ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 538.911, 538.975, 548.732.2
РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАМОРФНЫХ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУР МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОЙ
ДИФРАКТОМЕТРИИ
© 2014 г. Г. Б. Галиев1, С. С. Пушкарев1, Е. А. Климов1, П. П. Мальцев1, Р. М. Имамов1' 2,
И. А. Субботин2, 3
1 Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН, Москва
E-mail: s_s_e_r_p@mail.ru 2 Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: imamov@ns.crys.ras.ru 3Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва Поступила в редакцию 05.09.2013 г.
Методом рентгеновской дифрактометрии определены упругие деформации в активных областях метаморфных транзисторных наногетероструктур In0 7Al0 3As/In0 7Ga0 3As/In0 7Al0 3As на подложках GaAs с различными сложными дизайнами метаморфного буфера (МБ). Это линейные МБ разной толщины, в том числе с внутренними сбалансированно-рассогласованными сверхрешетками либо внутренними инверсными ступенями, ступенчатый МБ. Все исследуемые МБ завершаются инверсной ступенью. Проведено сравнение экспериментальных результатов и промоделированных упругих деформаций для гипотетических линейных МБ с такими же средними градиентами состава, как и у исследованных образцов.
DOI: 10.7868/S002347611402009X
ВВЕДЕНИЕ
Обычно кристаллическая структура метаморфных транзисторных наногетероструктур (metamorphic high electron mobility transistor, МНЕМТ) оказывается механически напряженной из-за особенностей релаксации метаморфного буфера (МБ). Это обстоятельство может оказаться неблагоприятным как при изготовлении транзисторов и монолитных интегральных схем на таких наногетероструктурах, так и при дальнейшей эксплуатации изготовленных приборов, поскольку остаточная упругая деформация МБ передается в активную область МНЕМТ-наноге-тероструктуры и может оказывать влияние на зонную диаграмму квантовой ямы (КЯ), на ее электрофизические свойства, более того, может привести к преждевременной деградации активной области во время работы устройств, изготовленных на МНЕМТ-наногетероструктурах.
Отличительным признаком МНЕМТ-наноге-тероструктур является МБ — толстый слой переменного состава, согласующий параметры кристаллической решетки подложки и активной области. Метаморфный буфер хорошо описывается моделью частично релаксированного МБ, согласно которой МБ релаксирует, начиная от подложки до некоторой толщины, выше которой остается упруго деформированным [1, 2]. Такая модель была подтверждена экспериментально [3].
Указанная модель была разработана для МБ, в котором реализуется монотонное увеличение рассогласования кристаллической решетки с толщиной. Для более сложных конструкций МБ, по-видимому, следует разработать другую модель. Основная цель настоящей работы — экспериментальное исследование деформационных свойств МБ с различным дизайном, включая линейные МБ с внутренними сбалансированно-рассогласо-ванными сверхрешетками либо инверсными ступенями (ИС) и сравнение полученных данных с моделью.
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИИ МЕТАМОРФНОГО БУФЕРА
Реальное состояние релаксирующего МБ достаточно хорошо описывается моделью частично релаксированного МБ [1, 2]. Согласно этой модели, МБ толщиной ^мб релаксирует от подложки до некоторой толщины z0, выше которой останется упруго деформированным. Другими словами МБ оказывается состоящим из двух частей: ре-лаксированной толстой нижней части, в которой наблюдаются дислокации несоответствия, и напряженной тонкой верхней части, свободной от дислокаций. На рис. 1 представлено схематическое изображение частично релаксированного МБ (на рис. 1 также показана ИС). По мере роста МБ его релаксированная часть увеличивается, а
9
297
Рассогласование параметров решетки подложки и эпислоя f
Zo
Метаморфный буфер
Рис. 1. Схема частично релаксированного МБ.
нерелаксированная часть сохраняет свою толщину.
Распределение деформации кристаллической решетки е по глубине МБ г описывается в модели [1, 2] следующим выражением:
e(z) =
где f (z) =
0, 0 < z < Zo,
-[f (z) - f (Zo)], Z0 < z < Zmb, a(z) - as
(1)
рассогласование кристалли-
ческой решетки в МБ, которое задается профилем химического состава МБ, а5 — параметр решетки подложки.
В основе модели лежит уравнение, описывающее релаксацию МБ, которое решается относительно г0:
f(Zo) -
1
z МБ z 0
J f (z)dz
(ZмБ - Z0) = K2, (2)
где К2 — феноменологическая константа, характеризующая способность кристаллической структуры сопротивляться релаксации.
Рассмотрим простейший случай МБ с линейным профилем состава. Зависимость рассогласования параметра кристаллической решетки от координаты имеет вид
f (z) = gz,
(3)
где g =
ffin fin
£мБ
градиент рассогласования ре-
шетки линейного МБ. В этом случае уравнение (2) решается относительно следующим образом:
zМБ z0 - 3 ~.
4K 2
(4)
Упругая деформация, сохранившаяся в финальных слоях МБ, определяется следующим образом:
Sres = -f (zМБ) - f Ы] = -g(ZмБ - z0) = "34K2g. (5)
Из-за остаточного напряжения, предсказываемого моделью, латеральный параметр решетки (öjj) в финальной части МБ для данного состава меньше релаксированного (а). Следовательно, поверх МБ можно вырастить достаточно толстый эпитаксиальный слой такого состава, чтобы его релаксированный параметр решетки совпал с не-релаксированным параметром финальной части МБ. Такой эпитаксиальный слой окажется ненапряженным, и согласованная с ним по параметру решетки активная область, расположенная выше, также будет ненапряженной. Этот эпитаксиаль-ный слой называется ИС и формируется, в частности, с помощью скачкообразного уменьшения х в конце МБ Inx(Al, Ga)1-xAs на Ах (рис. 1). Параметр решетки для ИС аИС определяется следующим образом:
a - a
= -V4K2g,
(6)
*ИС
= ai| = a(1 - 34 K2 g) = a(1 + srei),
где Д||, а — соответственно латеральный и релакси-рованный параметры решетки на вершине МБ.
Феноменологическая константа К2 характеризует способность кристаллической структуры сопротивляться релаксации. Чем больше значение К2, тем большую упругую деформацию эпитаксиаль-ный слой может выдержать, не релаксируя. В [2, 3] при моделировании МБ использовалось значение К2 = 0.0037 ± 0.0007 нм. Однако это значение было определено в результате исследования эпи-таксиальных слоев 1пхОа1- хДз, выращенных на подложке ОаАз, где х = 0.035—0.15 [4]. Этот состав нехарактерен для метаморфных гетероструктур.
Проанализируем результаты [5—8], в которых исследовались гетероструктуры с МБ 1пхД11- ^Дз, выращенные на подложках ОаДз, с точки зрения их соответствия модели частично релаксирован-ного МБ. Метаморфные буферы были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и имели линейный профиль состава. Почти все они имели ИС, которая учитывалась при анализе. В работах была указана измеренная величина остаточной деформации эпитаксиальных слоев, следующих за МБ. Для каждого конкретного случая вычислялась феноменологическая константа К2.
Было выявлено, что К2 варьируется в очень широких пределах (0.0001—0.0103 нм) и сильно зависит от технологических параметров эпита-ксиального роста (температуры роста МБ и давления мышьяка во время роста МБ). Так, увели-
0
z
a
a
чение давления мышьяка от 1.4 до 2.3 х 10-8 Торр привело к изменению значения К2 от 0.0078 до 0.0103 нм [7]. Увеличение температуры роста МБ от 400 до 480°С приводит к изменению значения К2 от 0.00011 до 0.00025 [8].
Усреднение полученных при анализе литературы значений К2 приводит к величине 0.0043 нм. Однако применять ее для моделирования исследуемых метаморфных наногетероструктур было бы некорректно, поскольку технологические параметры роста, описанные в литературе, отличаются как друг от друга, так и от параметров роста исследуемых образцов. Чтобы минимизировать влияние разных режимов роста, использовалось значение К2 = 0.0027 нм, полученное следующим образом. Из ряда исследуемых образцов, выращенных при одинаковых технологических условиях МЛЭ, выбран образец 29 В, выращенный на подложке InP, имеющий линейный МБ InxAl1- xA (x = 0.52—0.75). Для образца 29 В модель согласуется с экспериментом при К2 = 0.0027 нм. Это значение близко к значению, использованному в ранних работах, и к значению, полученному в результате анализа литературных данных.
Таблица 1. Конструкция исследуемых образцов
Состав слоя h, нм Tg, °C
1п07Оа03А (защитный слой) 7 470
In0.70Al0.30As (барьер) 22 470
Si (5-слой) = 2.5 х 1012 см-2 - 470
1п07А103А (спейсер) 6 470
1п07Оа03А (КЯ) 16 470
1п07А10.3А (барьер) 46 470
1п07А10.3А (заглаживающий слой) 115 400
1пхА11 _ ХА (инверсная ступень) 50 400
1пхА11 _ХА (МБ) hMB 400
БЬ1 {АЮаА/ОаАз} х 5** 17 590
Подложка* - -
* 1пР для образца 29 В, ОаА для образцов 830, 835, 842, 888, 889. ** Данный слой отсутствует в образце 29 В.
пятипериодными напряженными сверхрешетками {1пА1А8/1пОаЛ8| внутри МБ, призванными блокировать прорастающие дислокации и не допускать их проникновения в активную область.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследуемые МНЕМТ-наногетероструктуры (образцы) выращены методом МЛЭ при одинаковых технологических условиях на полуизолирующих подложках InP и GaAs с ориентацией (1 0 0) фирмы Wafer Technology LTD.
Общая конструкция образцов приведена в табл. 1, там же указаны температуры эпитакси-ального роста слоев. Образец 29 В выращен на подложке InP, а образцы 830, 835, 842, 888, 889 -на подложках GaAs. Все образцы обладали одинаковой активной областью, включающей в себя КЯ и ограничивающие ее барьерные слои, но разным дизайном МБ InxAl1 -xAs (под дизайном МБ понимается профиль его состава, т.е. зависимость х от координаты). Активная область состоит из 8-легированной кремнием КЯ In0.70Al0.30As/In0.75Ga0.25As/In0.70Al0.30As и сохраняется одинаковой для всех исследуемых образцов, как и концентрация атомов Si в легирующем 8-слое (в рассматриваемом случае NSi = = 2.5 х 1012 см-2). Обнаруженные изменения и особенности электрофизических и структурных характеристик выращенных образцов можно отнести к влиянию конструкции МБ.
Дизайн МБ исследуемых образцов представлен на рис. 2, где для каждого МБ схематически показан профиль содержания In(x) по глубине. Для образца 29
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.