Исследование субмикронных многослойных гетероструктур с помощью фотоэмиссионной спектрометрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГ6 од

российская академия наук

и

ШЖО-ТЕХШЧЕСКЙЙ ИНСТИТУТ Ш. А.Ф.ШЖЕ

На правах рукописи Сайфидинов ДнеОир Курахднович

ИССЛЕДОВАНИЕ СУБШРОНШХ МНОГОСЛОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР С ПОМОЩЬЮ ФОТОЗМИССИОШОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ

01.04.10 -физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

1993

Работа выполнена в Физико-техническом инстутуте им.А.Ф.ВДфе PAFf,

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Конников С.Г.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научны* сотрудник

Селькин А.В.

доктор фкзико- математических наук, профессор

Чистяков В.М.

Ведущая организация: Санкт - Петербургский государственный

Защита состоится "W4 " u-W-C-uf 1993г. в № часов нэ заседании специализированного совета * К003.23.02 в йи ико-техничэсхом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Полит шическая у.г,?6.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФТИ им. А.Ф.Исйе РАН.

Отзывы на автореферат в экземплярах, заверенное печатью, просьба высалать по гшюуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан "/У " MCtJ? 1993г.

Ученый секретарь специализированного совета..

кгшдалат йзикс-математическю. наук Бахслдик С.И.

технический университет

ОБШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

На сегодняшний день базовым способом получения полупроводникоЕнх прибороЕ на основе А3В5 в промышленной 1ехнологии массового производства является шдкофазная эштаксия ■ (Ш). При создашь различных типов пр/боров мккро- и оптозлектроники, особенно основанных на структурах о кваятоворазмэршми слоями (таэдшы активных слоев в десятки нанометров и меже), необходимо не только исследовать фундаментальные гроцесгы 3 яхдкофазноЯ гетьроэпитапсии и оптимизировать условия роста шюгоолойных кристаллов, но и сопоставлять аналитические д.геометрические параметры структур с различным?. электрофизически;.® характеристиками приборов, изготавливаемых • на их основе. Это, л частности, дает возмещает ' делать вывода о механизмах протекания тока в многослойных субмшронкых структурах.' Дта решения этих научно и практически вгккнх задач на .первый плая выдвигается развитие методов определения состаза тонких слоев, их тслшин и размеров переходных областей. Т.е. необходим контроль профиля распрэ деления состава по глубине с высоким пространственном разрешением - вплоть до единиц манометров.

Здесь особую актуальность меег разработка и прпманепле керазрущавдкх методов. С одной стороны, п.кой попед позволяет сохранять исходную структуру для издания ча а о основе прибора и после д/щзго исследования его характеристик, с другой, - позволяет кзоекчть различных артефактов, связанных с принципом профиияровашя по глубине, используемом в разрушающих методах (послойное распыление образца), что позволяет пол/чать более надемшз результаты и проводить более точные исследования.

Цель работы.

Цэльн работы являлась дальнейшая разработка методики анализа профиля распределен состава по глубин^ в многослойных гетероструктурях, а также изучение с ее помощью процессов образования квантопо - размерных слоез при здкофазной зткэксии субдакронных тэтероструктур и ксследовани.1 влияния толщин . и состава слоев на характеристики приборов, получао;«ых на их основе.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих зздач:

1. Разработка методических приемов анализа профилей распределения состава по глубине в многослойных ИваАв- и мзаАвР- гетероструятурах.

2. Исследование процессов образования тонких нанометровкх слоев и переходных областей , в низко-температурной жидкофазкой элитаксии (НГ ШФЭ) А1йз1б -гетероструктур как основы полупроводниковых-приборов.

3. , Исследования ' влияния толщин и состава слоев на электрофизические характеристики структур и приборов на основе твердых растворов АЮаАв и ТпйаАзР.

■ Научная новизна.

Впервые экспериментально установлено, что максимум интенсивности электронной эмиссии наблюдается в направлении нормали к поверхности исследуемого образца при всех углах облучения от 1° до 20° как до края рентгеновского поглощения( так и после края; при этом, при условии узкого телзсного угла сбора оптимальной является регистрация эмиссии по нормали к поверхности образца.

Обнаружено, что при изучении многослойных структур на основе твердых растворов замещения 1пС&АзР и аю&аэ наилучш» метрологические характеристики метода определения

профя-пя состава го глубине; основанного на электронной эмиосш на крях поглощения рентгеновского излучения, достигаются при использовании отношения величины скачка исследуемого элемента к величие скгчча другого элемента из состава того ке самого исследуемого образца.

Экспериментально получена диаграмма состояния системы А1-0а-Ав (кривые солидуса щл гэмгературе зпитексии ниже бОО^), что позволяет контролируемо осуществлять низкотемпературную нидкофазву» этатаксию уль^атонких слоев (толщиной до единиц ш) с заданным составом.

Показано, что ограничение ^фоточувствительности гетерофотоприемников на основе АЮаАе- гетероструктур только кэротковолновым участком спектра (X < 0.5 мш) достигается уменьшением толщины узкозонной поглощавдзй области до 6С-70 нм и увеличением содержаний МАз в этой сблзсти до ,"32-36 мол Л; повышение чувствительности в коротковолновой области спектра (А^ = 0.4 мкк) обеспечивается при толщине пшрекозонного окна в 2С -: 40 ш.

Впервые экспериментально установлено, что ■ концентрация двумерного электронного газа в м^Аа-м? - структурах инвертированного типа падает . с уменьшением толщины приповерхностного слоя ТпОялб; при этом существует раздельная толщина слоя Т, при которой двумерная гфоводтиость исчезает и которая зависит от толщены спейсера 1пР (t) и концентрации донороЕ N. в отом слое (так, Т-«0нм

1Я о ' О-

при t=I0нм И = 10см- ).

Экспериментально подтверждена новая теоретическая модель, списывающая падение концентрации дверного электрс~яого газа, основанная на перезарядке /¿кализог-аяш состояний на поверхности полупроводника по мере ез приближения к гетерогранице; сопоставление расчете с

экспершонтом позволило определить энергию пиннинга уровня Ферми 0.3 + 0.05 эВ на поверхности 1п0 ^С,&0 ^Аб.

Практическая значимость работы.

Полученные в настоящей работе данные по низкотемпературному участку диаграммы состояний А1-С-а-Ав были исполгзовань при разработке технологии выращиЕания практически важных двойных гетерострукутр (ДГС) А1СаАе- СаАз методами низкотемпературной Ж. примененных,в частности,для получения эффективных гетеропреобразователей в коротковолновой области (фиолетовой) солнечного спектра. Определены1 предельные толщины активных слоев соликтивно-легированных гетероструктур (СЛГС) Ш/ШаАз, в которых наблюдается двумерный электронный, газ (2МЭГ)~ переспектиЕная основа для быстродействующих полевых транзисторов (ПТ), а также результаты работы использованы в технологии получения инкекционных гетеролазеров раздельного ограничения (РО) с рекордными характеристиками.

Защищаемые положения.

• I. При исследовании многослойных АЮаАв- И 1пСаАвР-гетэроструктур наилучшие метрологические характеристики метода анализа состава по глубине, основанного на электронной эмиссии на краях рентгеновского поглощения, достигаются при регистрации эмиссии по нормали к поверхности образца и при использовании отношения величины скачка ксследуемого элемента к величине скачка другого элг :ента из состава того же самого исследуемого образца.

2. Экспериментально полученная диаграмма состояния систем АЬаа-Аэ (кривые солидуса при температуре зпитаксии ю&э 6004) позволяет контролируемо осуществлять

низкотемпературную .адкофазную митаксию ульг:ратонккх слоев (толщиной до единиц нм) с зададим составом.

3. Пик чувствительности фотогриемников на основе AlGaAs- гетероструктур в коротковолтвой' области спектра 7-тах=0.4мкм) обеспечивается при толцыю широкозокпого окна в 20*40нм, а ограничение фоточунотвительностк только коротковолновым участком спектра (X $ О.Бгам) достигается уменьшением толщины узкозонюй поглбишощой области до 60-70нм и увеличением содержания Alia в э"ой области до 32-36молД.

4. Концентрация двумерного электронного газа в inGaAs-inP структурах инвертированного типа падает с уменьшением толщины приповерхностного слоя inGaAs; при этом существует предельная толщина приповерхностного слоя Т, при которой двумерная проводимость исчезает и которая зависит от толщины сгойсорэ inP (t) и концентрации доноров N^ р этом слое (так, Т=20Ш При t-IÜHTA и Na= I018af3>.

6. Значение энергии шшшга уровня Ферми на поверхности ln0 определенное по

экспериментальной зависимости концентрации двумерного электронного газа от толщины вэрхнэго слоя Тг^ ^t-s., равно 0.3 .+О.ОбэВ.

Апробация работы.

Результаты работы .докладывались и обсухугались на V-Воесоизпой. конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктдех (Калуга, 1990), v\II -координационном совещании по исслед. и применению тв. растворов кремний-германий (Ташкент, 1^91), научно-теоретической конференции молодых учеюлс Наманганского Государсгзенного Уяивврсите\а (Наманган, 1992), хш хлом-

Международном конгрессе по рентгеновской оптике (Англия, Манчестер, 1992).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ, список которых приеден в конце автореферата.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из трех самостоятельных частей (каждая часть имеет свое, введение и заключение), общего введения и заключения (страниц, машинописного, текста 98, рисунков Ч/ , таблиц 4 , библиография включает ро наименований).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, показаны новизна и практическая ценность работы, сформулированы цель и задачи работы, представлены защищаемые положения и даны сведения о структуре диссертации.

Часть Г.-МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПРОШЯ СОСТАВА ПО ГЛУБИНЕ В . СУБММКРОНШХ СТРУКТУРАХ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В этой части на основе литературных данных приведен обзор наиболее широко используемых на сегодня методов анализа профиля состава. Описываются физические основы методов, аппаратура и метрологические характеристики. Проводится сравнительный анализ метрологических характеристик методов и на этой основе обосновывается выбор методики исследования.

Рассматриваются: I - Оке-электронная спектроскопия (05С); 2 - вторично- ионная масс- спектрометрия (ВИМС); 3 -

электронная спетроскопия для шлического анализа (ЭСХА); 4 -резерфордовское обратное■рассеяние быстрых ионов (POP); 5 -рентгеновская дифрактометрия (РД); 6 - метод определения профиля по глубине, оснований на регистрации вторичной электронной эмиссии на краях поглощения рентгеновского излучения (ФС КРП). Приводится спектр оке-электронон для соединения 1пАв, масс-спектр вторичных конов для inP, общий вид фотоэлектронного спектра ЭСХА с различными видами ВОЗМОЖНЫХ, переходов, спектр обратно рассеянны- ионов для Gals (001), кривая дифракционного отражения, полученная на гетерсструктуре AlGaAs. Кратко рассматриваются принципы профилирования состава по методу, основанному на ФС КРП.

методы параметрГ^. ФС КРП ЭСХА ВШС POP оэс РД

Элементный состав ДЯ Да Да ^ Да нет

концентрация компонентов да колич. Да п.колич да качест Да колич. ДБ п.кол. Да дляШ

чувствительность (ат./сгР) 19 10 19 10 13 10 20 10 1? 10 20 10

црофилирование состава по глубине нер^з-руш. разруш. разруш нэраз-руш. разруш нераз-руш.

разрешение по глубине (им) 1-3 0,5-2 5-7 5-10 1-3 до 3-Ь з отд. случаях

среднее разрешение по поверхности 1мм2 о Тмм 0,1*1 мм до IOmkm*- 0.1-I мм 1мм?

Проводится -равнкгельичй анализ мвтролоига?ских характеристик, методов ОЭС, БИМС, ЭСХА, PCP, РД и ФС КРП, которые сведены в приведенную яышв таблицу.

В заключение обосновываемся выбор методики ФС КРП для исследования процессов формирования тонких квантовораьмернкх слоев, получаемы?. ЖФЭ, к да изучения влияния толщин-и состава слоев на электрофизические парметры гетероструктур на основе AlGaAs к inC-aAsP.

Часть II. НШ-АЗРЛШЩШ МЕТОД ПРОФЮШРОВАНШ СОСТАВА ПО ГЛУБИНЕ В ШОГОИЮЙШХ СУБШРОННЬН СТРУКТУРАХ

Во введении обосновывается необходимость и общая постановка задачи доработки метода для анализа лрофшщ состава в конкретных многослойных AlGaAs- и inGaAsP-гэгеросгруктурах, исследуемых в настоящей работе.

Глава I. МЕТОД ПРОФИЛИРОВАНИЯ СОСТАВА ПО ГЛУБИНЕ, ОСНОВАНШЙ НА ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ НА КРАЯХ ПОГЛОЩЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ШУЧЕНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

В главе, по литературным данным приводятся основные закономерности электронной эмиссии на краях поглощения рентгеновского излучения. Ка этой основе рассматривается метод профилирования состава по глубине, методика эксперимента и экспериментальное оборудование. В конце главы формулируются задачи дальнейшей разработки апарат-уры и методики эксперимента для анализа многослойных AlGaAs- и inGaAsF- гетероструктур.

Проводится анализ зависимости квантового выхода электронной эмиссии ае от энергии фотонов hv при фиксированном угле облучения образца ф, отсчитываемом 'от его поверглоста. Рассмотрение проводится на примере системы

АЮаАв. Монотонный ход зависимости а^ЦПУ) прибивается ни К краях поглощения рентгеновского излучения атомами Он 10,367 кэВ) и Ав (Е^3= 11,867 кэВ). При этом наблюдается резкое возрастание величины ге при превышении Ьу значений Е - явление скачка; в основе явления скачка деда аналогичный скачкообразный рост коэффициента рентгеновского поглощения. Обсуждаются различные способы определения величин скачков; показано, что для количественного анализа предпочтительно использовать величины 2- отношение вмплит/д скачков А , измеренных на Са и Ав: ЕСа~А8= А0а/дАв. Рассматривается случай структур с тонкими слоями (толщины слоев менее глубины выхода эмиссии) А1 Оа^^в различной толщины Т и различной концентрации х. Показано, что зависимости величин ^а-Ав от уГла 0оЛуЧщя образца ф, полученные на структурах с тонкими слоями, 'отличаются от аналогичных кривых, полученных на толстых (толщиной более глубины выхода эмиссии) образцах. Отличие начинается с определенного угла ф, называемого критическим углом облучения ф^. Далее рассматриваются многослойные структуры на основе ш&кз~о,&ка включая периодические структуры (АЮаАв-ОаАв) -саАв. Наблюдается корреляция между ходом зависимостей 6=г(ф) и реальным профилем состава, измеренным альтернативными методиками. Анализируются эмперически полученные соотношения, количественно связывающие ход экспериментальной кривой £Са~Ав=:Г(ф) с исследуемым профилем распределении составь по глубине.

Рассматривается методика восстановления профиля состава, основанная на эмпирическом алгоритме, а также методика эксперимента и экспериментальное оборудование.

В заключение делается Выеод о необходимости оптимизации геометрических условий регистрации эмиссии в эксперименте, в

чаитнооти, иэучениг углового распределения эмиссии, что раньше но проводилось. Кроме того, ставится задача изменения методики эксперимента с целью проверки возможности улучшения характеристик метода при изучении многослойных АЮаАв-и мзаАвР- гетероструктур.

Глава 2. АДАПТАЦИЯ МЕТОДА. ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ СОСТАВА В МНОГОСЛОЙНЫХ А1СаАи- и ШСаАвР- ШЕРОСШКТУРАХ

В главе описывается модификация экспериментальной установки, приводятся результаты изучения пространственного распределения электронной эмиссии, и определяются оптимальные условия регистрации эмиссии. Экспериментально определяются преимущества и недостатки использования внешнего стандарта для анализа АЮаАвт и шзаАвР-гетероструктур. В заключение приводится разработанная на этой основе модифицированная методика эксперимента и формулируются выводы по этой части работы.

Исследования электронной эмиссии для разработки методических приемов изучения многослойных АМаАв- и 1пСаАвР- гетероструктур, а также их экспериментальная реализация потребовали проведения модификации оборудования. Во - первых, была разработана и реализована новая гониометрическая система регистрации электронной эмиссии, позволяющая сканировать по углу отбора эмиссии в пределах ± 60° от нормали к поверхности образца с точностью + 0.25° а также контролируемо изменять телесный угол регистрации эмиссии путем изменения расстояния между входным окном канального электронного умножителя (КЭУ) и поверхностью образца. Во - вторых, была сконструирована и введена в строй принципиально новая четырехпозиционная кассета образцов 'револьверного типа. Один образец и три стандарта- эталлона

(либо четыре образца и т.д.) помещаются каждый в свш индивидуальную головку - держатель. Головки - держатен-л крепятся в гнездах, расположенных на вращаемом с помощью сервопривода диске. Сканирование по • углу облучения осуществляется поворотом всего устройства как целого. Такая система позволяет попеременно вводить в рентгеновский пучок образец и стандарты - эталлоны; при этом физические и геометрические условия эксперимента остаются одинаковы для любого кристалла.

Изучение углового распределения электронной эмиссии проводилось на трех сериях образцов: а) чистый GaAs различной ориентации (001), (011) и (III); б) толстые слои твердого раствора AI Ga^^s различной концентрации AI и в) тонкие слои AI Оа^^е различной толщины Т на подложке GaAs. В эксперименте регистрировался квантовый выход эмиссии зе, фиксировался угол облучения образца ф и энергия падающих фотонов hv. Проводилось сканирование по углу регистрации эмиссии а, отсчитываемом от нормали к поверхности образца. Шаг сканирования составлял от 1° до 4° при телесном угле сбора в 2°. Далее изменялось значение hv (до и после краев поглощения Ga и As) и угол облучения образца ф во всем диапазоне углов, используемых в методе профилирования состава по глубине, езультаты, полученные в каждой серии сравнивались между собой; также проводилось сравнение образцов разных серий. В результате установлено, что во ьсех рассматриваемых случаях угловое распределение эмиссии имеет максимум в направлении нормали к поверхности образца (при учете изменения с углом а проекции эмиттирующэго участка согласии косинусоидальному закону). Пространственное положение максимума в пределах погрешности измерений (Азе/ае -0.03) не зависит от кристаллографической ориентации образца,

угла облучения обрзца рентгеновским пучком, энергии М> и наличии либо отсутствии тонкого слоя. Т.о., экспериментально установлено, что выразкенкой максимум интенсивности е лектр^чной эшсгт наблюдается в направлении нормали к поверхности исследуемого образца при всех используемых в методе углах облучения как до края рентгеновского поглощения^ так и после края: при этом, яри условии узкого телесного угла сбора оптимальным условием эксперимента является регистрация эмиссии по нормали к поверхности образца.

Исследование оптимального способа определения величин скачков с целью достижения наилучших метрологических характеристик метода при анализе многослойных структур проводилось на серии модельных образцов 1п0аАвР и Я.баАв с известным распределением состава по глубине. ■ Ранее в методе использовались величины отношения скачков, измеренных на одном и том же образце (например, для А1СаАв - структур Хаа-Ав= дСа/дАв^ УглоЕНе зависимости величин 2Са-Ав,

полученные на исследуемой структуре 4 сравнивались с аналогичными, полученными ранее на стандартах - эталонах. Используя разработанный револьверный держатель, в пучок, попеременно вводились исследуемая структура и внешний стандарт. Определялись величины 2Са~Са= ДСа/Д^а и т.д. для всех компонент образца. Полученные таким образом угловые зависимости сравнивались с зависимостями, определяемыми согласно стандартной методике. Проводился анализ статистической надежности и повторяемости результатов. Установлено, что основным преимуществом предложенной метлики является возможность независимого контроля распределения кявдой компоненты образца в отдельности, что взнно в обьектах с отклонениями от стехиометрии. Экспериментально п-'-назаво, что, несмотря на это, при изучении

многослойных структур на основе твердых растворов замещения МаАвР и АЮаАв наилучше метрологические характеристики метода определения профиля состава по глубине достигаются при использовании отношения величины скачка исследуемого элемента к величине скачка другого элемента из состава того же самого исследуемого образца.

Описывавтся разработанная на этой основе методика эксперимента при профилировании состава по глубине в многослойных субмикронных структурах.

Часть III. ИССЛЕДОВАНИЕ СУБМЖРОННЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР С ПОМОЩЬЮ ФОТОЭШШЮНЮЙ СПЕКТРОМЕТРИИ.

Во введении сформулированы конкретные задачи изучения технологии низкотемпературной НФЭ (НТ Ш>Э) для контролируемого получения гонких слоев заданного состава,а также исследования связи профиля состава в АЮаАв- и ГпСаАвР- гетероструктурах с их электрофизическими характеристиками.

Глава I. ПОЛУЧЕНИЕ СУБМЙНРОНШХ ШОГОСЛОЙНЫХ АМаАз- И МЗаАвР- ГЕТЕРОСТРКУТУР РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ ВДКОФАЗНОЙ "ЭПИТАКСИК (литературный обзор).

На базе литературных данных описываются основы НТ Ш®Э и модифицированного метода НФЭ (МЗКФЭ), а также технология получения кзантозо- размерных активных слоев и особенности кристаллизации исаАв- и ХпСаАвР- гетероструктур. рассматривается методика получения селнктивно- легированных (СЛГ) 1пОаАз- 1пР структур инвертированного типе.

Рассматриваются основные особенности получения ИСаАз-гэтзроструктур с наномэтровыми слоями методом НТ ЕФЗ. Важным обстоятельством при НТ 1ФЭ является значительно меньшая (на

100°-200°С) температура роста, слоев из жидкой фазы и, следовательно, меньшее термовоздействйэ на структуры по сравнению с молекулярно-пучкозой зпитаксией (МПЭ) и газофазной эпитаксией с помощью металлоорганических соединений (МОГФЭ). Представлена экспериментально полученная зависимость толщин слоев (Т) от времени кристаллизации (т) для ОаАв, кристаллизирущегося при Т=560'с и для твердого раствора А12Са1 ^з с х=0.7 при Т=400°С, 450°С р 500°0. Показано, что скорости роста да. Т=500° - 400°о того ке порядка (10~1-1нм-с~1), что и в методах МПЭ и МОГФЭ. С другой стороны,отмечается, что экспериментальное определение диаграммы состояния жидкое - твердое затруднено, т.к. требуется количественное измерение состава тонких нанометровых слоев.

Рассматриваете.! выращивание квантово- размерных МЗаАаР- гетероструктур ШЕЭ. В ШШ за счет быстрого протаскивания кассеты с раствором-расплавом по подложке снижается время контакта жидкой фазы с подложкой, что обеспечивает превышение скорости роста над скоростью растворения. Это позволяет контролируемо получать структуры с квантоворазмерныш' слоями. Наблюдаемые ширины переходных слоев в получаемых гетероструктурах на основе ТР 1пааАвР достигают- величин < 201. Описывается методика получения селективно-легированных гетероструктур (слгс) 1пСаА5-1пР методом МГО. В данном случае развитие технологии направлено на уменьшение рассеяния 2 мэг на ионах слоя 1пР. Для этого, как правило, используется спейсер - тонкий слой чистого широкозоняого материала, разделяющего основные слои.

Глзва 2. ИССЩОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ КР СЛОЕВ 2ЩЦКОФАВНОЙ ЭПИТАКСИЕЙ И ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОФИЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ПО ГЛУБИНЕ НА- ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИбОРОВ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ AlGaAs- И InGaAsP- ГЕТЕРОСТРУКТУР.

Во второй главе описывается экспериментальное получение диаграммы состояния системы А1-Са-Ав при Т 600е о, приводятся результаты исследования влияния толщин и состава слоев AlGaAs- гетерострукт.ур, полученных НТ : ЗЭ, на приборные характеристики гетерофотоприемников, работающих в коротковолновой (фиолетовой) части спектра, а также рассматриваются результаты изучения влияния толщины верхнего узкозонного слоя на концентрацию двумерных электронов в инвертированных гетероструктурах InQ ^Ga0 ^As- inP.

Для экспериментального получения диаграммы состояния системы Ai-Ga-As при температуре эпитаксии ниже 600°С исследовалась зависимость концентрации aias в твердых растворах Al_Ga, JLs от содержания А1Аз в исходном расплаве.

2 I А

Образцы выращивались в следующих условиях: насыщение жидкой фазы производилось при 600°о, начиналось охлаждение системы, .после чего расплав приводился в контакт с подложкой при температурах 600, 550, 500, 450, 400°С и рост слоя осуществлялся в температурном интервале 0.5-1.5°с. Толщины слоев, полученных в этих условиях при Т ^ 450°С, составляли 20*30нм. Исследовались 4 группы образцов, соответствующие 4 ветвям диаграммы: содержание aias в исходном расплаве = 0.025 ат.%(первая группа), 0.04 ат.% (вторая группа), 0.079 ат.% (третья группа) и 0.168 атЛ (четвертая группа). Из зависимостей концентрации AlAs от температуры кристаллизации, составов жидкой и твердой фаз видно, что имеет место тенденция к увеличению концентрации AlAe при

снижении температуры как при высоких, так и при низких исходных концентрациях А1Ав. Полученная диаграмма состояния системы А1Ч}а-Ае (кривые солидусз при температуре эпитаксии ниже 600°С) позволяет контролируемо . осуществлять низкотемпературную жидкофазную эшгтаксию ультратонких слоев (толщиной до единиц нм) с заданным составом.

Изучение влияния толщины и состава слоев АЮаАв на приборные характеристики гетерофотоприемшков, работающих в коротковолной (фиолетовой) части'. спектра проводилось на основе серии из 6 гетероструктур, полученных НГ ЖФЭ. Описываются режимы эпитаксиального выращивания образцов. В эксперименте определялся профиль распределения состава по глубине. Исследовалась зависимость коэффициента собирания носителей 0 от измеренной толщины слоя Т.ТР А^ба^^в различного состава. Из зависимости коэффициента' собирания при изменении толщины слоя ТР с х=0.7 от 100 до Знм видно, что с уменьшением толщины широкозонного окна происходит увеличение фоточувствительности в фиолетовой области спектра. На этой основе установлено, что высокая чувствительность гетерофотоприемников на основе АЮаАв-гетероструктур в коротковолновой области спектра (А.ша2 = 0.4 мкм) обеспечивается толщиной широкозонного окна в 20 + 40 нм. Экспериментально определялись спектральные характеристики приборов, полученных на основе исследованных структур. Анализ измеренных спектральных характеристик показал, ' что ограничение фоточувствительности только коротковолновым участком спектра (^0.5) достигается путем уменьшения толщины узкозонной поглащающей области до Т-6'.]-70нм п увеличения содержания АШ в этой области до 32-"6 мол.?.

Для исследования елкяния толищны верхнего узкозонного

слоя h'j концентрацию двумерных электронов методом МЖФЗ были получены инвертированные селективно - легированные гетероструктуры (СЛГС) lr.-1} 5^GaQ 47As- Tri? с различными толщинами приповерхностное 'слоев TP in0 53Gaö ^as. Рассматриваются режимы пол^ения образцов. В эксперименте, прежде в.-нго измерялись толщин*' слоев ТР. Далее, пользуясь тем преимуществом, что метод проецирования состава ж, глубине является неразр}' 'лающим, на тех же самых исследова&ш. структурах методом фотолитографии с последующим химическим травлением формировались образцы для изучения 2МЭГ в виде двойного холловского креста. Проводились измерения концентрации 2МЭГ и анализировались полученные зависимости от толщин слоев lnQ 53GaQ ^.-s. Установлено, что концентрация двумерного электронного газа в InGaAe-InP структурах инвертированного типа падает с уменьшением толщины приповерхностного слоя inGaABj при этом существует предельная толщина слоя Т, при которой двумерная проводимость исчезает и которая зависит от толщины спейоера inP (t) и концентрации доноров в этом ~лое (так, т=20нм при t=I0HM и Hd = IG18 см-3). Экспериментальные кривые сравнивались с расчетом, полученным на основе учета перезарядки локализованных состояний на поверхности полупроводника по мере ее приближения к гетерогранице. Проведенное сопоставление показывает совпадение теоретических и расчетных значений в пределах экспериментальной погрешности. Таким образом, экспериментально подтверждена теоретическая модель падения концентрации двумерного электронного газа в структурах inGaAs-lnP инвертированного типа с уменьшением толщины слоя inGaAs, что., в свою очередьJ позволило определить энергия пкннинга уровня Ферми в 0.3 ± 0.05 эВ на поверхности InGaAs.

Выбоды:

I) Показано, что метод определения профиля состава, основанный на фотоэмиссионной спектрометрии краев рентгеновского поглощения является оптимальным из имеющихся для нерззрушающего исследования образования квантово-размерных слоев и переходных областей в AlGaAs- и InGaAsP-гетероструктурах, а также для изучения влияния указанных параметров гетероструктур на юс приборные характеристики.

2) Экспериментально установлено, что выраженный максимум интенсивности электронной -эмиссии наблюдается в направлении нормали к поверхности исследуемого образца при всех используемых в методе углах облучения как до края рентгеновского поглощения, так и после края; при этом, при условии узкого телесного угла сбора оптимальным условием эксперимента является регистрация эмиссии по нормали к поверхности образца.

3) Обнаружено, что при изучении многослойных структур на основе твердых растворов замещения inGaAsP и AiGaAs наилучшие мэтрологические характеристики метода определения профиля состава по глубине достигаются при использовании отношения величины скачка исследуемого элемента к величине скачка другого элементе из состава того же самого исследуемого образца.

4) Экспериментально полученная диаграмма состояния системы Ai-Ga-As (кривые солидуса при температуре эпитаксии ниже 600'С) позволяет контролируемо осуществлять низкотемпературную жидкофазную элитаксию ультратонких слоев (толщиной до единиц км) с заданным составом.

5) Показано, что ограничение фоточувствительности гетзрофотогфдемников на основе ШаАз- гетероструктур только коротковсхювыу участком спектра (,\ 5; 0.5 мкм) достигается

уменыиеиием толщины узкозонной поглощающей области до 60-70 км и увеличением содержания AlAs в этой области до 32-36 мол.Ж.

6) Обнаружено, что высокая чувствительность гетерофотоприемников на основе AiGaAe- гетероструктур в • коротковолновой области спектра (Ятах = 0.4 мкм) обеспечивается толщиной широкозонного окна в 20 4 40 нм.

7) Установлено, что концентрация двумерного электронного газа в inGaAs-inP структурах, инвертированного типа задает с уменьшением толщины приповерхностного слоя InGaAs; при этом существует предельная толщина слоя Т, при которой двумерная проводимость исчезает и которая зависит от толщины спейсера inP (t) и концентрации доноров Nd в этом слое (так, т=2инм При t=I0HM И Nd = I018 см-3).

8) Экспериментально подтверждена теоретическая модель падения концентрации двумерного электронного газа в структурах inGaAs-in? инвертированного типа с уменьшением толщины слоя InGaAs, основанная на перезарядке локализованных состояний на поверхности полупроводника по мере ее приближения к гетерогранице; сопоставление расчета с экспериментом позволило определить энергию пиннинга уровня Ферми (0.3 ± 0.05) эВ на поверхности 1п0 ^Са0 4?As.

Публикации

1. Берт H.A., Воробьева В.В., Воронцова U.E., Крещук А.М.,Новиков O.E., Погребицкий К.Ю., Сайфидинов Д.1., Сошников И.П. Влияние толщины верхнего узкозонного слоя на концентрацию двумерных электронов в инвертированных гетероструктурах inP/InGaAs. -ФГП, т.24, в.4, 1990, с.653-6597

2. Андреев В.М., Габричидзе Г.Р., Погребицкий К.Ю.,

Сайфвдинов Д.Ж., Сулима О.В. Селективный "фиолетовый" гетерофотоприемник с ультратонккми ' AlGaAs- слоями. -Тез.докл. Y -Всесоюзная конференда по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктуэдх, Калуга, 1990, с.38.

3. Кошш;ов С.Г., Погребицый К.Ю., Сайфидиков Д.Ж., Юрьев Ю.Н. Новый керазрушающий количественный рентгенофотоэлектронный метод Ефофилирования состава по глубине в субмикронных готероструктура?. на , основе тв.растворов кремний-германий.- -Тез.докл. VIII --Координационного совещания по исслед. и применению тв.растЕоров кремний-гермачий, Ташгант, 1991, с.44.

4. Погребицккй К.Ю., Сайфидинов Д.Ж. Фотоэлектронная спектрометрия краев рентгеновского поглощения - новый неразрушающий метод определения химического состава и профиля распределения по глубине в приповерхностных слоях полупроводниковых структур. -Тез.докл. Научно- теоретической конференция молодых ученных Наманганского Государственного Университета, Наманган.. ÍS92, с. 107.

5. Конников С.Г. ,-Лодаженский И.К., Иогребицкнй К.Ю., Сайфэдшов Д.К., ШЬев Ю.Н. Методические аспектн применения вторичной электронной эмиссии на краях поглощения рентгэпо!-ского излучения для диагностики профшзай распределения основных компонентов по глубине в ВТСП материалах и тонки пленках на основе YBaCaO. -№, 1993

6. Конников С.Г.Додыженский И.И., Погребицкий К.Ю., Оайуидинор Д.К., ?)рьев Ю.Н. Динамика деградации химического состава приповерхностной области пленок YBaOuO год воздействием к2о. -Отчет по программе "ПОРОГ", 1992, 4стр.

7. Бэк-алеШшов J¡.f Конников С.Г., Погребицккй К.Ю., Сйфидиюз Д.Ж., Тропп Э.А., Юрьев £'.Н. Определение функции еыходэ /№ электронов средних энергий на о сноеэ

яспользовзния кинетического уравнения. -2ТФ, 1993, т.63, $ 10-12, 13 с.

8. S.O. Kormikov, I.I. bodyzhensky, K.Ju. Pogreoitsky, D.Zh. Saifidinov, Yu.II. Yuriev The Universal X-ray Investigation Instrument fcj? Nondestructive Comprehensive Characterisation of Solids - Materials of XIII ICX0M-International Congress on X-ray OptioE and Microanalysis, (Great Britain, Manohester, 1992).

9. Берт H.A., Майкова E.С., Молчанов В.А., Погребицкий К.Ю., Сайфвдиков Д.К., Ситиикова А.А., Сошникое ¡Т.П., Срьев Ю.Н. Модификация арсенида галлия вблизи поверхности при высокофлюенсной бомбардировке Аг+- ионами. -М., Поверхность, 1993

РТП ПИЯФ,зах.332,тир.100,уч.-изд.л.1,0; 29/1У-1993г. Бесплатно