Выращивание эпитаксиальных слоев GaAs на S1 из раствора-расплава тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИРЖО-ТЕХБИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

' ' Л

ДЕРЯГМН Николай Германович

ВЫРАЩИВАНИЕ ЭПКТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ СаАз НА 31 ИЗ РАСТВОРА-РАСПЛАВА

специальность\ 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ -ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии каук.

Научный руководитель: ' кандидат физико-математических наук

А.В.Абрамов.

Официальные оппоненты: Лауреат Государственной премии СССР,

доктор технических наук Горелёнок А.Т.

кандидат физико-математических наук Тибилов В.К..

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный

технический университет, Санкт-Петербург.

Защита состоится " 5 " ЦЮИ%_1' 1995 г. в

ка заседании диссертационного совета К 003.23.01 Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе РАН, !94021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан " 3 " ¿^^1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

/ 5 часов

Г.С.КУЛИКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. За последние года значительно возрос интерес к использованию кремниевых подложек для эпитакси-^льного выращивания некоторых полупроводниковых соединений типа А3В5. Основные усилия исследователей в этой области сосредоточены на проблеме получения на кремнии СаАэ, являющегося одним из важнейших материалов полупроводниковой опто- и микроэлектроники. Замена ЦаАз подложек на 31 позволяет за счбт большей механической прочности уменьшить общую толщину гетероструктуры. В совокупности с более высокой теплопроводностью это позволяет улучшить тепло-отвод от активной области приборной структуры. Большой практический интерес представляет также возможность интеграции сптоэле-ктронных и электронных приборов на основе ваАз с кремниевыми СБИС, а также получение высокоэффективных дешйвых солнечных элементов.

Получение эпитаксиальных слоёв СаАз на. Б1 является чрезвычайно сложной задачей. Это связано не только с различием кристал-лохимических свойств, но и со значительной разницей (~4 %) в параметрах решёток СаАэ и Б1. При выращивании эпитаксиальных слобв в таких системах возникает необходимость использовать условия кристаллизации, сильно отличающиеся от равновесных. Подобные условия создаются в методах молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЗ) и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОС-ГФЭ), которые широко применяются для выращивания СаАэ на Б1.

Однако, несмотря на то, что в данных методах легко реализуются эффективные технологические режимы роста, обеспечивающие снижение плотности дислокаций "в слоях СаАэ, плотность дислокаций в выращенных слоях достаточно высока (106-И08 см-2). Одним из путей снижения плотности дислокаций является применение гибридной технологии выращивания СаА8/Б1, в которой эпитаксиалышй рост осуществляется последовательно методами МПЭ (МОС-ГФЭ) и КФЭ. В полученных слоях плотность дислокаций соответствует рекордным результатам, полученным методом МОС-ГФЭ при использовании сложных режимов роста. Это позволяет надеяться на то, что прямое осаждение СаАз на из раствора расплава при более простой технологии может обеспечить получение слобв, по своему качеству не уступающих выращиваемым методами МПЗ и МОС-ГФЭ.

Однако непосредственное осаждение СаАз на из раствора-расплава представляет собой значительно более сложную задачу из-' за высокой плотности обменных потоков на межфазной границе и Слизких к равновесным условий кристаллизации. К началу выполнения данной работы публикации, посвящбнные выращиванию СаАв непосредственно на исключительно методом 5лФЭ, практически отсутствовали и результатов, сравнимых с результатами, достигнутыми методами МПЭ и МОС-ГФЭ, получить не удалось.

В связи с этим необходимо дальнейшее развитие и совершенствование метода ЖФЭ с целью его использования для получения СаАз/Б!.

Цель рр^оты. Целью работы являлось:

Разработка способов эпитаксиального выращивания из раствора-расплава, позволяющих получать сплошные пленарные слои СаАз на Б1.

- Определение значений основных термодинамических параметров системы, обеспечивающих получение эпитаксиальных слобв, при отсутствии равновесия между твбрдой фазой (31) и раствором-расплавом, содержащим Са и Аз.

- Изучение особенностей протекания процесса кристаллизации при выращивании <5аАз на Б1 и исследование параметров полученных слобв.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. При теоретическом рассмотрении возможностей выращивания эпитаксиального слоя СаАз на 31 показано, что в жидкой фазе необходимо создавать начальное переохлаждение, превышающее критическое, величина которого определяется не только энергией упругих напряжений в псевдоморфном слое СаАз, но и отношением скорости роста СаАз к скорости растворенья Б1.

2. Теоретически и экспериментально установлено, что в процессе кратковременного контакта (-0,1 с) твбрдой фазы с раствором-расплавом, перегретым относительно неб на величину 100-500 °С, на межфазной границе устанавливается температура

к к

т =га.(1--) +--т,

с 8 1+к 1+к 1

(где к=(\1Ав).'а3/а1)1/2> а1=\1/с1-р1, а8=Л,д/Сд • р8, Тс - темпе-

рл^уря контакта, Т, - начальная температура раствора-расплава, Т„

f

- начальная температура ТЕёрдой фазы, aj и ад - коэффициенты температуропроводности, с^ и cs - удельные теплоемкости, ^ и -коэффициенты теплопроводности, р^ и - плотности жидкой и твёрдой фаз, соответственно), а прилегающий к межфазной границе тонкий слой раствора-расплава охлаждается со скоростью ~102-;1cP °С/с. При этом в растворе-расплаве устанавливается положительный температурный градиент, препятствующий возникновению концентрационного переохлавдекия.

3. Экспериментально установлено, что при охлаждении. раствора-расплава со скоростями ~1сР °С/с в нйм возникает переохлаждение, превышающее в несколько раз критическое, а массоперенос в жидкой фазе может определяться как принудительным перемешиванием в процессе перемещения раствора-расплава по поверхности подложки, так и естественной конвекцией, возникающей за счёт горизонтальных температурных градиентов.

4. При использовании скоростей охлаждения раствора-расплава ~Ю2-И03 °с/с выращены слои метастабильных твёрдых растворов (Ge2)x(GaAs)1_x, не образующиеся в равновесных условиях.

5. В процессе исследования параметров слобв GaAs, выращенных на кремниевых подложках, установлено, что их кристаллическое совершенство повышается не только с увеличением толщины слоя, но и с понижением температуры начала кристаллизации.

6. Обнаружена температурная зависимость ориентации поверхности слоя GaAs, выращенного на подложке Si(111). При температуре > 660 °С кристаллизуются слои GaAs(111)B, а при температуре < 550 °С -слои GaA3(111)А.

7. Люминесцентные свойства зарощенных в условиях обычной ЖФЭ слобв GaAs/Sl не отличаются от люминесцентных свойств слоЗв GaAs, выращенных на подложках GaAs.

Представляемые к защите научные положения.

1. При выращивании эгтатаксиалышх слоёв GaAs на S1 в растворе -расплаве необходимо создавать начальное переохлаждение, превитающее критическое, величина которого определяется не только энергией упругих напряжений в псевдоморфном слое GaAa, но и отношением скорости роста GaAs к скорости Lac:творения St.

2. В процессе кратковременного контакта (~0,1 с) твёрдой фпзи с раствором-расплавом, перегретым относительно неё чп ро.'чгпшу

100-500 °С, на межфазной границе устанавливается температура

к К

т =т .(1--) +--т

с 0 1+к 1+к Л

(где к=(Х1/Х.3)-(аа/а1.)1/2, а1=-Л1/с]_.р1, a3=\g/cs-ps, TQ - температура контакта, Tj_ - начальная температура раствора-расплава, Т8 - начальная температура твёрдой фззы, а^ и as - коэффициенты температуропроводности, о1 и cs - удельные теплоемкости, ^ и -коэффициенты теплопроводности, pj и ра - плотности жидкой и твёрдой фаз, соотретствэнно), а прилагающий к межфазной границе тонкий слой раствора-расплава охлаждается со скоростью ~102+103 °С/с.

3. При ох; дцении со скоростями ~102+103 °С/с в растворе-расплаве возникает переохлаждение, величина которого может превышать критическую в несколько раз.

4. При охлаждении раствора-расплава со скоростями ~102+Ю3 °С/с массоперенос в жидкой фазе может определяться как принудительным перемешиванием, так и естественной конвекцией, обусловленной возникающими в жидкой фазе горизонтальными температурными градиентами.

5. Ориентация поверхности слоя GaAs, выращенного на подложке Sl(111), зависит от температуры начала кристаллизации. При температура >650 °С из раствора-расплава Ga-As-Sn кристаллизуются эпи-таксиальные слои GaAs(111)B, а при температуре < 550 °С - слои СаАз(111 )А.

6. Плотность дислокаций в слоях GaAs, выращенных на подложках S1, уменьшается не только с увеличением толщины слоя, но и с понижением темпэратуры начала кристаллизации.

Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Разработан новый спссоб эпитаксиального Еыращивания, позволяющий осуществлять кристаллизацию в условиях сверхвысоких (~102+ 1(Р °С/с) скоростей охлаждения и закригических пересыщений раствора-расплава, который обеспечивает получение гетероструктур с сильным рассогласованием параметров решбток контактирующих материалов.

Разработаны .-различные конструкции кассет для выращивания, позволяющие без какой-либо передежи использующегося для ЖФЭ обору-ц'!г,9ния реализовать на практике сверхвысокие скорости охлаадения ¡•;—rn->j>n рясплавя.

3. Установлены основные технологические параметры, позволяющие управлять процессом кристаллизации в условиях сверхвысоких скоростей охлавдения раствора-расплава.

4. Разработана методика экспериментального определения температуры непосредственно на межфззной границе жидкое-твЗрдое в условиях сверхвысоких скоростей охлаждения растворз-рэсллгвэ.

5. Получены сплошные пленарные слои метзстабидьных тв8рдых растворов (Ge2)x(GaAs),_x и GaAs на подложках St. При выращивании в

широком температурном интервале охлаждения (500+800 °С) на под-

р

ложках Si выращены слои Gals площадью ~4 см и с плотностью дислокаций (1+2)-107 см"2.

6. Разработана методика заращивания полученных при сверхбыстром охлаждении слоЭв GaAs/Si в условиях обычной ЖФЭ.

7. На основе полученных гетероструктур GaAs/Si методом обычного эпитаксиального выращивания из жидкой фазы изготовлены светодиодные структуры, включающие эпитаксиальный слой GaAs, легированный S1.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работа докладывались на VII Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва, 1988), на I Всесоюзной конференции по физическим основам твёрдотельной электроники (Ленинград, 1388;, на I Европейской конференции по эпитаксиальному росту (Будапешт, 1990), на III Европейской конференции по росту кристаллов (Будапешт, 1991), на V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетеро-структурах (Калуга, 1990). Публикации. .

Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объ5м диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения к списка цитированной литературы. Общий оОъбм диссертации составляет 172 страницы, в том числе и6 страниц основного текста, 45 рисунков на 44 страницах и в тяедт. Список цитированной литературы включает в собя 95 наименоппния и занимает 12 страниц.

- 8 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работа, показаны научная новизна и практическая ценность, сформулированы выносимые на защиту научные положения и дана краткая аннотация раббты.

Первая глава. В главе обосновывается необходимость создания в жидкой фазе пересыщения, превышающего критическое, для выращивания GaAs на подложке S1. Рассматривается возможность создания закритического переохлаждения раствора-расплава при его кратковременном контакте с "холодной" подложкой.

В §.1.1 обосновывается выбор температуры в качестве параметра процесса кристаллизации, изменение которого приводит к создании пересыщения в жидкой фазе, и рассматривается возможность изменения условий кристаллизации в сторону более сильного отклонения от равновесных за счЭт применения начального переохлаждения жидкой Фазы ДТ выше критического или повышенных скоростей охлаждения R, Для того, чтобы стал возможен рост зпитаксиального слоя GaAs на S1, необходимо:

1) Превышение плотности потока JPaA6 молекул GaAs из раствора-расплава к границе кристаллизации над плотностью встречного подтока Jgi атомов S.1 от подложки:

JGaAs > Jsr (1 >

РаечЭт величины необходимого переохлаждения ДТ для галлиевого и

оловянного растворителей, в которых реализуются два крайних случ

чая для соотношения растворимостей GaAs и S1, произведенный в

приближении диффузии в полу бесконечный объём,' показывает, что для(

выполнения условия (1) в Ga требуется значение ДТ - 300+700 °С (ц

зависимости от температусы), а в олове - только от 0,5 до 4 °С.

2) Переохлаждение раствора-расплава на величину, превышающую необходимое для компенсации энергии упругих напряжений в псевдо-морфном слоэ GaAs значение AT'. Расчёты показывают, что как в случае галлиевого, так и оловянного растворителя значение' ДТ' лежит в пределах от 30 до 90 °С, в зависимости от температуры роста. Taictat образом, вне зависимости от используемого растворителя, для этатакеиального роста GaAs на SI подложке раствор^ ржчгляв необходимо переохлаждать на величину, превышающую крити-

-Куц.

Поскольку величина максимального переохлаждения раствора-расплава не является постоянной, а зависит от скорости охлаждения, выдвинуто предположение о возможности получения значительно превышающего критическое переохлаждения при использовании сверхвысокой скорости охлаждения раствора-расплава.

В §.1.2 рассматриваются способы создания в методе ЖФЭ закри-тического переохлаждения и сверхвысокой скорости охлаждения раствора-расплава. Предлагается создавать закритическое переохлаждение во время кратковременного контакта подложки, имеющей температуру Тд, с раствором-расплавом, имеющим температуру Т1> при Т^ >

Т„. В результате контакта на границе устанавливается температура

К

Т=ТЧ.(1--)+--Т, (2)

1+к 1+к

(где к=(\1А8)-(а3/а1)1/2, а1=Ч/с1'р1' аз=лв/са'рз» тс темп0_ ратура контакта, Т-^ - начальная температура раствора-расплава, Тд - начальная температура твёрдой фазы, а-^ и ад - коэффициенты температуропроводности, с^ и са - удельные теплоемкости, А^ и -коэффициенты теплопроводности, р1 и рд - плотности жидкой и твердой фаз, соответственно), а прилегающий к межфазной границе слой раствора-расплава подвергнется резкому охлаждению. Как показали расчёты, скорость охлавдения прилегающего к подложке слоя раствора-расплава может достигать 1500 °С/с.

Резкое охлаждение прилегающего к подложке слоя раствора-расплава предлагается создавать не только при непосредственном контакте, "холодной" подложки с перегретым относительно неб раст вором-расплавом, но также и при контакте подложки с находящимся на ней раствором-расплавом с холодным телом, обладающие высокой температуропроводпостыо.

Вторая глава. Глава посвящена описанию конкретных способов, с помощью которых в ЖФЭ можно реализовать сверхбыстрое охлаждение раствора-расплава. Рассматриваются различные конструкции контейнеров для выращивания. Излагается методика измерения Тс, предельного значения ДТ и средней скорости охлаждения при прямом контакте раствора-расплава с "холодной" подложкой. Приводится ошнта скорости охлазедения и распределения температуры в объеме раствора-расплава при охлаждении через подложку, а также рлосмчтрина-ется смачивание 51 подложки раствором-расплавом.

В §.2.1 показано, что из всех позможних способе» реализации

закриткческого переохлаждения и сверхвысоких скоростей охлаждения раствора-расплава наиболее перспективным является контакт "холодной" подложки с раствором-расплавом во время их взаимного перемещения. Необходимое различив в температурах подложки и раствора-расплава достигается за счёт их размещения в области температурного градиента, возникающего на краю печи. Рассматривается схема установки и конструкция контейнера для Еыращивания, реализующие данный способ. Контейнур имеет удлинённый корпус и разделённый на две части слайдер, что вызвано необходимостью предотвращения до момента контакта подложки и раствора-расплава их предварительного охлаждения или нагрева.

В §.2.2 описывается конструкция контейнера для выращивания, в которой сверхбыстрое охлаждение создаётся при перемещении подложки, смоченной раствором-расплавом, по поверхности обладающего высокой температуропроводностью тела, температура которого уменьшается в направлении движения. Корпус контейнера выполнен в виде двух параллельных графитовых пластин, закреплённых с зазором между ними. Сверхбыстрое охлаждение находящегося на подложке раствора-расплава достигается при быстром (-10 см/с) перемещении подложки по поверхности пластины из горячей в холодную зону печи.

Е §.2.3 излагаются особенности смачивания подложки раствором-расплавом. В случае охлаждения раствора-расплава при прямом контакте с "холодной"- подложкой использовалось предварительное смачивание подложки Б1 расплавом чистого олова. В методе, где сверхвысокие скорости создаются при охлаждении через подложку, для осуществления воспроизводимого смачивания эффективной мерой оказалось нанесение на поверхность подложки защитного слоя Ав.

В §.2.4 описывается методика экспериментального определения температуры Тс на можфазной границе при прямом контакте раствора-расплава с "холодной" подложкой. Методика основана на определении глубины растворения переднего края подложки после еб контакта с насыщенным на известную температуру раствором-расплавом. Глубина рчотрпрония находилась в результате исследования рельефа поверхности подложки под интерференционным микроскопом с точностью ±50 чм. Температура на мекфазной границе определялась экстраполяцией полученной зависимости на нулевую глубину растворения. Измерения пекэтяи. чг1 ¡;р' Т,-вси °о и 478,5 °С экспериментально уста-

нозленное значение температуры = 718,5 °С. Рассчитанное по формуле (2) значение составляет 720 °С. Максимальное отличие расчётных и экспериментальных значений Тс составляло не более 5 °С.

§.2.5 посвящбн определению скорости охлаждения и распределению температуры в объеме раствора-расплава при его охлаждении через подложку. Для этого решалось одномерное уравнение теплопроводности с соответствующими начальными и граничными условиями методом конечных разностей с использованием ЭВМ. Из-за конечной скорости процесса выравнивания температуры и нелинейного распределения температуры по длине кассеты скорость охлаждения и градиент температуры на границе кристаллизации достигают своего максимального значения не сразу, а спустя некоторое время после начала движения подложки, спадая затем до нуля. Для выяснения соответствия произведенных расчетов реальной ситуации скорость охлаждения определялась экспериментально, с помощью введённой в раствор-расплав термопары. Учитывая инерционное,- термопары, обнаружено хорошее соответствие расчетных и экспериментально измеренных значений скорости охлаждения раствора-расплава.

§.2.6 посвящЗн измерению предельных значений ЛТ ■ и средней скорости охлаждения жидкой фазы при контакте раствора-расплава с "холодной" подложкой. Реальные переохлаждения раствора-расплава отличаются от расчетных, определяемых соотношением Это

обусловлено тем, что температура на меяфазной границе устанавливается хотя к с большой, но все же конечной скоростью, а величина максимально возможного первохлавдекия раствора-расплава не является постоянной и зависит от скорости охлаждения. Величина максимального переохлаждения раствора-расплава определялась путем измерения толщины слоя ОаАа, выросшего вблизи передней кромки подложки, после ей контакта с раствором-расплавом, насыщенным на температуру, превышающую тс. Резкое уменьшение толщины слоя при увеличении концентрации Аз в жидкой фазе свидетельствует о том, что за время контакта в жидкой фазе возникает гомогенная кристаллизация, в результате чего пересыщение частично снимается. Максимальное переохлаждение Оа-Аэ раствора-расплава при Т0=718 °С достигает ~70 '°С. Экспериментально определенное значение средней скорости охлаждения раствора-расплава за время контакта 0,08 с составило 1030 °С/с.

Третья глава. В главе приводятся результаты выращивания эпи-таксиальных слсёв GaAs и метастабильных твердых растворов (Ge2)x(GaAs)1_x на кремниевых подложках при прямом контакте раствора-расплава с "холодной" подложкой. Рассматриваются оптимальные режимы выращивания, процессы массопереноса в жидкой фазе и исследуются характеристики выращенных слоев.

В §.3.1 рассматриваются режимы выращивания эпитаксиальных слоев GaAs на S1 подложках из растворов расплавов Ga-As-Sn с близкой к равновесной при Т-^ концентрацией GaAs. Значения Т^ и Тд составляли 800, 700, 600, 500 °С и 480, 400, 315, 260 °С, соответственно. Скорость перемещения подложки под ячейкой с раствором-расплавом составляла 13 см/с, высота раствора-расплава -0,2+0,3 см, а его протяжённость в направлении движения подложки -0,8 см. Температуры контакта Тс для указанных значений и Тд составляли 620 , 527 , 430 и 350 °С, соответственно. Выращивание производилось на подложках Si(111).

Выращенные из олова слои- GaAs на Si, вне зависимости от выбранного температурного интервала, имели явно выраженную ячеистую структуру и микронарушения сплошности. Добавление Ge в жидкую фазу устранило микронарушения сплошности. Максимальная скорость роста слоёв составляла 25 мкм/с.

§.3.2 посзящбн исследованию процессов массопереноса в условиях быстрого перемещения раствора-расплава по поверхности подложки. Исследование проводилось в системе Ga-As. Установленная зависимость толщины слоя от температуры насыщения . жидкой фазы показывает, что толщина слоя GaAs линейно зависит от пересыщения ДХд0. При этом измеренные значения толщины слоя в 6,9 раза превышают рассчитанные в диффузионном приближении. Этот факт говорит о наличии в растворе-расплаве более сильного по сравнению с чисто диффузионным механизма массопереноса. Для исследования влияния быстрого перемещения подложки под раствором-расплавом использовалась методика, основанная на измерении потери веса составной подложки после eS контакта с расплавом Ga. Исследования показали, что при Т-950 °С и V>3,5 см/с скорость изменения концентрации As в растворе-расплаве практически не зависит от времени, и цроцесс массопереноса достаточно хорошо описывается уравнением конвективной диффузии. Приводится оценка толщины диффузионного погранично-

го слоя, которая для Т1=800 °С, TS=480°C и V=13 см/с составила 2,3 мкм.

В §.3.3 рассматриваются особенности получения метастаОильных твердых растворов (Ge2)x(GaAs)1_x. Микроревтгеноспектралышй анализ слоев, выращенных из растворов-расплавов Ga-As-Sn-Ge, показал, что в них присутствует Ge. При дальнейших исследованиях доказано, что полученные слои представляют собой метастабильные твердые растворы (Ge2) (GaAs).,_x. Для различных температур Тс построены зависимости содержания Ge в твердой фазе Х®е и коэффициента сегрегации Хде/Хце от содержания Ge в жидкой фазе Обнаружено, что при содержании Ge в жидкой фазе < 2 ат. % концентрация Ge в твердой фазе составляет менее 0,5 %, а при содержании Ge в растворе-расплаве > 20 % коэффициент сегрегации Ge близок к единице. Быстрый рост значений Хде/Хде при увеличении концентрации Ge в твердой фазе характерен для твердых растворов, у которых параметр взаимодействия а3>>0.

§.3.4 посвящбн исследованию характеристик слоев . GaAs и (Ge2) (GaAs)., . Кристаллическое совершенство оценивалось по полуширине кривой рентгенодифракционного отражения (КДО). Было обнаружено что для слоев GaAs при уменьшении Тс от 530 до 430 °С наблюдается резкое уменьшение полуширины КДО (с 800 до.400 угл. с), а в диапазоне Тс от 430 до 350 °С уменьшения практически нет. Оценённая по полуширине КДО плотность дислокаций в слоях уменьшалась с 1-Ю9 см-2 при Тс=530 °С до -2,5-108 при Тс=350 °С. Положение максимума на спектрах фотолюминесценции слоев с содержанием Ge < 0,5 % (77 К) соответствовало hiM ,3 эВ, полуширина Ahv~10() мэВ, а интенсивность была приблизительно в 500 раз меньше интенсивности излучения обычных гомоэпитаксиальннх слоёв GaAS.

В §.3.5 рассматриваются особенности выращивания GaAs/Sl из олова и галлия. Ка примере Ga показано, какое существенное влияние на рост слоя оказывает скорость растворения подложи. ЧЕТВЁРТАЯ ГЛАВА. В главе приводятся особенности выращивания, исследуются параметры, структура, морфология поверхности и ростовно дефекты слоЭв, выращенных при охлаждении через подложку. Обнаружено, что измеренные толщины выросших слоев GaAs намного превосходят рассчитанные в диффузионном приближении значения.

В §.4.1 приводится дифференциальное уравнение мзссотреносп

с учЗтом явления термодиффузии,. рассматриваются граничные и начальные условия, вид уравнения массопереноса в рззностной форме для метода конечных разностей, а также расчёт толщины слоя.

§.4.2 посвящбн влиянию термодаффузии на процесс массоперено-са. РасчЗты показывают, что наблюдаемая в эксперименте толщина слобв GaAs в зависимости от температурного режима обеспечивается только при значениях коэффициента термодиффузии As в 100*1000 раз превышающего приводимые в литературе типичные значения для кид-костей. Поэтому явление термодиффузия не может служить объяснением повышенной толщины выращизаемах слоЭв.

В §.4.3 рассматривается влияние естественной конвекции на процесс массопереноса. Показано, что .в рассматриваемом способе создания охлаждения раствора-расплава при выращивании только на одной нижней подложке естественная конвекция возникает благодаря наличию горизонтальных температурны/. градиентов, которые возникают из-за того, что при движении подложки её передний край в каждый момент времени контактирует с Солее холодной частью пластина корпуса, чем задний. Проведенные расчеты показывают, что толщина диффузионного пограничного слоя, при котором обеспечивется совпадение расчетных и экспериментально измеренных толщин слобв, составляет 0о=3+12 мкм, в зависимости от температуры начала роста.

§.4.4 посвящбн обоснованию использования ненасыщенных при температуре выдержки растворов-расплавов. Причина необходимости использования ненасыщенных при температуре выдержки растворов-расплавов заключается•в том, что необходимое для кристаллизации GaAs/Sl закритическое пересыщение можно создать только лшь в результате очень быстрого охлавдения. Поскольку скорость охлазде-ния увеличивается постепенно, то при использовании изначально' насыщенных растворов-расплавов время, за которое раствор-расплав охладится }ia необходимое AT, оказывается достаточным для того, чтобы гомогенная кристаллизация повлияла на рост слоя.

В §.4.5 исследуются параметры слобв СаАэ, выращенных на S1 в широком температурном интервале охлаждения. При внращиванни на Si(lOO) сплошных слоев получить не .удалось. Полуширина КДЭ для GaAs/Sl(100) составляла 175+225 угл. с, а плотность дислокаций ~ (4*е,5)<107 см~г. Минимальные значения полуширины КДО для GaAs/ Si(111) составляли 200+210 угл. с. Добавление фосфора в ;чидкую

фазу' привело к улучшению морфологии поверхности слоя и снижению полуширины КДО до 10S+150 угл. с (плотность дислокаций ~2-107 см-2). Толщины слоёв составляли от 0,1 до 10 мкм. Положение максимума интенсивности на спектре фотолюминесценции (77 К) Составляло ho>~1,3 эВ, а полуширина ~70 мэВ.

В §.4.6 рассматривается структура и морфология поверхности слоЗв GaAs на SI. При малой скорости охлаждения слой состоит из отдельных несросшихся кристаллов. При увеличении скорости охлаждения срастание улучшается и слой приобретает ячеистую структуру. Добавление фосфора улучшает морфологию слоя, облегчая срастание кристаллов. При уменьшении температуры выдержки Тв размер ячеек становится меньше. Антифазных доменов в слоях обнаружено не было. Обнаружена температурная зависимость ориентации поверхности слоев. При Тв > 650 °С растут слои, ориентированные по плоскости (111 )В, а при Тв < 550 °С - по плоскости (111 )А, что может быть объясненно большей стабильностью as-as связей при низких, и Ga-Ga связей при высоких температурах.

В §.4.7 рассматриваются ростовые дефекты слобв GaAs на S1. К ним относятся места плохого смачивания Si подложи, а также круглые по форме области ("точки"), в которых кроме Аз, Ga и Р в значительных количествах имеется и Si.

ПЯТАЯ ГЛАВА. Глава посвящена заращивают структур GaAs/Sl в условиях обычной ЖФЭ.

В §.5.1 рассматривается выбор наилучшего растворителя при заращивании структур GaAs/Sl слоем GaAs. При использовании оловянного растворителя удайтся полностью исключить локальные- под-травы GaAs/Sl структуры при Троста <800 °С. Однако пиромидальная структура слобв делает Sn непригодным для заращивания. При использовании Ga-As растворов-расплавоЕ в слое имеется большое количество локальных подтравов, которые не удаётся устранить даже при использовании переохлаждения в 10 °С. Наилучшие результаты получены при использовании Ga+In растворителя в соотношении 1:1.

В §.5.2 рассматриваются температурные режимы выращивания. Причиной, ответственной за необходимость использования при заращивании переохлаждённых растворов-расплавов, является наличие большой плотности дислокаций, а также микротрещин в слоях СаЛя нп Si. При выращивании из Ga+In растворителя полуширина КДО при тол-

щине слоя ~Ю мкм составила 80+100 угл. с, а плотность дислокаций ~9-10б+2'Ю7 см-2. Бри выращивании твёрдых растворов AlxGa1 _гАз с х=0,4+0,6 каких-либо специфических особенностей по сравнению с выращиванием GaAs обнаружено не было. Оптимальным режимом заращи-вания является начальная температура -700 °С и начальное переохлаждение 10 °С. '

§.5.3 посвящбн выращиванию светоизлучающего диода, легированного S1. На первом этапе на структуре GaAs/Si выращивался буферный слой GaAs то.пщиной 10 мкм. На втором этапе выращивалась собственно р-n структура. Выращивание осуществлялось из насыщенного Ga-As раствора-расплава с начальной температуры 860 до 700 °С со скоростью охлаждения 2 °С/мин. Толщина n-слоя составила 15 мкм, р-слоя 50 мкм. Для сравнения в тех же самых режимах выращивалась аналогичная структура на GaAs(111)B подложке. Было обнаружено, что мощность излучения выращс шого на S1 подложке светоди-ода в 1,5+2 раза меньше мощности выращенного на GaAs' светодиода. Исследование изменения излучаемой мощности от времени работы показало, что в течение первого часа она быстро спадает до ~75 % от максимальной, а в дальнейшем изменяется слабо. ШЕСТАЯ ГЛАВА. В главе рассматриваются некоторые перспективы использования закритических пересыщений и сверхвысоких скоростей охлаждения раствора-расплава в технологии полупроводников. Исследование возможностей метода проводилось при выращивании гетеропереходов между различными типами полупроводниковых материалов. Кристаллическое совершенство слобв оценивалось по полуширине КДО. При этом полуширины КДО составили: GaSb/InAs - 73", GaAs/GfJ* -130", AlGaAs/GaP - 118", Ge/GaP - 145", Ge/Sl - 143", InP/GnP -277", GaSb/GaP -155". Гомоэпитаксиальныв слои GaAs и гетерострук- ' туры AlGaAa/GaAs имели достаточно высокое кристаллическое ссвер-шенство. Полуширина спектров КДО не превышала 10".

4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Теоретически и экспериментально показано, что для выращивания эпитаксияльных слоёв GaAa на S1 в растворе-расплаве необходимо создавать начальное переохлаждение, превышающее критической, р,п-

личина которого-определяется не только энергией упругих напряжений в псевдоморфном слое СаАэ, но и отношением скорости роста слоя СаАв к скорости растворения подложки 51.

2. Теоретически и экспериментально установлено, что в процессе кратковременного контакта (~0,1 с) твбрдой фазы с растЕором-расплавом, перегретым относительно неб на величину 100-500 °С, йа межфазной границе устанавливается температура

к к

ТС=Т .(1--) + -

03 1+к 1 +к 1

(где к=(\1/Л3).(а3/а.1)1/2, а1=Я1/с1-р1, а3=Л.3/сд-рд, Тс - температура контакта, Т^ - начальная температура раствора-расплава, Тд - начальная температура твбрдой фазы, а1 и ав - коэффициенты температуропроводности, е1 и сд - удельные теплоемкости, ^ и Х3 -коэффициенты теплопроводности, р1 и р3 - плотности жидкой и твбрдой фаз, соответственно), а прилегающий к меяфазной границе тонкий слой раствора-расплава охлаждается со скоростью ~102*103 °С/с. При этом в растворе-расплаве устанавливается положительный температурный градиент, препятствующий возникновению концентрационного переохлаждения.

3. Экспериментально установлено, что при охлаждении раствора-расплава со скоростями ~102-И03 °С/с в нбм возникает переохлаждение, превышающее в несколько раз критическое, а массоперенос в жидкой фазе может определяться как принудительным перемешиванием в процессе перемещения раствора-расплава по поверхности подложки, так и естественной конвекцией, возникающей за счбт горизонтальных температурных градиентов.

4. Разработана методика экспериментального определения температуры непосредственно на мзжфазной границе жидкое-твердое в условиях сверхвысоких -скоростей охлаждения раствора-расплава. Показано хорошее соответствие расчёных и экспериментально определенных значений температуры контакта.

5. Разработаны конструкции контейнеров для выращивания, позволяющие производить охлаждение раствора-расплава со сверхвысокой скоростью как в узком, так и в широком температурном интервале. Установлены основные технологические параметры, позволяющие управлять процессом кристаллизации в условиях сверхвысоких скоростей охлаждения раствор^-г^орп.этя.

S. При использовании скоростей охлавдения раствора-расплава Ч02-мсР °С/с выращены слои метастабильных твердых растворов (Ge2)x(GaAs)1_x, не образующиеся в равновесных условиях.

7. В процессе исследования параметров сло8в GaAs, выращенных на кремниевых подложках, .установлено, что их кристаллическое совершенство улучшается не только с увеличением толщины слоя, но и с понижением температуры начала кристаллизации. При кристаллизации в широком температурном интервале охлаждения (500+800 °С) плотность дислокаций составляет (1+2)И07 см-2.

8. Обнаружена температурная зависимость ориентации поверхности слоя GaAs, выращенного на подложке Sl(111). При температуре > 650 °С кристаллизуются слои GaAs(111)B, а при температуре <; 550 °С -слои GaAs(111 )А.

9. Разработана методика заращивания полученных при сверхбыстром охлаждении раствора-расплава слобв GaAs на S1 в условиях обычной ЖФЭ, и на основе полученных гетероструктур GaAs/Sl методом обычного эпит.аксиального выращивания из жидкой фазы изготовлены светодиодные структуры, включающие эпитаксиальный слой GaAs, легированный Si. -

Основное содержание диссертации опубликовано в следущих работах:

1. Абрамов A.B., Дерягин Н.Г., Долганов A.B., Мизеров М.Н., Селиверстов О.В., Третьяков Д.Н. Способ эпитаксиального наращивания полупроводниковых твбрдых растворов. - Авторское свидетельств N 1559970 от 09.08.1988'. (Разрешение ФТИ о снятии грифа "Т", протокол N117 от20 .04.95)

2. Абрамов A.B., Алфбров K.M., Дерягин Н.Г., Долганов A.B., Мизеров М.Н., Селиверстов О.В., Третьяков Д.Н.; Черневя Т.Б. Выпащи-' вакив твердых растворов (Sig^GaAs)^ из раствора-расплава. -Материалы VII Всесоюзной конференции по росту кристаллов, Москва, 1988, 264-266.

3. Абрамов A.B., Дерягин Н.Г., Долганов A.B., Мизеров М.Н., Солинирс.тов O.K., Третьяков Д.Н. Способ получения слоев G'iAs на 51. - Авторское свидетельство N 1589918 от 23.01.1989. (Разрешение ФТИ о снятии грифа "Т", протокол N118 от20 .04.95)

4. Азямов А.Н., Дерягин Н.Г., Долганов Л.В., Миноров М.Н., ('•'.nil' Г'рстчп O.R.., Tp"Ti,HKOf> Д.Н. Способ оцрпдп.пония Т^МПРрМ'УрН И

момента начала кристаллизации раствора-расплава. - Авторское свидетельство N 1602183 от 25.04.1989. (Разрешение ФТИ о снятии грифа "Т", протокол 'i 119 от 20.04.95)

5. Абрамов A.B., Дерягин Н.Г., Долганов A.B., Зеленова О.В., Коробов В.А., Мизеров М.Н., Селиверстов О.В., Третьяков Д.Н. Жидко-фазная эпитаксия GaAs на Si. - Тезисы докладов 1-й Всесоюзной конференции по физическим основам твбрдотельной электроники, Ленинград, 1989, Т.В, 164-165.

6. Abrarav A.V., Lolganov A.V., Deryagin N.G., Mizerov M.N., Se-liveratov O.V., Tret'yakov D.N., Superhigh cooling rates in LPE. - Crystal properties and preparation, 1991, v.32-34, 397-402.

7. Абрамов A.B., Бер Б.Я., Долганов A.B., Дерягин Н.Г., Третьяков Д.Н., Фалеев H.H. Характеристики слобв GaAs, выращенных на S1 из раствора-расплава в широком интервале охлаждения. - Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, Калуга, 1990, Т.2, 45-46.

8. Абрамов A.B., Дерягин К.Г., Долганов A.B., Мизеров М.Н., Селиверстов О.В., Третьяков Д.Н. Особенности эпитаксиального выращивания GaAs на GaP и S1 из растворов-расплавов. - Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, Калуга, 1990. Т.2, 150-151.

9. Абрамов A.B., Дерягин Н.Г., Долганов A.B., Третьяков Д.Н. Устройство и способ для жидкофазной эпитаксии слобв GaAs на подложках Si. - Патент N 1788871 от 12.01.1990. (Разрешение о снятии грифа "Т", протокол N 94 от 18.05.93)

10. Abramov A.V., Dolganov A.V., Deryagin N.G., Tret'yakov- D.N. Peculiarities, oi solution superhigh cooling rates creation in IPE. - Abstracts of the 3-d European conference on crystal growth, Bugapest, 1991, 363-364.

11. Абрамов A.B., Дерягин Ч.Г., Третьяков Д.Н., Фалеев H.H. Исследование параметров слобв GaAs, вырагенных на подложках S1 методом ЖФЭ. - Письма в ЖТФ, 1993, т.19, еып. 23, 45-49.

12. Abramov A.V., Deryagin N.G., Tret'yakov D.N. Growth of GaAs and (Gf"2 )x(GaAs)1 _x on SI using ultrafast cooling ol the growth solution. - Semiconductor Science Technology, 1994, v.9, N.10, 1815-1822.

13. Абрамов A.B., Eep В.Я., Дерягин Н.Г., Меркулов A.B., Треть-

яков Д.Н. Исследование параметров слобв GaAs и AÜ^Ga.^As, выращенных методом ЖФЭ в условиях сверхвысоких скоростей охлаждения раствора-расплава. - Письма в ЖГФ, 1995, Т.21, вып.З, 34-38.

Отпечатано на ротапринте ПШФ

Зак? 256, тир. 100, уч. -изд. л Л;20/1У-1995г. Бесплатно