсивности чисто дифракционного рассеяния. На этом работ« оператора заканчивается, и автоматизированный комплекс полностьк контролирует проведение эксперименте. Разработанное программе* обеспечение позволяет производить: расчет и установку угловьи положений образца, анализатора и детектора, анализ спектра в измерительном канале, расчет времени накопления сигнала, обработку спектров ТРД.

На рис.В представлены спектры ТРД, полученные с помощью автоматизированного комплекса. Кривые качания, полученные при разных а, демонстрируют работу комплекса.

200 400 600 600 1000 ß>, т сек.

200 400 600 ßi} «гл. сек.

( а>

< *)

о

Рис.2 Трехкристальные спектры, полученные при исследовании поверхности (111 )В Угол отворота образца:

(а) а = +240 угл. сек. (б)' а =+3600 угл. сек.

Четвертая глава посвящена результатам исследования реальной поверхности полярных граней (111 )А и (1111В кристаллов типа AjBj. Проведен сравнительный анализ характеристик реальной поверхности кристаллов различных полупроводниковых соединений типа АД. На его основе выявлена определяющая роль металлоида (элемента V-й группы) в процессе формирования реальной поверхности. Изучено влияние ориентации поверхности на характеристики переходного слоя между кристаллом и естественной оксидной пленкой. Обсуждены физические причины этого влияния. Изложены результаты • исследования границы раздела между полярными гранями кристаллов GaAs и InSb и анодными оксидными пленками на их поверхности.

При обсуждении особенностей структуры кристаллов полупроводников типа АД отмечается, что неэквивалентность атомов Ш-й и V-й групп приводит к различному строению граней (111 )А и (111 )В. В структуре цинковой обманки. в которую кристаллизуются полупроводниковые соединения типа АД, грани (111 )А и (111 )В являются полярными, и на их поверхность выходят атомы разных типов. Это обстоятельство и определяет различие многих свойств полярных граней кристаллов типа АД. Так, например поверхности (111 )А и (111 )В имеют разную стойкость к механическим воздействиям, на них по разному проходят процессы роста и травления. Структура атомно-чистой поверхности граней (111 )А и (111 )В также различна. Поэтому представляет интерес исследование реальной поверхности кристаллов типа АД на их полярных гранях.

Поверхности (111 )А и (111 )В кристаллов были обработаны одинаковым образом: полирующее химическое травление после химико-механической полировки (ХМП). При травлении с поверхности кристалла снимался слой, тошина которого заведомо больше глубины нарушений, вносимых ХИП. Следовательно, на поверхности кристаллов не оставалось механических повреждений, вызванных ХМП. Известно, что оксидный слой, наблюдающимся на химически полированных поверхностях, возникает преимущественно в результате воздействия воздуха, а не в процессе травления или промывки водой полупроводниковых материалов. Таким образом, структурные искажения на реальной поверхности полупроводника имеют естественный характер и характеризуют взаимодействие поверхностных атомов с кислородом.

Для количественного анализа характеристик переходного слоя

на поверхности кристаллов СаАв, 1пАб, использовалась модель

(1). При интерпретации полученных параметров не следует придавать им слишком высокую точное)ь, поскольку их значения могут несколько меняться при изменении модели. Тем не менее эти параметры можно использовать при сравнительном анализе характеристик переходных слоев различных кристаллов.

Результаты оораоотки экспериментальных данных представлены в таол.1.

Таол. I.

Параметры переходных слоев между кристаллами типа АзВ5 и естественной оксидной пленкой на их поверхности.

О О

МАТЕРИАЛ СТОРОНА 1. А 5. А

А 4.7 1 0.4 0.02 ± 0.02

ваАв

В 6.9 ± 0.5 -0.13 1 0.03

А 5.7 1 0.5 -0.22 ± 0.04

1пАБ

В 4.8 ± 0.4 -0.32 1 0.05

1пбЬ й 11.4 1 С.О -0.17 1 0.05

* Для 1пБЬ влияние полярности не превышает разброса данных, полученных для разных образцов.

Проведен сравнительный анализ строения' реальной поверхности арсенилов галлия и индия. Если в СаАэ толщина переходного слоя на стороне (111 )В оказывается больше, чем на сюроне (111 )А, то в 1пАб сигунция противоположная. Этот факт можно объяснить исходя из слелущих соображений. В^аимодеНстьие зеомоь, выходящих на поверхность полярных граней, с кислородом определяется двумя факторами. Первый - химическая активность атомов, характеризуемая величиной, электроотрицательности. Второй фактор - плотность свободных электронных связей на поверхности. Вследствие анизотропии химической связи между атомами А и В, при обрыве связи электронная пара остается у металлоида. Гкшому в СаА$, где

ю

юктрошше конфигурации атомов, составляющих кристалл, олизки и, ответственно, разность электроотрицательностей атомов А и В велика, за счет оольшей плотности свободных электронных связей, аимодействие поверхностных атомов с кислородом происходит тивпее на грани в, в результате переходной слой на ней взывается больше. В арсенале индия разность злектро-рицательностей атомов А и В больше, чем в арсениде галлия, этому за счет большей ;:имической активности In, взаимодействие верхносных атомов с кислородом активнее происходит на стороне

Толщина переходного слоя на поверхности энтимонида индия щественно больше, чем в арсенидах галлия и индия. Кроме того, блюдаегся большой разброс параметра L для разных образцов, торый достигает 30%. Различие нежду полярными гранями (111 )А и 11)В меныме этого разброса, что не позволяет сделать "топорного вывода о наблюдении этого различия.

Наблюдаемые различия в строении реальной поверхности Демидов и антимонидов объясняются различием свойств мышьяка и рьмы и, соответствен!!), решающей ролью металлоида в рмировании переходного слоя на поверхности кристалла. Так, эмы сурьмы, обладающие меньшей электроотрицателыюстью, чем змы мышья!«, активнее взаимодействуют с кислородом и, в связи с iM, переходный слой на поверхности соединения с сурьмой больше.

всех соединениях наблюдается несколько большее относительное mie гтороны (111 )В (на 1-2%). В случае внтимонида индия это !рние маскируется разбросом донных, но тенденция к сжатию »слеживается. Изменение межплоскостного расстояния в переходном ie может быть вызвано: во-первых, релаксацией " поверхности, ■вторых, встраиванием в решетку атомов i ислорода. Очевидно, что I замене атомз кристалла атомом кислорода происходит сжатие кталлической решетки. Большее сжатие переходного слоя на LDB-грани вероятно связано с наличием у поверхностных В-атомов паренных электронов, что и приводит к большему количеству роенных в решетку атомов кислорода.

Далее изложены результаты исследования границы раздела между ярными гранями кристаллов GaAs и InSb и анодной оксидной нкой на их поверхности. Экспериментальные результаты были аботапы в модели (1), параметры переходных слоев между сталлами и анодной оксидной пленкой приведены в табл.2.

п

Табл. 2.

Параметры переходных слоев между кристаллами GaAs и InSb анодной оксидной пленкой.

МАТЕРИАЛ СТОРОНА L, А О 6, А

А 7.7 t 0.6 -0.04 ± 0.03

GaAs

В 10.7 * 0.9 0.0 ± 0.03

InSb В 23.3 ± 2.0 -0.20 ± 0.05

При сравнении этих параметров с характеристиками естественных границ раздела (табл.1), можно отметить, что в GaAi тошинэ переходного слоя на поверхности хотя и увеличивается примерно в г раза, но не превышает 1пм.

Это позволяет ээклочить, что технология анодного окисления арсенида галлия достаточно хороша, чтобы получать тонкие переходные слои между кристаллом и оксидной пленкой. Толлина переходного слоя на поверхности InSb оказывается существенно большей, чем в GaAs. Это, по-видимому вызвано тем же обстоятельством, которое приводит и к различие структур переходных слоев в случае полирующего травления, а именно большей реакционной способностью металлоида в антимониде индия по сравнению с арсенидом галлия.

Пятая глава посвящена исследованию границы раздела между полярными гранями (111 )А и (111 )В кристаллов Н^, „s C(J 2is Те анодными (оксидными и сульфидными) пленками на их поверхности. Изучено влияние ориентации поверхности на строение границы раздела. Обсуждается влияние анизотропии ионной проводимости на процессы массопереноса г приповерхностной области. Сделан вывод об отсутствии или полной разупорядоченности ближайшей к пленке атомной плоскости Hg-Cd на стороне А после анодирования.

Работоспособность оптоэлектрониых приборов, создаваемых на основе твердых растворов каший-ртуть-теллур (КРТ), покрытых пленками, во многом определяете? качеством границы раздела кристалл-пленка. Так, на поверхности кристаллов Hg Cd Те могут

локализоваться генерационно-рекомвинационные центры, наличие которых накладывает ограничения на характеристики таких устройств. Поэтому для стабилизации химических и электрических свойств полупроводника и для уменьшения поверхностных токов утечки необходима пассивация поверхности. Использование собственных пленок более предпочтительно, т.к. при этом минимизируются возмущения кристаллической решетки в приповерхностной области. Защитную пленку диэлектрика на поверхности можно создать термически или электрохимически. Предпочтение отдается электрохимическим методам, таким как анодное окисление и сульфидирование. Это связано с тем, что при термическом окислении из-за большой летучести ртути нарушается стехиометрия поверхности.

На рис.3 представлены угловые зависимости приведенной интенсивности. полученные для отражения (111) от полярных граней кристаллов КРТ после химического травления/ Обработка экспериментальных результатов в модели (1) дала следущие параметры переходного

• »

:лоя: для стороны A: L = 17 ± 2 А, а =-0.04 0.02 А; для стороны в . • 8: L = 10 * 1 А, s =»-0.36 t 0.03 А Большое различие в толшшах

тереходных слоев связано с тем, что атомы ртути и кадмия,

)ыходшпие на (111 )А грань, имеют существенно меньшую

»лектроотрицательность по сравнению с атомами теллура. В

>езультате этого сторона А активнее окисляется, и переходный слой

и ней имеет большую толщину. Аналогичная картина наблюдалась в

|рсениде индия (гл.4).

В табл.3 сведены значения толщин анодных оксидных пленок и араметров переходных слоев между пленками и кристаллами КРТ. нтересно, что для стороны A (Hg-Cd сторона), независимо от олщины анодного окисла и переходного слоя, величина смешения оверхности кристалла в оказывается большой и одинаковой в ределах точности эксперимента. Рассмотри« структуру кристаяла рис.4). Поверхность кристалла определяется положением верхней ^Фракционной плоскости, которая в идеальном кристалле проходит ;жду атомами двойного слоя (рис.4а). Ее смешение макет оыть азвано, во-первых, изменением расстояния d между плоскостями 111) в переходном слое (релаксация поверхности), и. во-вторых, юныиениен степени заполнения ближайшей к плешш атомной госкости двойного слоя. Характерное значение для а в первом

0.0 -1-'->-1-1-1_ I ■ I

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 Угол поворота, град.

Рис.3. Угловая зависимость приведенной интенсивности для

(111 )А и (111 )В сторон кристалла 77рЛа лослг

химического травления. Пунктиром показано теоретическая кривая, рассчитанная в модепи (1).

Тасл.З

Параметры переходных слоев между анодной оксидно« пленкой и кристаллом Н£ 77ьС^5Те.

СТОРОНА толщина анодного о окисла, А . 1>, А • а, А

250 7.6 I 0.7 -0.46 1 0.03

Н£-С<1 450 10 1 1 -0.46 ± 0.03

Те 250 12 1 1 -0.14 ± 0.02

Те 450 16 ± 1.4 -0.10 ± 0.02

и

лучае составляет величину 0.1-0.2 А. В нашем случае величина & аметно больше. Это, по всей видимости, свидетельствует о том, то смешение поверхности вызвано в основном тем, что на стороне А томная плоскость Hg-Cd или полностью раэупорлдочена или тсутствует. В этом случае поверхность кристалла будет проходить ереэ атомы Те (рис.46) и смешение поверхности относительно ее оложения в идеальном кристалле составит d/8-0.47 А. что близко к ксперименталыю полученному значению в для стороны А. В пользу тсутствия атомной плоскости Hg-Cd свидетельствуют данные об белнении ртутью переходной области, полученные разными методами.

Для стороны В величина 6 близка к характерным значениям для елаксации поверхности. Переходной слой на стороне В сжат, что вязано с уменьшением межатомного растояния из-за большого оличества викансий атомов ртути, а также, возможно, с бразованием окисных конфигураций при встраивании " в ристаллическую решетку атомов кислорода. Обращает на себя нимание тот факт, что если после химического травления более эвершенмои была граница раздела на стороне В, то после анодного кисления наблюдается противоположная ситуация. Это можно понять, эссмотрев влияние кристаллического электрического поля на вижение ионов в приповерхностной области кристалла. Поскольку вязь в соединениях Hg^ ^Cd.Te иошю-ковалентная, электронная эра, связывающая ионы, смещена к атомам теллура. В результате потиость валентных электронов на ионах Те выше, чем на ионах Hg Cd. Эффективный заряд иона составляет 2/3 от заряда электрона, хпрешетки элементов 2-й и G-й групп оказываются противоположно »ряженными.

Влияние кристаллического поля на дрейф ионов кислорода во юшнем электрическом поле Е, направленном вдоль оси <111>, осмотрим с помощью упрошенной одномерной модели, учитывающей >лько усредненное по плоскостям (111) распределение зарядов, ¡ведем ось z, параллельную оси <111>, так, что положительное шчение Е соответствует поло, направленному вдоль оси <111>.) В ой модели равновесное положение z>i отрицательно заряженных шов кислорода совпадает с положением za плоскости А двойного юя (111), состоящей из положительно заряженных атомов 2-ой >уппы, потенциал »>л которой выше. Вершина потенциального барьера расположена на плоскости В с потенциалом Обратим

Рис.4. Схема расположения верхней дифракционной плоскости в кристалле Н^ П5С$ Те. (а) - в идеальном кристалле, (б) - в кристалле с отсутствующей верхней атомной плоскостью. Светлыни кружками обозначены атомы 2-й группы, темными - атомы теллура, пунктирная линия показывает положение дифракционных плоскостей, <1 - расстояние между ними.

внимание на то, что вектор расстояния 5^=5(1/4 межлу тоследовательно проходимыми точками и при

пвижении в направлении <111> в три раза больше по модуле, чем зектор 5 =>-(1/4 между такими точками при движении в противоположном направлении.

Введем вероятности И и V» прохождения ионами потенциального

5арьера в направлениях <111> и <111 >, соответственно. В отсутствии внешнего электрического поля * и ПК одинаковы и завнм:

К = * = »о = "0ехр(-ч}Л¥>/кТ), "де q - заряд иона, л»> = рв- , К - постоянная Больимана, Т -температура.

В присутствии внешнего электрического поля изменение «зности потенциалов можно определить по формулам: л> = - Е5+ = -ЗМ/4, А = - Е5_ = БИ/4. Тогда вероятности и Щ уже но равны и определяются по формулам:

* = "оехр(-я(л»>+лЛ/кТ) = 1»0ехр(:^Е<1/4кТ), = ^ехр(-ч<л*>+л.)/кТ) = *0ехр( я&1/4КТ),

При анодировании применяются поля пориика 10 -10 В/см, юэтому ехр( qEd /Ю)»1, и при рассмотрении движения ионов можно считывать только один из членов или N , а возвратным движением южно пренебречь.

При анодировании стороны В поле направлено вдоль оси <Ш>, юэтому ионный ток будет пропорционален : ^ = ^ ехр^Е<1/4к!П.

В спою очередь, при анодировании стороны А: = 4ехр(-яБй/4кТ).

Дли точного вычисления ионного тока необходим учет юнкретного распределения поля по структуре пленка-полупроводник, ■рехмерпой структуры кристалла и перераспределения плотности арядов при движении иона кислорода. Тем не менее, можно не омневаться, что при одинаковом по величине внешнем электрическом оле Зв существенно превшает ^. Большая скорость анодного кисления стороны А приводит, соответственно, к большей толщине ереходного слоя на этой стороне.

Результаты исследования границ раздела между кристаллом КРТ

и сульфидными пленками надставлены в табл.4.

Табл.4.

Параметры переходных слоев между кристаллом т С^ Те и анодной сульфидной пленкой.

СТОРОНА толщина сульфидной пленки, А.

L, А

й. А

Hg Cd Hg Cd Hg-^d Те Те

220 450 570 350 570

12 t 1 12 t 1 13.5* 1

32 t 3 24 ± 2

-0.48 t 0.03

- 0.46 t 0.03

- 0.56 t 0.05 0.10 * 0.02

-0.36 t 0.03

Пони отметить, что . воздействие анодного сульфидировання на несходную область кристалл-пленка во mi югом 1 аналогично анодному окислению. Так на стороне А смещение поверхности а от ее положения в идеальном кристалле близко к ¿'в, чго также свидетельствует оо ок;утствии или полной разулорядоченпости . ближайшеИ к плешсе атомной плоскости Hg Cd. Как и после анодного окисления I ранииа раздела на стороне А оказывается более совериюыюй, что также можно ооьнсшпь анизотропией ионной проводимое]и.

В заключении сформулированы основные результат диссертационной работы.

1. Проведен шиши cTpyiny{iu границы раздела между кристаллами типа АД и естественной ыссидноЯ пленкой 1И их поверхности. Определены napaueipu переходных слоев между криааллом и пленкой. Подложено объяснение различия структур реальной поверхности на полярных гранях (111 )А и (111 )li кристаллов 1ипа АД. llotuwano, что это различие обусловлено как разной плотностью свободных связей, так и химической активностью атомов на поверхности.

2. На основании анализа параметров, характеризующих реальную поверхность кристаллов типа АД, сделан вывод oö определяющей роли элемента V-И группы в формировании переходной области между <ристаллом и естественной оксидной пленкой.

3. Нсследоввна Гранина рг.здели между полярными гранями (111 )А и (111)В кристаллов арсенида галлия и антимонида индия и людной оксидной пленкой. Определены параметры переходных слоен «¡жду кристаллом и пленкой.

4. Исследована граница раздела между кристаллом ^ 775C<J гд Те и естественной оксидной пленкой. Определены мрпметры переходных слоев. Анализ результатов показывает, что толщина переходного слоя между кристаллом и пленкой на грани (111 )А примерно в полтора роза больше, чем на грани (111)В. 'азличие структуры реальной поверхности полярных граней кристалла % ? ? s г.,., объяснено разной химической активностью юверхностных атомов.

5. Исслелогмнч граница раздела между кристаллом /7'^ Те и анодными (оксидными и сульфидными) пленками.

»бнаружена зависимость голшины переходного слоя от толщины шейной шишки. Показано, что толщина переходного слоя на стороне [111 )А iieiii.nifi. чем fia c[<i|<iiw (111)В. Предложена модель, юъненшшш :л о отличие ifâ ог.ноьв представлений оо анизотропии юнной нрог.пцимости, являющейся следствием анизотропии внутренних 'лектрических полей.

6. Обнаружено, что после анодирования стогны il 11 ) А рис та л л; I Н^ 776C<J 22S Те ближайшая к пленке атомная плоскость [g Cd гючI и полностью разупорядочена.

7. ' Разработан автоматизированный комплекс для проведения сследоьаиий метолом АБД на осново трехкристмльного енггеновского спектрометра, ПЭВМ IBM PC/AT и функциональных одулей КАНАК, как стандартных так и специально разработанных. омплекс включает в себя блок угловой рз.ч.орткм и пектронетрическиИ тракт. Спектрометрический тракт обеспечивает мплитуппый анализ и счет импульсов, измерение интенсивноеги, истину накопления информации. Для осуществления прецизионного глового вращения кристаллов разработан специальный блок правления шаговыми двигателями с электронным дроблением шага.

ЛИ1ЕШУРА

1. Афинаоьеи A.M., Александров П. А., Имамов P.M. Рентгенодмдокци-онннн диагностика субмикроншх слоев.- М. ¡Наука, 1989, 152 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУМЦИХ РАБОТАХ:

1. Calkin I.K., Sozoritov Е.А., Zakharov B.C., Chaplanov V.A., Nefedov A.A., Yaklmov S.S. Investigation оf GaAs Surface by Asymptotic Bragg Diffraction. - XII European Crystallographic Meeting, Collected abstracs, vol.3, Moscow, 1989, p.44.

2. Галкин U.M., Чапланов В.А. Блок управления шаговыми двигателями с электронным дроолением шага для рентгеновского диФ(>актометра. - Препринт ИАЭ - Ы31/14, 1990, 8р.

3. Chaplanov V.A., Galkln I.M., Nefedov A.A., Yaklmov S.S., Sozontov E.A., Zakharov B.C. X Ray diffraction Investigation of the III V type compounds crystals surface. - Preprint IAE -5208/9, 1991, 36p,

4. Chaplanox V.A., Galkln I.M., Nefedov A.A., Yaklmov S.S. Investigation of AjBj crystal polar faces structure. - Jpn. J. Appl. Phys. (letters), 1991, v.30, N 4a, p. L636-L638.

6. Chaplanov V.A., Galkln I.M., Nefedov A.A., Shipov I.A.,Yaklmov S.S. Investigation of Anodic Film - Hg,.kCd,Te Interface. - Extended Abstracs of 1991 Int.Conf. on Solid State Devices and Materials, Yokohama, 1991, p.305.

6. Chaplanov V.A., Calkin I.M., Nefedov A.A., Shipov I.A..Yaklmov S.S. Investigation of the structure of interface between the crystal of Hg Cd,Te and anodic dielectric film. -Thirteenth European Crystallogr. Meet., Book of Abstracts, Ljubljana Trieste, 1991, p.30.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

стр.

ВВЕДЕН!IE ................................................. 4

ГЛАВА 1. Исследование структуры реальной поверхности метолом асимптотической сргговской дифракции

(осзор литературы) ................................. 3

§1.1. Физические основы асимптотической брэгговс-коя дифракции и реализация метода с помощью трехкристальной рентгеновской лнфрэктометрии... 9 §1.2. Развитие метода АБЛ и его применение для

исследования поверхности кристаллов............ 14

ГЛАВА 2. Теоретические основы анализа структуры поверхности

кристаллов рентгеноЕИфрэкшгагашм метолом ..... 36

ГЛАВА 3. Методика проведения эксперимента ................... 41

ГЛАБА 4. Рентгенолифракиионное исследование резльпой поверхности полярных граней (111 )Аи (111)Вкристаллов

полупроводниковых соединений типа А,Б,............. 52

§4.1. Особенности структуры кристаллов ткпз А.В ... 52 §4.2. Исследование реальней поверхности полярных граней кристаллов GaAs, InAs, InSb, покрытых естественной оксидной пленкой.................... 57

§4.3. Контроль гранили раздела между кристаллами GaAs

и InSb и анодными оксидными пленками ........ 68

ГЛАВА 5. Рентгенолифракиионное исследование границы раздела между полярными гранями fill>А и (111)В кристалла Kg_yCa Те и анодными диэлектрическими пленками .... 74

§5.1. Анодирование кристаллов Cd Те........... 74

§5.2. Исследование реальной поверхности полярных граней кристалла Н^ ,75C<J 775 Те, покрытого •

естественной оксидной пленкой ................ 30

§5.3. Исследование границы рззделэ между полярными гранями кристаллэ Н^ 775С$ Т75 Тг и

анодными диэлектрическими пленками............ 82

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................. Э2

ЛИТЕРАТУРА ..................................................95