Вплив технології вирощування на мікромеханічні властивості епітаксійних структур на основі GaAs

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонський державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.27.06 - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

Вплив технології вирощування на мікромеханічні властивості епітаксійних структур на основі GaAs

Сєліверстова Світлана Ростиславівна

Херсон 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки Херсонського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Марончук Ігор Євгенович, Херсонський державний технічний університет, зав. кафедрою фізичної електроніки

Офіційні опоненти:

доктор фізично-математичних наук, старший науковий співробітник, Матвеєва Людмила Олександрівна, Інститут фізики напівпровідників НАН України;

доктор технічних наук, професор, Шарко Олександр Володимирович, Херсонський державний технічний університет Міністерство освіти і науки України

Провідна установа: Науково-виробниче об'єднання “Карат” Міністерства промислової політики України (м. Львів).

Захист дисертації відбудеться "06" квітня 2001 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.67.052.03 при Херсонському держаному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського державного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24

Автореферат розісланий "01" березня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Литвиненко В.М.

1. Загальна характеристика роботи

мікромеханічний монокристал діелектричний епітаксійний

Актуальність теми. Епітаксійні структури на основі GaAs знаходять широке застосування не тільки в дослідницьких роботах як модельні при розробці сучасних технологій і нових типів напівпровідникових приладів, але і широко використовуються в промисловості для виготовлення напівпровідникових лазерів, випромінюючих діодів, фотоприймачів, сонячних батарей, діодів Ганна, інтегральних схем, НЕМПТ-транзисторів і т.д.

В деяких приладах активною областю структури, тобто областю, яка несе активну робочу функцію, є епітаксійний шар. А в деяких приладах активною областю є безпосередньо межа поділу між шарами різноманітного складу, наприклад у приладах заснованих на базі гетероструктури. У зв'язку з цим, ефективність і надійність роботи приладів значною мірою залежать від структурної досконалості та електрофізичних характеристик як об'ємного матеріалу епітаксійної структури, так і її меж. До найважливіших інтегральних характеристик, що визначають властивості епітаксійної структури, належать і мікромеханічні властивості: мікротвердість, мікропластичність, мікрокрихкість. Слід відзначити, що мікромеханічні властивості мають і самостійний інтерес при виготовлені приладів.

Детальні дослідження мікромеханічних властивостей монокристалів діелектричних матеріалів, металів і в меншій мірі напівпровідників показало, що ці властивості суттєво залежать від складу досліджуваного кристала, легуючих домішок, вмісту точкових і лінійних дефектів, залишкових напруг, а також різноманітних зовнішніх впливів. З огляду на високу локальність вимірювань, можна стверджувати, що дослідження мікромеханічних властивостей є достатньо досконалим засобом вивчення якості монокристалів та епітаксійних шарів. Мікромеханічні характеристики мають самостійний інтерес також і в технології виробництва напівпровідникових приладів (різання, скрайбування).

Особливий інтерес має дослідження мікромеханічних характеристик у взаємозв'язку з технологією їх виготовлення. Знання залежностей мікромеханічних властивостей епітаксійних шарів від умов їх отримання, структурної досконалості і якості обробки поверхні підкладки дозволяє вирощувати епітаксійні структури з контрольованими механічними властивостями, визначати припустимі межі зміни дефектності локальних областей кристалів, що особливо важливо в планарній технології виготовлення інтегральних схем багатоелементних напівпровідникових пристроїв та дискретних приладів великої площини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи відповідає напрямку досліджень кафедри фізичної електроніки Херсонського державного технічного університету. Дисертаційне дослідження є складовою частиною комплексних державних науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і технологій України на 1997-1999рр. та координаційного плану Міністерства Освіти України з напрямку: "Термодинаміка, кінетика і механічні властивості твердих тіл, включаючи напівпровідники, при низьких температурах": тема б/д 3/97 “Мікромеханічні властивості напівпровідникових структур і сенсори тиску на їх основі”.

Мета і задачі дослідження полягає у визначенні взаємозв'язку між мікромеханічними властивостями, морфологією, структурною досконалістю гомо- і гетероепітаксійних структур на основі арсеніду галію та умовами їх отримання.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

1. Вивчити мікромеханічні характеристики підкладок монокристалічного GaAs, отриманих різними технологічними методами, із різною структурною досконалістю, включаючи підкладки з бездислокаційного монокристалу.

2. Вивчити залежність мікромеханічних характеристик гомоепітаксійних структур, вирощених із газової і рідкої фази, від технологічних умов вирощування: орієнтації, структурної досконалості і якості обробки поверхні підкладок.

3. Провести дослідження мікромеханічних характеристик гомоепітаксійних структур від умов їх вирощування: температури процесу, типу та концентрації легуючої домішки, типу розчинника та співвідношення компонентів у кристалізаційному середовищі.

4. Провести дослідження мікромеханічних характеристик гетероструктур із наявністю дислокацій невідповідності на гетеромежі, що виникають внаслідок розходжень параметрів кристалічних граток підкладки і шару.

5. Провести дослідження мікромеханічних характеристик гетероструктур із близькими параметрами кристалічних граток, але різним співвідношенням компонентів у кристалізаційному середовищі.

Об'єкт дослідження: гомо- та гетероепітаксійні структури на основі GaAs, отримані відкритим йодидним газофазним процесом та методом рідкофазної епітаксії.

Предмет дослідження: залежність мікромеханічних характеристик епітаксійних структур на основі GaAs від умов їх одержання, структурної досконалості та морфології поверхні.

Методи дослідження: При дослідженні механічних властивостей застосовувалися методи микроіндентування і склерометрія. Нанесення відбитків і подряпин проводилося пірамідою Віккерса на мікротвердомері ПМТ-3. Морфологія поверхні шарів і їх структурна досконалість досліджувалися за допомогою растрового електронного, інтерференційного і металографічного мікроскопів. Густина дислокацій і дислокаційної структури навколо відбитка індентора виявлялися методом селективного травлення з наступним спостереженням в оптичному мікроскопі. Склад твердих розчинів контролювався за допомогою фотолюмінесценції. Концентрація і рухливість носіїв заряду визначалися з вимірювань ефекту Хола при 77 К та 300 К.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

вперше досліджено мікромеханічні властивості бездислокаційних, легованих кремнієм, монокристалічних пластин арсеніду галію. Показано, що мікротвердість чутлива до зміни ступеню компенсації носіїв заряду;

досліджено механізм розвитку деформації в об'ємі гетероепітаксійної структури Ge-GaAs при дії зосередженого навантаження і вперше показано, що сітка дислокацій невідповідності, що присутні на гетеромежі, змінює напрямок розвитку деформації з площини (110) у площину (111);

розроблено нову методику дослідження руху дислокацій у полі механічних напруг у досліджуваних структурах із використанням газофазного травлення йодом.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

Виконані дослідження не лише покращують розуміння експериментальних результатів, але і дозволяють передбачити механізми розвитку руху дислокацій на межі поділу епітаксійний шар - підкладка в процесі вирощування структури. Отримані результати можуть застосовуваться при розробці та створенні структурно досконалих епітаксійних структур.

Особистий внесок здобувача наведено у наступних роботах:

1. Марончук И.Е., Сороколет С.Р., Марончук И.И. Особенности деформирования гетероструктур Ge-GaAs при действии сосредоточенной нагрузки // Письма в журнал технической физики. - 1998. - Т. 24, вып.12.- С. 46 - 49. (проведення процесів вирощування, дослідження мікромеханічних властивостей гетероструктур, підготовка матеріалу до публікації)

2. Лубяная М.Д., Сороколет С.Р., Шутов С.В. Свойства эпитаксиального арсенида галлия, полученного из растворов-расплавов на основе висмута // Письма в журнал технической физики. - 1996. - Т.22, вып.21. - С. 23 - 25. (дослідження структурної досконалості вирощених шарів, підготовка матеріалу до публікації)

3. Марончук И.И., Сороколет С.Р., Пилипенко Н.В. Микромеханические свойства бездислокационного GaAs (111), легированного Si // Вестник Херсонского государственного технического университета. - 1998. - №1(3). - С. 7 - 8. (дослідження мікромеханічних властивостей монокристалів, обгрунтування висновків, підготовка матеріалу до публікації)

4. Марончук А.И., Слободенюк А.В. Шорохов А.В., Шутов С.В., Сороколет С.Р. Понижение плотности дислокаций в эпитаксиальных слоях арсенида галлия при выращивании из расплава висмута // Вестник Херсонского государственного технического университета. - 1998. - №1(3). - С. 30 - 32. (проведення досліджень, обгрунтування висновків)

5. Миронченко А.Ю., Сороколет С.Р., Шутов С.В Особенности структуры эпитаксиальных слоев арсенида галлия, полученных из растворов-расплавов на основе висмута // Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии. - Херсон - 1996. - С.81 - 83. (проведення теоретичних та експериментальних досліджень, обгрунтування висновків)

6. Елисеев А.В., Самойлов Н.А., Сороколет С.Р., Шутов С.В. Получение эпитаксиальных структур кремния с минимальной толщиной переходной области подложка-слой // Материалы 7 Международного Симпозиума "Тонкие пленки в электронике". - М.-Йошкар-Ола. - 1996. - с. 315-320. (проведення теоретичних та експериментальних досліджень, підготовка тез доповіді)

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на VІ Міжнародному Симпозіумі “Тонкие пленки в электронике” (м.Херсон, 1995 р.), на VІІ Міжнародному Симпозіумі “Тонкие пленки в электронике” (м.Йошкар-Ола, 1996 р.), VIІІ Міжнародному Симпозіумі “Тонкие пленки в электронике” (м.Харків, 1997 р.), на VI Міжнародній конференції “Фізика і технологія тонких плівок” (м. Івано-Франківськ, 1997 р.), і на наукових семінарах кафедри фізичної електроніки ХДТУ в 1998р. і в 1999р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 друкованих наукових робіт: 6 статей в наукових журналах, 1 - в збірці наукових праць, 4 - тези доповідей на міжнародних конференціях і симпозіумах.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Дисертація викладена на 140 сторінках, містить 32 рисунків, 7 таблиць, 87 найменувань літературних джерел.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету роботи та задачі досліджень, показано наукову новизну та практичне значення результатів, наведені дані про апробацію наукових результатів, кількість публікацій за темою дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячений стислому огляду літературних джерел за темою дисертації. Представлено аналіз теоретичних і експериментальних робіт, присвячених вивченню впливу умов одержання гомо- і гетероепітаксійних структур на основі GaAs на їх мікромеханічні характеристики. Розглянуто питання про вплив дефектів на мікромеханічні властивості структур, механізми утворення і рух дислокацій через межу поділу підкладка - шар у гомо- і гетероструктурах. Зроблено висновок, що при розробці та реалізації технологічно досконалої методики вирощування епітаксійних структур недостатньо приділяється уваги питанню взаємного впливу технологічних умов отримання епітаксійних структур та мікромеханічних властивостей матеріалів, з яких проводитися вирощування.

У другому розділі наведено опис устаткування, матеріали та методики отримання епітаксійних структур на основі GaAs, а також методики дослідження морфології, структурної досконалості, складу, електрофізичних та мікромеханічних властивостей.

Процеси вирощування епітаксійних структур проводили газофазним та рідкофазним методами. Вирощування епітаксійних шарів із газової фази здійснювали у відкритому йодидному процесі в атмосфері очищеного водню. Вирощування з рідкої фази проводили у вертикально розташованому реакторі установки “Вега” методом примусового охолодження насиченого розчину-розплаву на підкладках GaAs різної орієнтації в атмосфері очищеного водню. Морфологія поверхні і товщина епітаксійних шарів вивчалися з використанням растрового електронного мікроскопу РЕМ-100У; інтерференційного мікроскопу МИИ-4 та металографічного мікроскопу ММУ-9.

Склад твердих розчинів AlxGa1-xAs визначався за допомогою фотолюмінесценції. Зміну складу по товщині визначали на косих шліфах із кутом нахилу шліфа до поверхні шару 8-100.

Електрофізичні характеристики епітаксійних шарів (концентрація, рухливість носіїв заряду) визначалися з вимірювань коефіцієнту Хола при температурах 77 К та 300К.

Мікромеханічні характеристики монокристалів і епітаксійних структур визначали за допомогою вимірювань мікротвердості досліджуваних структур. Нанесення відбитків і подряпин здійснювалося методами мікроіндентування і склерометрії на приладі ПМТ-3. Відбитки завдавалися пірамідою Віккерса з кутом при вершині 1360. Нанесення подряпин проводилося ребром піраміди.

Мікротвердість Н при мікроіндентуванні обчислювалася за формулою:

(1)

де Р- навантаження на індентор, d - діагональ відбитку.

Вимір мікротвердості проводили як на поверхні епітаксійного шару, так і в його об'ємі при пошаровому поліруванні. Дослідження були проведені на гранях (100), (111)A, (111)В та (110).

Пластичність і крихкість досліджуваних матеріалів вивчали з інтерферограм подряпин і відбитків. Анізотропію пластичної деформації і руйнації оцінювали по зміні відбитків, по лініях зсуву, двійниках і мікротріщинах, що виникають в області деформації, анізотропію крихкої руйнації - по числу тріщин навколо відбитка при одному й тому ж навантаженні на різних гранях.

При вирощуванні гетероструктур на межі поділу епітаксійний шар - підкладка виникають напруги, що призводять до деформації кристалічної структури. Розмір механічних напруг, пов'язаний з невідповідністю постійних кристалічних граток розраховувалася за формулою:

, де , (2)

де Е- модуль пружності,n - коефіцієнт Пуассона,

ап і ас- параметри кристалічних граток підкладки і шару.

Розмір механічних напруг, пов'язаний з розходженням коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів шару та підкладки розраховувався по формулі:

(3)

де періоди граток підкладки і епітаксійного шару при температурі вирощування; те ж, при температурі виміру;

середні значення періодів гратки підкладки і шару в досліджуваному інтервалі температур.

Для з'ясовування особливостей динаміки руху дислокацій в монокристалах і епітаксійних шарах при дії зосередженого навантаження використовувався розроблений метод вивчення руху дислокацій у полі залишкових напруг, шляхом високотемпературного травлення індентованої поверхні зразків парами йоду. Для проведення досліджень використовувалася установка газофазного вирощування. У реакторі розташовувались досліджувані зразки із попередньо нанесеними при кімнатній температурі відбитками. Після нагріву печі до температури пластичного плину матеріалу (4500-6000С) здійснювалось травлення зразків парами йоду протягом 5-30 хв. в атмосфері водню. Динаміка руху дислокацій вивчалась з розподілу ямок травлення на поверхні біля відбитка індентора.

У третьому розділі наведено результати досліджень параметрів гомоепітаксійних структур на основі GaAs в залежності від типу та ступеню легування, орієнтації, структурної досконалості і якості обробки поверхні підкладок арсеніду галію, а також від методів отримання та технологічних параметрів процесу вирощування цих структур.

Мікротвердість у залежності від орієнтації підкладки, виготовленої з кристалів нелегованого GaAs, вирощених методом Чохральского, змінювалась у ряду Н(111)А>Н(111)В>Н(100). Ця анізотропія мікротвердості може бути пов'язана з різноманітністю виходу a і b дислокацій на поверхню зразків.

Зміна розподілу мікротвердості уздовж діаметру підкладки співпадає зі зміною радіального розподілу дислокацій, залишкових механічних напруг та точкових дефектів і пояснюється розподіленням термічних напруг, виникаючих у кристалах у процесі росту методом Чохральского.

З ростом температури індентування в межах 20-5000С мікротвердість зменшується у 3,5 - 5 раз, що пов'язано з активізацією процесів руйнування з ростом температури. Легування арсеніду галію як акцепторними, так і донорними домішками суттєво зменшувало анізотропію пластичної деформації. Легування арсеніду галію донорними домішками призводило до зміцнення кристала, а акцепторними - до слабкої руйнації при концентраціях 1017-1018см-3. Явища зміцнення і руйнації, можуть бути пов'язаними з утворенням у досліджуваних кристалах великої концентрації комплексів, які складаються з атомів домішки і власних дефектів гратки, взаємна дія яких перешкоджає руху дислокацій.

Були проведені досліди мікромеханічних властивостей підкладок, виготовлених із бездислокаційного монокристалу арсеніду галію, легованого кремнієм до концентрації Nsi=1019см-3, який був вирощений методом спрямованої кристалізації. Наведено значення рухливості електронів m, їх концентрацію n, ступінь компенсації

К=NД/Ni

та мікротвердість Н для трьох підкладок, які були вирізані з початкового, середнього та кінцевого ділянок монокристалу бездислокаційного GaAs.

Як випливає з таблиці зміна мікротвердості по довжині монокристалу бездислокаційного GaAs легованого Si співпадає зі зміною ступеня компенсації та можуть бути пояснені збільшенням числа зв'язків Si - Si у площині спайності з ростом ступеня компенсації. Спектри фотолюмінесценції цих зразків підтверджують цю залежність.

На епітаксійних шарах, вирощених із газової фази у системі GaAs-I2-H2 на низькоіндексних площинах спостерігалися фігури росту, у вершинах яких були дефекти упаковування, двійникові ламелі, окремі дислокації або пучки дислокацій. На підкладках, орієнтованих по площинах (111)A, (111)B, (100) із точністю менше 10', морфологічно досконалі шари утворювалися на площині (111)B.

Епітаксійні шари, отримані на площинах, відхилених на 3-60 від граней (100) і (111), мали дзеркально-гладкий або хвилеподібний рельєф. При вирощуванні товстих шарів(більш 30-50 мкм) на їх поверхні спостерігалися фігури росту неправильної форми.

Розходження в морфології поверхонь епітаксійних шарів, вирощених із газової фази, на точно орієнтованих і разорієнтованих підкладках пов'язане з розходженням процесів вбудовування адсорбованих атомів у вирощуємий кристал. На поверхні підкладок, разорієнтованих менше, ніж на 10' від сингулярних площин, відстані між сходинками на поверхні, пов'язаними з разорієнтацією підкладки, істотно більше, ніж поверхнева дифузія адсорбованих атомів. Тому, дислокації з гвинтовою компонентої, розташовані перпендикулярно до поверхні підкладки, є ефективними стоками адсорбованих атомів, тобто в місцях розташування таких дислокацій відбувається прискорених ріст епітаксійного шару. Це призводить до утворення фігур росту на таких підкладках.

На підкладках, відхилених на 2-30, відстань між сходинками на поверхні менше, ніж довжина дифузії адсорбованих атомів і такі поверхні на всій площі підкладки мають високу ефективність стоку адсорбованих атомів. Тому в місцях виходу дислокацій фігури росту не утворюються і епітаксіальні шари на таких підкладках мають дзеркально-гладку поверхню.

При вирощуванні з рідкої фази на підкладках, орієнтованих у напрямку (100) із відхиленням менше 10', утворювалися епітаксійні шари з дзеркально-гладким рельєфом поверхні, фігури росту на якій були відсутні. Відхилення поверхні підкладок на 2-30 від площини (100) призводило до утворення епітаксійного шару з розвинутим рельєфом поверхні, який містить достатньо високу густину фігур росту, характерних для даної орієнтації поверхні.

Розходження в морфології шарів, вирощених із рідкої фази, на точно орієнтованих і разорієнтованих підкладках пов'язано з особливостями кристалізації з рідкої фази. У даному процесі енергія утворення зародку сорозмірна з енергією встроювання атомів у злам сходинки і відповідає переохолодженню Т=0,025 К. Низька енергія утворення зародку призводить до того, що в місцях виходу дислокацій на поверхню підкладки ефективний стік адсорбованих атомів не утвориться і, як слідство, не утворяться фігури росту.

Морфологія поверхні епітаксійних шарів значною мірою пов'язана з якістю обробки поверхні підкладок. Дослідження розподілу густини дислокацій показали, що в шарах арсеніду галію, вирощених на площині (111), та обробленої перед вирощуванням тільки в поліровальному травнику, при звичайному режимі вирощування густина дислокацій вище, чим у підкладці (до 106см-2), у той час як після хімічного та газового травлення, густина дислокацій у шарах, вирощених із газової фази була менше, ніж у підкладці (~102 - 103 см-2).

Радіальна зміна мікротвердості уздовж поверхні епітаксійних шарів суттєво залежала від морфології поверхні шару та мала випадковий характер при наявності розвинутого рельєфу. В шарах з гладкою поверхнею радіальний розподіл мікротвердості відповідав характеру розподілу мікротвердості в підкладці.

Значення мікротвердості епітаксійних шарів арсеніду галію, отриманих різноманітними методами й визначених при кімнатній температурі, не набагато відрізнялися від значень мікротвердості об'ємного матеріалу, отриманого кристалізацією стехіометричного розплаву. Більш суттєвою (таб. 2) була різниця мікротвердості шарів та монокристалів, якщо індентування здійснювалось при температурі 4000С. Виміри мікротвердості методом склерометрії також показали, що мікротвердість епітаксійних шарів приблизно в 1,3 - 1,5 разів менша мікротвердісті об'ємних кристалів.

Розходження мікротвердості об'ємних кристалів та епітаксійних структур свідчить про наявність різної структурної досконалості. Дійсно, ріст кристалів із стехіометричного розплаву здійснюється при температурі вище 12000С. Густина точкових дефектів у цьому випадку досягає 1019см-3. При вирощуванні епітаксійних шарів, у зв'язку з низькою температурою кристалізації (менше 8500С), область гомогенності звужується, що призводить до істотного зменшення концентрації точкових дефектів та їх скупчень. Розходження в значеннях мікротвердості епітаксійного й об'ємного арсеніду галію, може бути пов'язане з присутністю в них точкових дефектів різної концентрації.

Значення мікротвердості епітаксійних шарів арсеніду галію, отриманих при використанні різноманітних розчинників показують, що тип розчинника впливає на їх мікромеханічні властивості.

Вирощування цих шарів здійснювалося в рівних технологічних умовах. Отримані результати можна пояснити, якщо припустити наявність у досліджуваних епітаксійних шарах мікровключень розчину, із якого здійснювалося вирощування. Мікровключення галію знаходяться в рідкому стані при охолодженні вирощеного шару до температури 300С. Тому епітаксійний шар арсеніду галію, отриманий із розчину в розплаві галію, має малі залишкові механічні напруги, у порівнянні з епітаксійним шаром, отриманими з розчинів у розплавах вісмуту або олова, мікровключення яких затвердівають при більш високих температурах (вище 2000С). В зв'язку з тим, що коефіцієнт теплового лінійного розширення цих металів у твердому стані в 3 - 4 рази більший, ніж коефіцієнт теплового розширення арсеніду галію, в гратці арсеніду галію навколо мікровключень буде виникати пружна деформація розтягу, що буде призводити до зменшення мікротвердості.

При використанні вісмуту як металу-розчинника можливо одержання епітаксійних шарів GaAs, як із розчину стехіометричного складу, так і розчинів-розплавів, збагачених одним із компонентів, що кристалізуються, що особливо важливо при легуванні амфотерними домішками. Для насичення розчину-розплаву миш'яком у розплав вісмуту крім GaAs уводили InAs.

Дослідження впливу співвідношення компонентів розчину в розплаві Bi на мікромеханічні властивості отриманих епітаксійних шарів GaAs показали, що при невеликих концентраціях розчину в розплаві ( Ј 0,03) спостерігається різке зміцнення епітаксійного шару. При цьому густина дислокацій у епітаксійних шарах не перевищувала 1Ч103см-2 при густині дислокацій у підкладці GaAs порядку (1-3)Ч104 см-2. Із збільшенням вмісту InAs у розчині-розплаві мікротвердість зменшувалася і вже при співвідношенні і 0,07 мікротвердість епітаксійного шару була менше, ніж у зразків, отриманих із розчину-розплаву стехіометричного складу. Це пояснюється впливом In на енергію зв'язку між атомами, та як слідство - зміну мікротвердості.

Поряд із вивченням розподілу мікромеханічних і структурних характеристик по площі епітаксійних структур, були проведені також дослідження зміни цих характеристик по товщині.

Мікротвердість по товщині епітаксійного шару вимірювалася шляхом нанесення подряпини на косому шліфі структури, а також при пошаровому поліруванні епітаксійного шару. Мікротвердість, визначена методом склерометрії, у епітаксійному шарі арсеніду галію була в 1,3 рази нижче, чим в обсязі кристалу, та при наближенні до межі шар-підкладка її значення збільшувалось. Дослідження твердості р-n структури GaAs, легованому Si, показали, що мікротвердість чутлива до межі епітаксійний шар-підкладка. Збільшення твердості на межі пов'язано з підвищенням утримання точкових дефектів, густини дислокації і зміною концентрації носіїв заряду в цих областях.

Четвертий розділ присвячений дослідженню мікромеханічних характеристик і напруженого стана гетероструктур із наявністю сітки дислокацій невідповідності на гетеромережі (на прикладі Ge-GaAs), що виникає внаслідок розходжень параметрів кристалічних граток підкладки і шару, і гетероструктур із близькими параметрами кристалічних граток, але різноманітним співвідношенням компонентів у кристалізаційному середовищі (на прикладі AlxGa1-xAs-GaAs).

Дослідження деформованих областей на поверхні епітаксійних структур Gе-GaAs, показали наявність двох ортогональних систем макросходинок біля відбитка, утворених виходом матеріалу структури по чотирьох системах площин ковзання {111} на поверхню досліджуємой грані (001). Перша система ліній ковзання утворювала систему квадратів, сторони яких орієнтовані по напрямку [100] епітаксійного шару і збігалися з діагоналями індентора. Друга система квадратів була орієнтована по напрямку [110]. При повороті індентора щодо кристалографічних напрямків зразка характерні риси пластичної деформації біля відбитка зберігалися. Відмітною рисою був слабко виражений прояв однієї з двох сукупностей ліній ковзання в напрямку <100> і, або <110>.

Різниця в виявленні вказанних сукупностей ліній ковзання визначається, певне, розходженням властивостей a і b-дислокацій. Справа в тому, що сітка взаємно перпендикулярних дислокацій невідповідності складається з a і b-дислокацій. Причому, одна сукупність рівнобіжних дислокацій невідповідностей утворена a-дислокаціями, а перпендикулярна їй b-дислокаціями. Ці дислокації мають різні енергії активації їх рух і в умовах тих самих навантажень рухаються з різними швидкостями. Тому асиметрія дислокаційної картини біля відбитка має місце.

Утворення системи можна якісно пояснити, враховуючи особливості зміни механічних характеристик по товщині гетероструктури. Зроблений розрахунок показав, що розходження постійних граток GaAs і Ge у 0,08% і розходження коефіцієнтів термічного розширення рівне 0,5Ч10-7 створюють напруги невідповідності на гетеромежі, що складають 1,045Ч109 Па для германія і 0,917Ч109 Па для арсеніду галію. Дані напруги є достатніми для утворення в гетероструктурі об'ємних джерел Франка-Рида, що виникають при напругах менше 107 Па.

Системи ліній ковзання можуть бути пояснені виходом на поверхню дислокаційних петель, що утворюються при роботі об'ємного джерела Франка-Рида і розвиток деформації в обсязі гетероструктури відбувається за такою схемою. При дії зосередженого навантаження на грань (001) початковий розвиток деформації відбувається всередину структури по площинах {011} і {101}, розташованим до площини {001} під кутом у 450, а по площинах {} і {} дислокаційні петлі витісняються нагору. Розгортання системи ліній ковзання відбувається, по видимому, при досягненні гетеромежі. У зв'язку з тим, що бар'єр Пайерлса в арсеніді галію менше ніж у германія, дислокації невідповідності на гетеромежі розподіляються в арсеніді галію по {011} і {101}, зміцнюючи арсенід галію в цих площинах поблизу гетеромежі. Тому, поблизу гетеромежі розвиток деформації під дією зосередженого навантаження відбувається не у площинах {011} і {101} в підкладці, а у площинах {111}. Дислокації, які генерує об'ємне джерело Франка-Рида поширюються до поверхні гетероструктуры по площинах {}.

Слід зауважити, що вивчення пластичного руху матеріалу в гетероструктурах Ge-GaAs, при дії зосередженого навантаження, проводилися з використанням розробленої методики дослідження руху дислокацій у поле пружних напруг за допомогою травлення йодом індентованої поверхні зразка. У даному випадку травлення йодом дозволило виявити систему ліній ковзання біля відбитка, яку не можна було спостерігати після застосування звичайних методів дослідження: відпалу з послідуючим травленням.

Мікромеханічні властивості гетероструктур з малою різницею постійних граток підкладки та шару вивчались на прикладі гетероепітаксійної структури AlxGa1-хAs-GaAs. Дослідження розподілу густини дислокацій уздовж діаметра на гетероструктурах AlxGa1-хAs-GaAs показало, що густина дислокацій на поверхні епітаксійного шару в 3-5 разів менше, ніж на пластинах арсеніду галію. По товщині гетероструктуры густина дислокацій не перевищувала 5Ч104 см-2 і досягала екстремума на межі поділу епітаксійний шар-підкладка.

При високих температурах (~9000С), що відповідають температурному діапазону вирощування структур AlxGa1-xAs-GaAs методом рідинної епітаксії, спостерігається практично повна відповідність періодів граток підкладки і шару потрійного твердого розчину, який нарощується (при ХЈ0,4), тобто при цих температурах механічні напруги практично відсутні. У той же час у зв'язку з різницею температурної залежності коефіцієнтів лінійного розширення цих матеріалів при кімнатній температурі на гетеромежі виникає різниця постійних граток Dа=5Ч10-4 нм при Х=0,25, що призводить до напруг порядку 0,1 ГПа.

Зменшення довжини променів дислокаційних розеток по товщині епітаксійного шару, що спостерігається, також пояснюється різницею температурних залежностей коефіцієнтів лінійного розширення AlAs та GaAs. На епітаксійних шарах, які містять арсенід алюмінію більш 40% ця залежність не спостерігалася, що пов'язано з низькою структурною досконалістю цих шарів.

Додатковим джерелом напруг гетероструктур потрійних твердих розчинів AlxGa1-xAs є градіент складу по товщині епітаксійного шару. У цьому зв'язку були проведені виміри мікротвердості від складу твердого розчину. Виміри проводилися при кімнатній температурі і температурі рідкого азоту. При низькотемпературному індентуванні спостерігалося підвищення пластичності в області складів Х=0,35-0,4

Зміна мікротвердості від складу пояснюється руйнацією твердого складу при малому вмісту AlAs та послідуючим зміцненням при його збільшенні. Механізм його руйнації та зміцнення визначається співвідношенням ковалентної та іонної складової зв'язку в гратці твердого розчину, а також залежністю коефіцієнтів лінійного розширення AlAs та GaAs від температури.

Основні результати і висновки

1. Методами газофазного та рідкофазного вирощування були отримані эпитаксійні шари на основі GaAs і досліджені їх мікромеханічні характеристики методами мікроіндентування та склерометрії.

2. Розроблено і запропоновано новий метод високотемпературного травлення індентованих зразків парами йоду, що дозволяє стежити за переміщенням дислокацій у процесі їх руху за характерними ямками травлення.

3. Досліджено мікромеханічні характеристики об'ємних монокристалів GaAs, отриманих різними технологічними методами, які використовувались як підкладки різноманітної структурної досконалості, включаючи бездислокаційні монокристали. Вперше встановлено, що в бездислокаційному GaAs легованому Si мікротвердість залежить від ступеню компенсації.

4. Експериментально установлена залежність мікромеханічних характеристик гомоепітаксіїних структур, отриманих із газової і рідкої фази на підкладках GaAs, від технологічних умов вирощування: орієнтації, структурної досконалості і якості очищення поверхні підкладок, типу розчину і співвідношення компонентів у кристалізаційному середовищі. Показано, що зміна мікромеханічних властивостей на поверхні епітаксійного шару співпадає зі зміною структурної досконалості матеріалу підкладки і розподілом морфологічних недосконалостей на поверхні епітаксійного шару. Розглянуто механізми утворення поверхневих недосконалостей і методи одержання шарів, що не містять такі недосконалості.

5. На прикладі Ge-GaAs досліджені мікромеханічні характеристики гетероструктур із наявністю сітки дислокацій невідповідності на гетеромежі, що виникає внаслідок розходжень параметрів кристалічних граток підкладки та шару. Вперше встановлено, що при досягненні гетеромежі змінюється напрямок розвитку деформації в обсязі гетероструктури Ge-GaAs.

6. На прикладі AlxGa1-xAs-GaAs, вирощених у різних технологічних умовах, вивчені мікромеханічні характеристики гетероструктур із близькими параметрами кристалічних граток. Показано, що в залежності від вмісту AlAs в твердому розчині може спостерігатися як зміцнення, так і руйнація структури.

Список опублікованих праць

1. Марончук И.Е., Сороколет С.Р., Марончук И.И. Особенности деформирования гетероструктур Ge-GaAs при действии сосредоточенной нагрузки // Письма в журнал технической физики. - 1998. - Т. 24, вып.12.- С. 46 - 49.

2. Марончук И.Е., Журба А.М.,Сороколет С.Р. Эпитаксия монодоменных слоев YBa2Cu3O7-d из ограниченного объема растрова-расплава // Письма в журнал технической физики. - 1995. - Т. 21, вып.21. - С. 9-12.

3. Лубяная М.Д., Сороколет С.Р., Шутов С.В. Свойства эпитаксиального арсенида галлия, полученного из растворов-расплавов на основе висмута // Письма в журнал технической физики. - 1996. - Т.22, вып.21. - С. 23 - 25.

4. Марончук И.И., Сороколет С.Р., Пилипенко Н.В. Микромеханические свойства бездислокационного GaAs (111), легированного Si // Вестник Херсонского государственного технического университета. - 1998. - №1(3). - С. 7 - 8.

5. Миронченко А.Ю., Сороколет С.Р., Шутов С.В Особенности структуры эпитаксиальных слоев арсенида галлия, полученных из растворов-расплавов на основе висмута // Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии. - Херсон - 1996. - С.81 - 83.

6. Марончук И.Е., Журба А.М., Сороколет С.Р. Получение тонких монодоменных пленок ВТСП из ограниченного объема раствора-расплава // Тезисы докладов VІ Международного Симпозиума "Тонкие пленки в электронике". - Херсон. - 1995. - с. 216-218.

7. Кудрявцев Д.А., Марончук и.и., Сороколет С.Р. Движение дислокаций в поле остаточных механических напряжений в гетероструктурах // Труди VI Міжнародной конференції "Фізика і технологія тонких плівок". - Частина І. - Івано-Франківськ. -1997. - С. 38- -39.

8. Елисеев А.В., Самойлов Н.А., Сороколет С.Р., Шутов С.В. Получение эпитаксиальных структур кремния с минимальной толщиной переходной области подложка-слой // Материалы 7 Международного Симпозиума "Тонкие пленки в электронике". - М.-Йошкар-Ола. - 1996. - с. 315-320.

9. Семенов В.В., Сороколет С.Р., Шутов С.В. Особенности структурных и микромеханических свойств эпитаксиального арсенида галлия, выращенного из раствора в расплаве висмута // Труды украинского вакуумного общества. - Том 3. - Харьков. - 1997. - с. 310-312.

Анотація

Сєліверстова С.Р. Вплив технології вирощування на мікромеханічні властивості епітаксійних структур на основі GaAs. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. Херсонський державний технічний університет, м. Херсон, 2000 р.

У роботі наведені результати комплексних досліджень взаємного впливу мікромеханічних властивостей, морфології та структурної досконалості гомо- і гетероепітаксійних структур на основі арсеніда галлію з умовами їх отримання. Показано, що технологічні умови вирощування, а саме: температура процесу вирощування, орієнтація та структурна досконалість матеріалу підкладки, склад розчину при рідкофазній епітаксії, тип та концентрація домішки мають вплив на мікромеханічні властивості отриманих структур.

У роботі вперше досліджені підкладки GaAs, леговані Si, які не мали дислокацій. Показано, що мікротвердість чутлива до ступеню компенсації носіїв заряду. Розроблена нова методика спостереження переміщення дислокацій у полі механічних напруг. За допомогою цієї методики досліджено мікромеханічні властивості і напружений стан гетероструктур із наявністю сітки дислокацій невідповідності на гетеромережі (на прикладі Ge-GaAs), що виникає внаслідок розходжень параметрів кристалічних граток підкладки і шару та показано, що розвиток деформації у гетероструктурі Ge-GaAs змінює свій напрямок при досягненні гетеромежі. Дослідження напруженого стану гетероструктур із близькими параметрами кристалічних граток, але різноманітним співвідношенням компонентів у кристалізаційному середовищі (на прикладі AlxGa1-xAs-GaAs) показали, що низькотемпературному індентуванні спостерігається підвищення пластичності в області складів Х=0,35-0,4. Отримані результати можуть бути придатними для створення більш досконалих епітаксійних структур.

Ключові слова: технологія вирощування, гомо- та гетероепітаксійні структури, умови отримання, гетеромежа, мікромеханічні властивості, мікротвердість.

Аннотация

Селиверстова С.Р. Влияние технологии выращивания на микромеханические свойства эпитаксиальных структур на основе GaAs. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники. Херсонский государственный технический университет, г. Херсон, 2000 г.

В роботе приведенные результаты комплексных исследований взаимного влияния микромеханических свойств, морфологии и структурного совершенства гомо- и гетероэпитаксиальных структур на основе арсенида галлия и условий их получения. Показано, что технологические условия выращивания эпитаксиальных структур, а именно: температура процесса выращивания, ориентация и структурное совершенство материала подложки, состав раствора при жидкофазной эпитаксии, тип и концентрация примеси, влияют на микромеханические свойства полученных структур.

Исследованы микромеханические характеристики объемных монокристаллов GaAs, используемые в качестве подложек. Изучались пластины различного структурного совершенства, включая бездислокационный монокристаллический GaAs. Впервые установлено, что в бездислокационном GaAs, легированном Si, микротвердость зависит от степени компенсации. Показано, что изменение микромеханических свойств на поверхности эпитаксиального слоя соответствует изменению структурного совершенства материала подложки и распределению морфологических несовершенств на поверхности эпитаксиального слоя. Рассмотрены механизмы образования поверхностных несовершенств и методы получения слоев, не содержащих такие несовершенства.

На примере Ge-GaAs исследованы микромеханические характеристики гетероструктур с наличием сетки дислокаций несоответствия на гетерогранице, возникающей вследствие различий параметров кристаллических решеток подложки и слоя. Разработана и предложена новая методика изучения перемещения дислокаций в поле механических напряжений, с помощью высокотемпературного травления индентированных образцов парами йода. При помощи данной методики впервые экспериментально была выявленная система линий скольжения на поверхности гетероструктуры Ge-GaAs. Установлено, что при достижении гетерограницы изменяется направление развития деформации в объеме гетероструктуры Ge-GaAs.

На примере AlxGa1-xAs-GaAs, выращенных в различных технологических условиях, изучены микромеханические характеристики гетероструктур с близкими параметрами кристаллических решеток, но различным соотношением компонентов в кристаллизационной среде. Установлено, что изменение состава в объеме гетероструктуры AlxGa1-xAs-GaAs влияет на напряженное состояние гетероструктуры, о чем свидетельствует изменение значений микротвердости. Замечено, что в области составов Х=0,35-0,4 при низкотемпературном индентировании наблюдалось повышение значений микротвердости.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологии и создании структурно более совершенных эпитаксиальных структур.

Ключевые слова: технология выращивания, гомо- и гетероэпитаксиальные структуры, условия получения, гетерограница, микромеханические свойства, микротвердость.

Annotation

Seliverstova S.R. Influence of growing technology on micromechanical properties of epitaxial structures based on GaAs.- Manuscript.

Dissertation for candidate's degree by specialty 05.27.06 - technology, equipment and production of electronic technique. - Kherson State Technical University, Kherson, 2000.

The results of complex investigations of mutual influence of micromechanical properties, morphology and structural perfection of homo- and heteroepitaxial structures based on GaAs and their growing conditions are adduced in the manuscript. It was shown that technological growing conditions, namely: growth process temperature, orientation and structural perfection of substrate material, solution composition in liquid phase epitaxy, type and concentration of impurities influence upon micromechanical properties of the structures obtained.

Dislocation-free substrates of GaAs were investigated in the work for the first time. A novel technique for observing dislocation movement in the mechanical strain field was worked out. For the first time a system of sliding lines on Ge - GaAs heterostructure surface was revealed experimentally by this technique. Investigation of a strained state of the heterostructure showed that deformation distribution changed its direction at reaching heteroboundary. The results obtained can be used for creating more perfect epitaxial structures.

Key words: growing technology, homo- and heteroepitaxial structures, growing conditions, heteroboundary, micromechanical properties, microhardness.

Размещено на Allbest.ru