ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, < 12, с. 43-50
УДК: 548.735:536.2:530.1ТР:548.73
КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В СИЛЬНОЛЕГИРОВАННЫХ МОНОКРИСТАЛЛАХ GaSb(Si)
© 2009 г. И. Ä. Прохоров1, Ю. Ä. Серебряков1, И. Ж. Безбах1, Б. Г. Захаров1, В. В. Ратников2,
М. П. Щеглов2, И. Л. Шульпина2
1НИЦ "Космическое материаловедение" Института кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН,
Калуга, Россия
2Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию 15.01.2009 г.
Концентрационные и структурные неоднородности в сильнолегированных монокристаллах GaSb(Si), выращенных в различных условиях тепломассопереноса, исследованы методами рентгеновской топографии, высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии и цифровой обработки изображений. Установлено, что неоднородность кристаллов определяется как спецификой микросегрегации примеси в процессе роста в условиях нестационарной конвекции в расплаве, так и особенностями дислокационной структуры кристаллов. Существенный вклад в неоднородность кристаллов на микро- и макроуровне вносят процессы, связанные с начальной стадией распада пересыщенного твердого раствора Si в GaSb.
ВВЕДЕНИЕ
Сильнолегированные кристаллы полупроводников находят самое широкое применение в твердотельной микроэлектронике при производстве разнообразных электронных и оптоэлектронных приборов (туннельные диоды, лазерные и термоэлектрические устройства и др. [1]). Кроме того, полупроводниковые кристаллы с высоким содержанием легирующей примеси являются удобным модельным материалом для изучения сложных процессов кристаллизации, в частности в условиях микрогравитации на борту космических аппаратов. Их использование позволяет повысить чувствительность структурного отклика кристаллов к возмущениям процесса кристаллизации [2-6]. В частности, нестационарная конвекция в расплаве в процессе роста кристаллов вызывает осцилляции скорости роста, что может приводить к значительным нарушениям в распределении примеси и основных компонентов состава на микроуровне [7, 8]. Такие концентрационные неоднородности отражают особенности тепломассопереноса вблизи фронта кристаллизации и являются в настоящее время основным источником информации как об особенностях процесса кристаллизации, так и о возмущающих эффектах различных внешних факторов. В связи с этим, наряду с изучением закономерностей и условий формирования концентрационных мик-ронеоднородностей в кристаллах, существенное значение приобретает развитие количественных методов их характеризации.
При высокой концентрации примеси в кристалле не вся она входит в твердый раствор замещения и может существовать одновременно в нескольких
состояниях. Часть примеси электрически неактивна. Поэтому для уточнения состояния примеси в сильнолегированных кристаллах особенно эффективно использование дифракционных методов исследования, прежде всего методов рентгеновской топографии и высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии.
Рентгенотопографические методы обладают высокой чувствительностью и пространственным разрешением, что позволяет получать комплексную информацию о взаимосвязи структурных и концентрационных неоднородностей в кристаллах. При этом использование плосковолновой рентгеновской топографии позволяет в ряде случаев проводить количественные оценки деформации кристаллической решетки и амплитуды вариации состава кристаллов [9, 10].
В данной статье обобщается опыт применения наиболее чувствительных, главным образом, рентгеновских дифракционных методов для диагностики сильнолегированных кристаллов на примере монокристаллов ва8Ь(81), выращенных в различных условиях тепломассопереноса по программе подготовки эксперимента на борту автоматического космического аппарата "Фотон-3М" [4, 5]. Особое внимание в работе уделяется исследованию микронеоднородности кристаллов, выращенных по методу Чохральского и используемых в качестве затравок для последующей частичной перекристаллизации в условиях микрогравитации или при их физическом моделировании.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Монокристалл GaSb диаметром 35 мм был выращен в направлении [111] по методу Чохральского и легирован кремнием в процессе роста до концентрации ~2 х 1019 см-3. Из полученного слитка в направлении роста были вырезаны два цилиндрических кристалла диаметром 23 мм и длиной 75 мм. Эти кристаллы были частично перекристаллизованы в идентичных тепловых условиях вертикальным методом Бриджмена на установке "Полизон", разработанной в КБ общего машиностроения для АКА "Фотон", при расположении затравки в нижней, "холодной" части установки. В этом случае происходит значительное снижение интенсивности естественной конвекции [7]. Рост осуществляли в движущемся с постоянной скоростью осевом температурном поле (без перемещения образца и нагревателя), что исключало вибрации от работы механизмов перемещения. Средняя скорость роста составляла ~5 мм/ч. Конструкция ампулы исключала появление свободной поверхности расплава и развитие капиллярной конвекции Марангони. Более детально особенности выращивания кристаллов рассмотрены в [4].
В результате были получены уникальные в исследовательском плане кристаллы (условно обозначенные буквами К и Н) с существенно отличающимися по структуре частями. В одной части (затравка, выращенная методом Чохральского с плотностью дислокаций ND ~ 102 см 2) доминирующим типом дефектов были полосы роста, в другой части (перекристаллизованная часть с плотностью дислокаций Nd ~ 104 см 2) - дислокации. При близкой концентрации легирующей примеси в обеих частях кристалла (равновесный коэффициент распределения Si в GaSb близок к единице [11]) это позволяет проанализировать раздельный вклад образующихся дефектов (полос роста и дислокаций) в неоднородность кристаллов.
Особенности реальной структуры кристаллов изучали методами рентгеновской топографии, двух- и трехкристальной рентгеновской дифракто-метрии (ДКД и ТКД) с привлечением данных металлографических и электрофизических измерений.
Образцы для исследования представляли собой пластины толщиной 450 мкм, вырезанные вдоль (по плоскости {110}) и перпендикулярно (по плоскости {111}) оси роста кристалла. Для удаления нарушенного слоя образцы прошли полный промышленный цикл обработки с финишной химико-механической полировкой. При использовании МоАа-излучения такая толщина образцов обеспечивала значение ц = 11 (ц - линейный коэффициент фотоэлектрического поглощения, t - толщина образца), что отвечало условиям применения метода аномального прохождения рентгеновских лучей (АПРЛ) при съемке на просвет. Топограммы были получены этим методом в симметричных отраже-
ниях 220, а также в несимметричных 022, как с применением сканирования кристалла и фотопластинки, так и без сканирования с использованием широкого пучка (метод Барта-Хоземана [12]).
ТКД-измерения были выполнены в СиАа1-излу-чении на лабораторном дифрактометре высокого разрешения в (п, -т, т) положении кристаллов с использованием симметричного отражения 220 по Брэггу. Для разных измерений использовали как плоские, так и щелевые (с трехкратным отражением) монохроматоры и анализаторы из ве. Для разделения вкладов в дифрагируемую интенсивность от микроразориентаций и микродилатаций использовали схемы б- и (б-2б)-сканирования соответственно. Прецизионные измерения параметра решетки проводились в серии брэгговских отражений 331, 420 и 440 по методике [13] с последующим усреднением полученных результатов. Измерения диффузного рассеяния (ДР) проводили по схеме с вращающимся анализатором при фиксированной отстройке п образца от узла обратной решетки (регистрация кривых 2б на ТКД). Для увеличения интенсивности ДР измерения проводили в МоАа1-из-лучении.
Однородность электрофизических параметров кристаллов контролировали методами Холла и сопротивления растекания. Определение плотности дислокаций, выявление полос рост и первичного фронта кристаллизации осуществляли металлографически с использованием селективного травления в НШ3 : НБ : СН3СООН = 5 : 3 : 3 при комнатной температуре.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Топограммы продольных пластин (рис. 1) представляют собой изображения затравки и перекристаллизованной части (ПЧ) кристалла. Их разделяет граница, отражающая форму первичного фронта кристаллизации. Она слабо вогнута в сторону затравки. Сравнение топограмм образцов Н и К в симметричном отражении 220 (рис. 1а, в) показывает: присутствие изображений полос роста в затравках с периодом ~43 мкм и отсутствие их в ПЧ; различное количество и распределение дислокаций в области затравок и ПЧ; наличие единичных изображений включений (или выделений) второй фазы (некоторые из них показаны стрелками на рис. 2а); проявление эффекта грани в затравках.
Как известно, наличие полос роста (проявление микросегрегационной неоднородности) характерно для кристаллов, выращенных по методу Чохральского, и обусловлено особенностями кристаллизации расплава в этом методе. Отсутствие полос роста в ПЧ связано с созданием условий стационарного режима роста кристаллов при сильно ослабленной термогравитационной конвекции в
расплаве [4, 7]. В дальнейшем нас будут в первую очередь интересовать особенности изображения полос роста. Именно они содержат информацию, в каком состоянии находится примесь в кристаллах.
Для кристаллов, обладающих сильным поглощением рентгеновских лучей, к которым относятся почти все соединения типа А3В5 и ба8Ь, в частности, соответствующую диагностику можно провести на основе топографического метода АПРЛ с использованием правила, описанного, например, в [14]. Оно заключается в том, что зависимость контраста изображения полос роста от направления вектора дифракции указывает на отсутствие в них выделений второй фазы и нахождение примеси в состоянии твердого раствора. Именно такая картина наблюдается в кристалле К (рис. 1а, б) с полным погасанием изображения полос роста в асимметричном отражении 022, для которого направление дифракционного вектора g перпендикулярно нормали п к изоконцен-трационной поверхности, примерно совпадающей с направлением
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.