ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 6, с. 103-112
УДК 621.315:548.55
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ И СТРУКТУРНОЕ СОВЕРШЕНСТВО МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР СОЕДИНЕНИЙ А3В5 © 2014 г. Д. Л. Алфимова, Л. С. Лунин1, М. Л. Лунина
Южный научный центр РАН, Ростов-на-Дону, Россия 1Е-таИ: lunin_ls@mail.ru Поступила в редакцию 12.04.2013 г.
Проведен комплексный анализ качества поверхности многокомпонентных эпитаксиальных слоев соединений А3В5, выращенных в различных условиях методом зонной перекристаллизации с градиентом температуры. Определены основные параметры, влияющие на качество поверхности и структурное совершенство гетероструктур: градиент температуры, состав раствора—расплава, величина переохлаждения, согласование параметров решетки и коэффициента термического расширения слоя и подложки, ориентация подложки.
БО1: 10.7868/80207352814050023
ВВЕДЕНИЕ
Интерес твердотельной электроники к многокомпонентным гетероструктурам на основе соединений А3В5 определяется возможностью независимого управления шириной запрещенной зоны, периодом кристаллической решетки и коэффициентом термического расширения (КТР) [1—4]. Указанные возможности открывают принципиально новые перспективы для создания опто-электронных гетероструктур на основе соединений А3В5 для широкого спектрального диапазона. Применение подобных гетероструктур в оптоэлек-тронике предъявляет повышенное требование к их кристаллическому совершенству [4—7]. В связи с этим актуальной проблемой является разработка новых методов получения гетероструктур и приборов на их основе. Одним из доступных методов получения гетероструктур продолжает оставаться эпитаксия из жидкой фазы (ЖФЭ) [8, 9]. Несмотря на ряд преимуществ метода ЖФЭ, получение этим методом многокомпонентных эпитаксиаль-ных слоев соединений А3В5 контролируемого состава затруднено в связи с изменением температуры в процессе роста. Кроме того жидкофазные методы требуют значительного расхода дорогостоящих металлов: индия и галлия, так как приготовленный расплав пригоден только для разового использования. Метод зонной перекристаллизации с градиентом температуры (ЗПГТ) экономичен, так как не требует большого количества исходных материалов за счет небольших толщин зон и неоднократного использования одного и того же расплава [10, 11]. Методом ЗПГТ путем программирования изменения параметров процесса можно управлять свойствами и структур-
ным совершенством многокомпонентных гетероструктур соединений А3В5 [12, 13].
Целью настоящей работы является исследование качества поверхности и структурного совершенства многокомпонентных гетероструктур соединений А3В5 в зависимости от условий выращивания методом ЗПГТ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Рост многокомпонентных гетероструктур проводили в закрытой системе в потоке водорода, очищенного в процессе диффузии через палладий. В качестве жидкой зоны использовали раствор—расплав чистых 1п, Ga, В1 и поликристаллы GaAs, 1пАз, 1пР, GaP, GaSb, 1п8Ъ. В зависимости от состава многокомпонентных твердых растворов (МТР) в качестве подложек использовали монокристаллические пластины GaAs, GaP, GaSb, 1пР, InAs, 1^Ъ ориентации (100) или (111) с концентрацией носителей заряда п = 1 х 1017—5 х 1018 см-3. Ге-тероструктуры выращивали в технологических условиях, описанных нами в работах [14-21]. Аппаратура и методика проведения ЗПГТ должны обеспечивать воспроизводимое получение жидких зон определенной концентрации и состава, их стабильную миграцию в кристалле на заданное расстояние и, в ряде случаев, последующее удаление металла-растворителя [10]. Необходимо, чтобы аппаратура не являлась источником загрязнения полупроводниковых материалов, обеспечивала защиту от окисления или испарения используемых веществ при высоких температурах, позволяла управлять с высокой точностью температурно-вре-менными и другими условиями. Она должна быть высокопроизводительной, надежной, экономич-
Состав шихты для выращивания четырех- и пятикомпонентных твердых растворов, содержащих в твердой фазе А1, Ga, 1п, Аз, Р, ЯЬ в различных вариациях
Компоненты шихты Химическая обработка компонентов шихты перед процессом эпитаксии
Индий, 1п (0000) HCl : H2O (1 : 1) или HCl : H2O : H2O2 (1 1 : 0.2)
Галлий, Ga (0000) Без обработки
Фосфид индия HNO3 : HCl (3 : 1)
Арсенид индия HCl : H2O (1 : 1) или HF : HNO3 : H2O (1 3 : 2)
Арсенид галлия H2SO4 : H2O2 : H2O (3 : 1 : 1)
Сурьма, ЯЬ (0000) Без обработки
Антимонид галлия HF : HNO3 : H2O (1 : 3 : 2)
Свинец, РЬ (99.999) CH3COOH : H2O (1 : 1)
ной и простой в эксплуатации. По аппаратурно-методическому оформлению ЗПГТ имеет много общего с обычной жидкофазной эпитаксией [10]. Величина и направление градиента температуры определяют особенности этого метода.
Для выращивания эпитаксиальных гетеро-структур МТР соединений А3В5 методом ЗПГТ была собрана установка на базе промышленной установки Радуга. Она состоит из герметичной рабочей камеры, силовых блоков питания, двух графитовых нагревателей, регулятора температуры ВРТ, программатора, системы контроля температуры и ее градиента в рабочей зоне, нагревательного устройства, системы вакуумирования и газоснабжения, включающей систему очистки газов, используемых в качестве рабочей среды, устройства для размещения подложек и расплава и осуществления операций, связанных с их контактированием. Градиент температуры задает скорость перекристаллизации, определяет качество выращиваемого материала и формируемых структур. В связи с этим применялись нагревательные устройства для создания градиента температуры и его конфигурации, разработанные нами и описанные в работе [22].
Методические особенности процесса эпитак-сии непосредственно связаны с воспроизводимостью характеристик и качеством эпитаксиальных слоев. В методе ЗПГТ к таким особенностям, в первую очередь, относятся [2]: состояние раствора—расплава в момент его контакта с подложкой, толщина слоя раствора—расплава, контактирующего с подложкой; кристаллографическая ориентация и качество подготовки поверхности подложки; способ расположения подложки. Для получения четырех- и пятикомпонентных структур в работе использовались элементы, приведенные в таблице, там же указаны основные операции химической обработки компонентов шихты. Предварительная обработка таких легирующих элементов, как цинк, олово, теллур, обычно проводилась в смеси HNO3 : Н20 (1 : 1).
Исследование топографии поверхности эпитаксиальных слоев и сколов гетероструктур проводили
на атомно-силовом микроскопе (АСМ) Solver HV, растровом электронном микроскопе (РЭМ) Quanta 200 и оптическом микроскопе МИМ-8. Гете-роструктуры GaInAsP/InP, GaInAsP/GaP исследовали в проходящем свете с помощью инфракрасного микроскопа МИК-4. Измерения фотолюминесценции проводили в спектральном диапазоне от 950 до 1500 нм при температуре 300°С и в жидком азоте при Т = 77 К в криостате с кварцевыми окнами. В качестве источника возбуждающего оптического излучения использовали инжекционный лазер с длиной волны 402 нм и мощностью излучения 8.5 мВт. Фотодетектором служил германиевый фотодиод ФПУ ФДГ с рабочим спектральным диапазоном длин волн от 0.5 до 2 мкм. Фотолюминесценция возбуждалась со стороны эпитак-сиальных слоев.
Несоответствие параметров решеток подложки и слоя и кристаллическое совершенство гетероструктур оценивали методом рентгеновской дифракции. Съемка кривых дифракционного отражения (КДО) рентгеновского излучения проводилась на высокоразрешающем рентгеновском дифрактометре ТРС-1 в двухкристальной геометрии с использованием медного излучения. Помимо измерения величины Aa/a определяли и анализировали полуширины КДО от эпитаксиально-го слоя и подложки. Учитывали также форму дифракционных кривых и наличие (отсутствие) интерференционных максимумов, несущих информацию о качестве поверхности слоя и планар-ности границы раздела слой—подложка.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Морфология поверхности эпитаксиальных слоев при ЗПГТ напрямую зависит от состояния поверхности затравки (подложки). Поэтому в конструкции кассет предусмотрена возможность подготовки подложек путем травления в расплаве металла, например индия в течение 5—10 с в случае выращивания твердых растворов на подложке InP.
На рис. 1 показано влияние внешних воздействий на подложку InP перед наращиванием. Если подложка InP находится в течение двух часов
Рис. 1. Морфология поверхности подложки 1пР: а — после отжига в открытой системе в атмосфере Н2 в течение 2 ч, х300; б — после травления в расплаве индия и отжига в открытой системе в атмосфере Н2 в течение 30 мин (индий ко-алесцирует на поверхности в большие капли), х300; в — после травления в расплаве индия перед наращиванием, х700; г — граница раздела подложка—слой (слева — подложка, справа — слой) после процесса ЗПГТ.
(время гомогенизации расплава) в открытой системе в водороде и не защищена ни графитом с прокладками, ни идентичной подложкой 1пР, то происходит деструкция поверхности (рис. 1а). После травления этой подложки индием в течение 5—10 с через 30 мин оставшийся индий коалесци-рует в большие капли на поверхности вследствие испарения фосфора (рис. 1б). Если травление подложки индием происходит непосредственно перед эпитаксиальным наращиванием (рис. 1в), то поверхность 1пР не содержит механических повреждений после полировки и шлифовки, капель индия и других поверхностных дефектов. Такая подготовка поверхности подложки перед наращиванием позволяет получать на подложке 1пР эпитаксиаль-ные слои GaInAs, GaInAsP, GaInAsPSb с улучшенной морфологией поверхности (рис. 1г).
Морфология поверхности эпитаксиальных слоев весьма чувствительна к величине рассогласования периодов решетки подложки и эпитаксиально-го слоя на гетерогранице. В четырех- и пятикомпо-нентных гетероструктурах путем изменения состава твердых растворов можно изменять параметр решетки и тем самым получать изопериодичные структуры.
На рис. 2 показаны сколы образцов эпитаксиальных слоев GaInAsP/InP с различным содержанием мышьяка в жидкой фазе. На рис. 2а видны трещины, террасы и дефекты на гетерогранице
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.