Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

Керування умовами гетероепітаксійного росту з рідкої фази у неізоперіодній системі GaSb/InAs

Баганов Євген Олександрович

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Шутов Станіслав Вікторович, завідувач кафедри енергетики та електротехніки, Херсонський національний технічний університет

Офіційні опоненти: доктор фіз-мат. наук, професор Москвін Павло Петрович, Житомирський державний технологічний університет, завідувач кафедри фізики.

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Краснов Василь Олександрович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.

Провідна установа: Національний університет „Львівська політехніка”, Міністерства освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “ 16 ” лютого 2007 року о 1615 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: пр. Науки 41, Київ, 03028 .

Автореферат розісланий “ 13 ” січня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.ф.-м.н. О.Б. Охріменко

Актуальність теми. В останні роки багато уваги привертають приладові структури на гетеропереходах ІІ типу, зокрема, на основі гетеропари InAs-GaSb. Особливістю такого переходу є те, що заборонені зони матеріалів не перекриваються і розрив зони провідності і валентної зони відбувається в одну сторону. Гетеропереходи ІІ роду є перспективними для реалізації тунельних діодів без необхідності сильного легування матеріалу. Надґратки GaSb/InAs використовуються для створення високочутливих ІЧ фотоприймачів, що альтернативні аналогічним приладам на твердих розчинах Hg1-xCdxTe. Явище інтерфейсної люмінесценції, що спостерігається у твердих розчинах цих гетеропереходів, знайшло застосування у тунельних світлодіодах та лазерах.

У квантових каскадних лазерах з використанням гетеропереходів InAs-GaSb для довжини хвилі лазерного випромінювання 4 мкм був досягнутий квантовий вихід більш ніж 200% з пороговим струмом - 130А/см2. Джерела світла, що працюють на переходах зона-зона в гетероструктурах ІІ типу мають значну перевагу над каскадними та звичайними міжзонними лазерними структурами, у першу чергу, за рахунок зменшення струмів витоку та усунення релаксації на оптичних фононах. Такі структури дозволяють отримувати довгохвильове випромінювання, параметри якого вже не залежать від ширини забороненої зони, тобто виникає можливість перекрити вікна прозорості атмосфери, що практично важливо для технологій телекомунікацій та локації.

Порівняно із методами молекулярно-променевої епітаксії та методами газофазної епітаксії епітаксія з рідкої фази займає виграшне положення у таких важливих критеріях як продуктивність, ціна устаткування та малі витрати на систему захисту навколишнього середовища. Також рідкофазна епітаксія забезпечує найбільш близькі до рівноважних умови кристалізації, що позитивно впливає на кристалічну якість епітаксійних шарів. Однак станом на сьогодення застосування більшості існуючих методів рідкофазної епітаксії значно обмежено для гетероепітаксії у системах навіть з невеликою невідповідністю матеріалів за сталою ґратки, однією з яких є система GaSb-InAs. Також значна інерційність процесу епітаксії у переважній більшості існуючих методів значно обмежує можливість отримання тонких епітаксійних шарів.

Зазначені вище проблеми призводять до того, що для виготовлення приладів, основаних на неізоперіодних тонких гетероепітаксійних структурах застосовуються більш дорогі методи епітаксії з газової фази або молекулярно-променева епітаксія. Це визначає актуальність і практичну значимість проблеми можливості використання рідкофазної епітаксії для отримання тонких шарів у неізоперіодній системі GaSb-InAs, якій присвячено дисертацію.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною планових досліджень кафедр: фізичної електроніки та енергетики - держбюджетна тема БД 3/00 “Високовольтні фотоелектричні перетворювачі слабкоконцентрованого сонячного випромінювання на основі кремнію та сполук А3В5”, номер державної реєстрації 0100U001099, рішення експертної Ради МОН України, протокол від 04.11.1998; загальної та прикладної фізики за господарчім договором № 6/2005 “Розробка методики отримання тонкоплівкових структур методом перекристалізації в градієнті температур”; енергетики та електротехніки - держбюджетна тема БД 3/06 “Перехідні процеси та самоорганізація при кристалізації в умовах розбіжностей кристалохімічних параметрів матеріалів”, номер державної реєстрації 0106U004199, наказ МОН України № 654 від 16.11.2005.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є встановлення необхідних технологічних режимів і реалізація відповідного керування умовами росту при гетероепітаксії з рідкої фази тонких планарних шарів GaSb на неізоперіодній підкладці InAs з різкою межею розділу. Для досягнення зазначеної мети вирішувалися наступні задачі:

1. Встановити технологічні умови забезпечення стійкості підкладки InAs при контакті з нерівноважним розчином розплавом Ga+Sb, визначити вплив пружних напружень на початкові стадії гетероепітаксії в системі GaSb-InAs для отримання тонких планарних шарів GaSb на неізоперіодній підкладці InAs з різкою межею розділу.

2. На основі аналізу нестаціонарних процесів тепло- та масопереносу визначити можливості керування умовами росту, розробити і реалізувати технологічні режими отримання планарних гетероепітаксійних шарів GaSb на InAs при РФЕ методом імпульсного охолодження насиченого розчину-розплаву;

3. Розробити методику та технологічне оснащення для забезпечення можливості безперервного керування умовами росту гетероепітаксійних шарів з рідкої фази як на початкових стадіях, так і на протязі усієї епітаксії.

4. На основі математичного моделювання нестаціонарних процесів тепло- та масопереносу визначити можливості керування умовами росту, розробити та практично реалізувати технологічні режими отримання планарних гетероепітаксійних шарів GaSb на неізоперіодній підкладці InAs при застосуванні охолодження підкладки потоком газу.

Об'єкт дослідження: процеси кристалізації в умовах розбіжностей кристалохімічних параметрів матеріалів.

Предмет дослідження: процеси тепломасопереносу і умови росту при гетероепітаксії з рідкої фази, гетероепітаксійні структури GaSb/InAs.

Методи досліджень:

- математичне та комп'ютерне моделювання термодинамічної рівноваги підкладки InAs при контакті з розчином-розплавом GaSb в ізотермічних і неізотермічних умовах, а також процесів тепломасопереносу при вирощуванні гетероепітаксійних шарів;

- моделювання за допомогою системи комп'ютерної математики Maple 8.0 розподілу напружень у гетероструктурі GaSb/InAs при виникненні сітки дислокацій невідповідності;

- оптична мікроскопія отриманих гетероепітаксійних шарів при різних умовах кристалізації, фотолюмінісценція.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що

- Вперше запропоновано використання охолодження підкладки потоком газу для керування процесом епітаксії з рідкої фази, розроблено та експериментально перевірено модель тепломасопереносу для керування процесами епітаксійного росту за допомогою зміни теплових потоків у підкладці;

- Дістали подальший розвиток уявлення про вплив технологічних параметрів при імпульсному охолодженні насиченого розчину-розплаву на можливості керування умовами кристалізації епітаксійного шару;

- Визначено значення контактного переохолодження розчину Sb у розплаві Ga (3,5 єС і 4,7 єС для орієнтацій (100) та (111) відповідно), що забезпечує стійкість підкладки арсеніду індію до насиченого по стибію розплаву галію при температурі 450 оС;

- Розвинуто енергетичний підхід для визначення критичної товщини утворення сітки дислокацій невідповідності. За допомогою моделювання розподілу напружень у гетероепітаксіальній структурі GaSb/InAs при наявності сітки дислокацій невідповідності визначені критичні товщини епітаксійного шару стибніду галію (50 нм для орієнтації (100) та 55 нм для орієнтації (111) при утворенні крайових дислокацій та 70-75 нм при утворенні 60є похилих дислокацій), які значно ближче до відомих експериментальних даних, ніж отримані за формулою Метьюза-Блейкслі;

- Вперше визначено величини необхідного переохолодження розчину-розплаву у процесі росту (5,8 єС для орієнтації (100) та 7,8 єС для орієнтації (111)) і швидкості росту епітаксійного шару GaSb на підкладках InAs (2,5-3,5 нм/с для орієнтації (100), 22-31 нм/с для орієнтації (111)) під час гетеро-епітаксії з рідкої фази, що мають бути присутні до релаксації механічних напружень в епітаксійному шарі для забезпечення планарної поверхні останнього при температурі початку епітаксії 450 єС.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Достовірність і обґрунтованість наукових положень, що містяться у роботі, підтверджуються коректною і реальною постановою задачі, використанням апробованого математичного апарату теорії тепломасообміну, теорії пружності і математичної фізики. Одержані теоретичні і експериментальні результати добре узгоджуються між собою, а також з даними інших авторів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- Запропоновано нову методику рідкофазної епітаксії, що використовує охолодження підкладки потоком газу і надає змогу керувати тепловими потоками у підкладці та, як наслідок, умовами росту як на початкових стадіях, так і на протязі усієї епітаксії. Практично реалізовано касету для застосування цієї методики. Розроблені математична модель і комп'ютерний алгоритм процесів тепломасопереносу дозволили встановити можливості керування процесом епітаксії та визначити технологічні параметри процесу. Розроблено математичну модель та комп'ютерний алгоритм процесів тепломасопереносу при використанні методу імпульсного охолодження насиченого розчину-розплаву, що дозволяє отримувати значення технологічних параметрів процесу для керування умовами епітаксії.

- Розроблено методики і комп'ютерні алгоритми розрахунку: початкового переохолодження розчину розплаву Ga+Sb, що запобігає розчиненню підкладки InAs (впроваджено у дослідному виробництві ДП „Багіра” ВАТ „Чисті метали”: Акт про впровадження від „06” червня 2006 р); значення критичної товщини утворення сітки дислокацій невідповідності при гетероепітаксії GaSb/InAs, яка відповідає релаксації пружних напружень у гетеросистемі. Визначені і практично перевірені умови, що забезпечують планарність росту гетероепітаксійного шару GaSb на підкладках InAs в присутності пружних напружень в епітаксійному шарі.

- Методики розрахунку та принципи моделювання розподілу напружень та процесів тепломасопереносу використовуються у навчальному процесі при вивченні дисципліни „Математичні методи і моделювання (у розрахунках на ЕОМ)” та „Спеціальні розділи математичної фізики” на кафедрі енергетики та електротехніки Херсонського національного технічного університету (Акт впровадження від „29” травня 2006 р).

Особистий внесок здобувача. Основні результати, отримані в роботі, належать авторові і опубліковані у роботах [1-23]. У роботах, виконаних у співавторстві, особисто Баганову Є.О. належать такі наукові результати: визначення умов стійкості підкладки InAs при контакті з розчином Sb у розплаві Ga [1, 3, 17, 18]; розробка математичної моделі та комп'ютерної програми розрахунку процесів тепломасопереносу при використанні методу імпульсного охолодження насиченого розчину-розплаву та визначення технологічних режимів для гетероепітаксії GaSb/InAs [2, 3, 8, 13 - 18, 20]; розробка моделі і реалізація комп'ютерного алгоритму розрахунку розподілу напружень у гетеросистемі [4, 19, 20] та визначення умов росту і технологічних режимів, що забезпечують планарність гетероепітаксійного шару GaSb на підкладках InAs [5, 8, 20, 21], проведення вирощування [20]; теоретично обґрунтовано необхідність повторів циклів епітаксії у методі імпульсного охолодження насиченого розчину-розплаву [9], запропонування введення у методі ІОНРР шару газу контрольованої товщини між підкладкою та теплопоглиначем та теоретичне обґрунтування наявності оптимальної для відтворюваності шарів товщини цього шару [10]; запропонування нового методу РФЕ з охолодженням підкладки потоком газу, що подається ззовні [11], проект та практична реалізація касети зі спеціальним тепловим вузлом для застосування цього методу [12], розробка математичної моделі та комп'ютерної програми розрахунку процесів тепломасопереносу при використанні зазначеного методу, розрахунок режимів та проведення вирощування [6, 7, 21 - 23].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на науково-технічних конференціях і форумах: 4-та, 7-ма Міжнародні науково-практичні конференції “Современные информационные и электронные технологии” (Одеса, 2003, 2006 рр.), 5-та, 6-та Міжнародні конференції ”Рост монокристаллов и тепломассоперенос” (Обнинськ, Росія, 2003, 2005 рр.), Всеукраїнська конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Еврика-2003” (Львів, 21-23 травня, 2003), Відкрита Всеукраїнська Конференція молодих вчених та науковців “Сучасні питання матеріалознавства”. (Харків, 9-13 вересня 2003 р.), 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, (Paris, France, 7-11 June, 2004), 14th "International Conference on Crystal Growth" (Grenoble, France, 22 July, 2004), X Міжнародна конференція з фізики та технології тонких плівок МКФТТП-X (Івано-Франківськ, 16-21 травня 2005 р.), Російський Науковий Форум “Демидовские чтения”, "Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии", (Москва, Росія, 25-28 лютого 2006 р), Spring-Meeting of the German Physical Society, (Dresden, Germany, 27 - 31 March, 2006).

Публікації. За темою дисертації було опубліковано 23 наукові роботи, у тому числі 8 статей у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України, 4 патенти України, 11 робіт у матеріалах і тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг роботи складає 178 сторінок. Робота містить 45 рисунків, 10 таблиць, 6 додатків. Список використаних джерел складає 221 найменування.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, сформульована мета роботи та її практична цінність, вказана наукова новизна та практичне значення отриманих результатів. Зазначено особистий внесок здобувача, подано перелік конференцій, на яких оприлюднені результати наукових досліджень.

У першому розділі розглянуто особливості зонної структури та галузі застосування гетеропереходів другого роду на основі системи GaSb-InAs. Основною властивістю зазначеного гетеропереходу є те, що валентна зона широкозонного напівпровідника (GaSb) енергетично розташована вище зони провідності вузькозонного (InAs) таким чином, що зона провідності InAs перекривається з валентною зоною GaSb. Показано, що ця гетеропара є перспективною для реалізації низки приладів мікро- та оптоелектроніки.

Основною технологією отримання бінарних гетеропереходів GaSb-InAs на сучасному етапі є молекулярно-променева епітаксія та газофазна епітаксія з парів металоорганічних сполук. Разом із тим у багатьох роботах зазначається, що порівняно із зазначеними методами цілу низку переваг має епітаксія з рідкої фази (РФЕ), серед яких висока структурна досконалість матеріалів, простота та низька вартість обладнання, висока продуктивність, а також відсутність високотоксичних матеріалів у технологічному процесі. Однак застосування РФЕ до системи GaSb-InAs обмежується тільки ізоперіодними до підкладки твердими розчинами InxGa1-xAsySb1-y.

Проаналізовано особливості РФЕ у неізоперіодній системі GaSb-InAs, такі як можливість часткового розчинення підкладки при ізотермічному контакті із нерівноважним до неї розчином-розплавом, вплив механічних напружень в епітаксійному шарі на умови росту. Показано, що різка зміна умов кристалізації при релаксації пружних напружень у гетероепітаксійному шарі вимагає від методу епітаксії можливості керування процесом на субмікронному рівні для забезпечення квазірівноважних умов росту. Проаналізовано особливості кристалізації і обґрунтовано вибір 450 єС в якості початкової температури для епітаксії тонких шарів GaSb.

Розглянуто основні методи РФЕ, які дозволяють отримувати тонкі епітаксійні шари. Проаналізовано їх переваги і недоліки. З ряду методів виділений метод імпульсного охолодження насиченого розчину-розплаву (ІОНРР), як такий, що дозволяє керувати умовами епітаксії при субмікронних товщинах шарів. Показано, що цей метод також не є оптимальним.

Аналіз наведених в огляді літературних даних показав, що відсутні дані про технологічні умови, що дозволяють забезпечити одночасно стійкість підкладки арсеніду індію при контакті з бінарним розчином-розплавом Ga+Sb і кристалізацію бінарного епітаксійного шару, тобто значення контактного переохолодження у цій системі. Теоретичні розрахунки критичної товщини утворення сітки дислокацій невідповідності для гетеропари GaSb/InAs значно відрізняються від експериментальних результатів. Не існує ефективного методу РФЕ, що дозволяє швидко і прецизійно керувати умовами росту впродовж усього процесу епітаксії.

Вирішення проблеми гетероепітаксії GaSb/InAs з рідкої фази зводиться до розрахунку умов, що забезпечують кристалізацію планарних гетероепітаксійних шарів, визначення відповідних технологічних умов і їх реалізації відповідним керуванням у процесі епітаксії.

Другий розділ присвячений опису установок та касет для вирощування структур, наведено режими передепітаксійної обробки підкладок та матеріалів, а також методику виготовлення і дослідження гомоепітаксійних модельних структур p-GaAs/n-GaAs, p-GaSb/n-GaSb та гетероепітаксійних структур GaSb/InAs.

Процеси вирощування структур здійснювали у горизонтально розташованому реакторі установки РФЕ “Вега” з використанням касет слайдерного типу при застосуванні методів ІОНРР та запропонованого і захищену Патентом України № 14281 методу епітаксії при охолодженні підкладки потоком газу, що подається ззовні реактора.

Сутність методу ІОНРР полягає у наступному. Створення переохолоджень на фронті кристалізації досягається внаслідок теплообміну між підкладкою і теплопоглиначем (ТП), що має вигляд графітової пластини товщини zA, яка початково розташована у зоні реактора з температурою ТА0, нижчою за температуру насичення розчину-розплаву Тf, а при епітаксії розміщується над тильною стороною підкладки. Теплообмін здійснюється через шар технологічного газу контрольованої товщини ДzA, що дорівнює відстані між підкладкою та ТП. Після проведення кристалізації ТП повертається до зони реактора з температурою ТА0. Описані операції становлять один цикл ІОНРР.

Наведено запропоновану і захищену Патентом України № 14302 конструкцію установки, яка містить касету з додатковим тепловим вузлом для використання методу епітаксійного вирощування при охолодженні підкладки потоком газу, що надається ззовні реактора.

Установка працює наступним чином. У касеті 1, що складається із нерухомої основи 2, слайдера 3, рух якого обмежується напрямними 4, у комірках для розчинів-розплавів 5, які знаходяться у слайдері, розміщуються вихідні матеріали для розчинів-розплавів, причому жодна з комірок не розташована над підкладкою 6. Після компонування касета розміщується на підставках 7 у кварцовому реакторі 8, фіксується кварцовим упором 9 та термопарною трубкою з термопарою 10. Реактор закривається запірним пристроєм 11. Через газопровідні кварцові трубки 12, 13 у реакторі створюється атмосфера технологічного газу. Реактор розміщується у трисекційній печі 15. Після процесу гомогенізації по досягненні температури початку епітаксії, що контролюється термопарою 10, за допомогою штока 16 виконують переміщенням слайдера до сполучення розчину-розплаву з підкладкою. Ззовні крізь газопровід 14 та штуцер 17 у теплообмінник контрольовано подається газ-охолоджувач, що має однаковий хімічний склад з технологічним газом, який охолоджує підкладку та виходить через систему каналів 18, що утворюється графітовим вкладишем 19. Кварцова пластина 20 напрямляє газ уздовж підкладки та зменшує товщину його потоку для більш ефективної теплопередачі між підкладкою та газом-охолоджувачем. Після проведення охолодження газопровід 14 перекривають, а слайдер розміщують таким чином, щоб підкладка не мала контакту з жодною з комірок. В якості технологічного газу і газу-охолоджувача використовувався гідроген.

Вивчення морфології поверхні та відколів епітаксійних структур, вимірювання товщини епітаксійних шарів проводили за допомогою металографічного мікроскопу МЕТАМ та інтерференційного мікроскопу МИИ-4. Фотолюмінісцентні дослідження епітаксійних структур проводились за стандартною методикою з використанням гелій-неонового лазера ЛГ-112 та одноґраткового монохроматора МДР-3 з дифракційною ґраткою 300 штр/мм. Для детектування застосовувалися фотоопір PbS, та фотоелектронний помножувач ФЭУ-62. Також наведені методи та засоби, що були використані для комп'ютерного моделювання.

У третьому розділі теоретично розглядаються основні проблеми, які виникають під час формування гетероструктур GaSb/InAs методами РФЕ і можливі шляхи їх вирішення

Розроблено і реалізовано алгоритм для визначення термодинамічної стійкості підкладки до розчину-розплаву за ізо- і неізотермічних умов їх контакту, що ґрунтується на аналізі віртуальних процесів розчинення (збурення системи) та кристалізації (релаксації системи). У моделі розчин-розплав розглядався у регулярному наближенні, використовувалися рівняння когерентної діаграми станів, що надало змогу врахувати невідповідність матеріалів за сталою ґратки та орієнтацію підкладки.

На основі розробленої моделі проаналізовано термодинамічну стійкість підкладки InAs при її ізотермічному контакті з розчином Sb у розплаві Ga, насиченим відносно підкладки GaSb, в залежності від орієнтації підкладки і величини збурення системи. Показано, що для даної системи у незалежності від орієнтації підкладки та взагалі наявності неузгодженості за сталою гратки, при ізотермічному контакті спочатку повинні спостерігатися процеси розчинення підкладки, а склад захисного шару, що кристалізується після цього, практично не містить індію (~10-7 ат. частки). На основі аналізу впливу механічних напружень зроблений висновок про високу ймовірність просторово розділених процесів травлення підкладки і кристалізації захисного шару, що призводить до острівцевої форми епітаксійного шару.

При вирощуванні бінарних епітаксійних шарів відсутність процесів розчинення підкладки може забезпечуватися тільки початковим переохолодженням рідкої фази відносно температури її насичення. Результати розрахунків для підкладки орієнтацією (100) та (111) показали, що контактне переохолодження становить 3,5±0,1 єС для орієнтації підкладки (100) і 4,7±0,1 єС для орієнтації підкладки (111) при температурі контакту 450 єС.

Визначення критичної товщини утворення сітки дислокацій невідповідності було проведено шляхом моделювання розподілу механічних напружень в структурі GaSb/InAs при наявності сітки крайових дислокацій невідповідності за методом скінченних елементів. Порівнянням енергії такої структури з енергією бездислокаційного напруженого епітаксійного шару, були отримані значення критичної товщини: 50 нм для епітаксійних шарів GaSb, що кристалізуються на підкладці InAs з орієнтацією (100), та 54 нм у випадку підкладки з орієнтацією (111). Оцінка значення критичної товщини за зменшенням релаксації пружної енергії у випадку утворення сітки 60є дислокацій складає 70-75 нм.

Розраховані величини необхідного переохолодження розчину-розплаву в процесі росту напруженого епітаксійного шару, яке б компенсувало підвищення хімічного потенціалу у твердій фазі з урахуванням зменшення концентрації атомів стибію біля фронту кристалізації. Переохолодження становлять 7,8 єС та 5,8 єС для орієнтацій (111) й (100) відповідно.

Розглянуто можливість релаксації механічних напружень шляхом збурення планарності поверхні епітаксійного шару за гармонічною моделлю форми збурень. Оцінки часу розвитку процесу збурення показали, що при рості на підкладці орієнтацією (100) збурення розвивається за 22 с, а на підкладці орієнтацією (111) - за 2,5 с. Так як при виникненні дислокацій невідповідності напруження у системі знімаються, і зникають рушійні сили для збурення поверхні, то критична товщина утворення сітки дислокацій невідповідності повинна бути досягнута за час, менший ніж час розвитку збурення. Тоді мінімальні швидкості росту для сітки крайових дислокацій становлять 22 нм/с для орієнтації (111) та 2,5 нм/с для орієнтації (100), а для 60є дислокацій - 31 нм/с для орієнтації (111) та 3,5 нм/с для орієнтації (100). Загальні умови для вирощування планарних гетероструктур GaSb/InAs для орієнтації підкладки (111) складають

7,8 єС ?ДТ<12 єС, dh/dt ? 22-31 нм/с при h ? 50ч75 нм, (1, а)

а для орієнтації (100)

5,8 єС ?ДТ<12 єС, dh/dt ? 2,5-3,5 нм/с при h ? 55ч75 нм, (1, б)

де h - товщина епітаксійного шару, t - час епітаксії, ДТ - переохолодження роз-чину-розплаву відносно температури насичення. Обмеження переохолодження зверху (12 єС) відповідає початку гомогенного зародкоутворення у системі.

У четвертому розділі проводиться аналіз можливості керування епітаксійним процесом для реалізації умов (1) при використанні методу ІОНРР. За допомогою математичного моделювання процесів тепломасопереносу теоретично отримані залежності температури на фронті кристалізації та товщини епітаксійного шару від часу, що відповідають умовам (1). Показано, що при задоволенні умови підтримання достатнього переохолодження у системі автоматично забезпечуються і умови, що накладаються на швидкість росту.

Визначено, що одним з найбільш впливових параметрів на процеси тепло-масообміну в процесі ІОНРР є відстань ДzA між теплопоглиначем і підкладкою. Розрахунки чутливості товщини епітаксійного шару до можливого відхилення температури теплопоглинача від очікуваних значень показали, що для кращої відтворюваності результатів відстань ДzA треба обирати у діапазоні 2 - 5 мм.

Для перевірки коректності моделі тепломасопереносу був проведений гомоепітаксійний ріст р-GaSb/n-GaSb. Кожний експеримент складався з 10 циклів ІОНРР і вимірювалася загальна товщина шару на відколі структури. Різниця між експериментальними та теоретичними значеннями товщини епітаксійного шару не перебільшувала 12%, що підтверджує коректність моделі процесів тепломасопереносу.

Експериментальна перевірка умов гетероепітаксійного росту була проведена як для глибоких переохолоджень у кожному циклі ІОНРР (максимальне переохолодження у кожному імпульсі ДTmax >7 єС), так і для комбінації глибокого переохолодження при вирощуванні захисного шару і малих переохолоджень (ДTmax < 3 єС) при повторенні циклів ІОНРР для збільшення товщини епітаксійного шару, коли ріст відбувається в умовах, наближених до гомоепітаксійного росту.

Дослідження відколів структур у експериментах з глибоких переохолоджень показали, що у результаті проведення дев'яти циклів ІОНРР товщина шару на підкладці (100) сягала 5,1±0,2 мкм, а на підкладці (111) - 3,2±0,2 мкм, що відповідає товщині, що осаджується за один цикл ІОНРР, відповідно 0,56±0,022 мкм та 0,33±0,022 мкм при очікуваній товщині 0,51 мкм. Менша за очікувану товщина епітаксійного шару на підкладці орієнтацією (111) пояснюється кінетично обмеженим механізмом кристалізації, а не дифузійно обмеженим, який реалізується на грані (100) і був застосований при моделюванні. Оптичні дослідження відколів показали, що гетеромежа структур планарна і не містить макровключень розчинника. У спектрах фотолюмінесценції структур були відсутні смуги випромінювання, характерні для твердих розчинів GaAsуSb1-у, що підтверджує відсутність розчинення підкладки на початкових стадіях росту і коректність розрахованих переохолоджень.

Результати гетероепітаксійного росту, що здійснювався послідовною комбінацією цикла з глибоким переохолодженням (ріст захисного шару) і наступних циклів з малими переохолодженнями були порівняні з результатами гетероепітаксії без вирощування початкового захисного шару. Типова морфологія поверхонь структур наведена (з вирощуванням захисного шару) та (без вирощування захисного шару), на якому спостерігається чітко виражений острівцевий ріст.

Отримані результати демонструють, що початковий імпульс з параметрами, які задовольняють умові (1) має визначальне значення для одержання планарних гетероепітаксійних шарів.

У п'ятому розділі розглядаються основні проблеми, що мають місце при застосуванні ІОНРР: наявність ділянки підвищення температури на фронті кристалізації і, як наслідок, можливість розчинення епітаксійного шару; обмежена у часі дія імпульсу не дає змогу отримувати товщини епітаксійного шару більші за 0,3 - 0,5 мкм без повторення циклів ІОНРР. Показано, що усунення цих проблем може бути досягнуто за допомогою використання газоподібного ТП, що подається ззовні реактора.

Подача газу ззовні реактора забезпечує необхідну для тривалого вирощування загальну теплоємність ТП, так як знімаються обмеження, що накладаються на масу ТП. Значно збільшується можлива різниця температур між ТП і підкладкою, спрощується керування початковою температурою ТП. За допомогою керування витратами газу у процесі росту можна змінювати коефіцієнт тепловіддачі між газом і підкладкою і, тим самим, керувати тепловими потоками на протязі усього процесу кристалізації епітаксійного шару.

Для визначення витрат газу, що забезпечують потрібний температурно-часовий профіль на фронті кристалізації (ТЧПФК) була побудована модель тепломасопереносу, вхідним параметром якої було початкове наближення форми ТЧПФК, яка корегувалася у відповідності з потрібними швидкостями росту і товщиною епітаксійного шару, а вихідними результатами - товщина шару і значення теплового потоку крізь фронт кристалізації. Потім за отриманим ТЧПФК та тепловим потоком за допомогою підходу Бурграфа знаходився розв'язок зворотної задачі теплопровідності - розраховувались потрібні температура і тепловий потік на тильній стороні підкладки. З теплового потоку розраховувалися необхідні витрати газу.

Експериментальна перевірка коректності побудованої моделі тепломасопереносу для розглянутого методу епітаксії за допомогою охолодження підкладки газом, була здійснена шляхом гомоепітаксії p-GaAs/n-GaAs орієнтацією (100). Добра кореляція між експериментальною товщиною епітаксійного шару (0,7±0,1 мкм) і розрахунковим значенням (0,75 мкм) підтвердила коректність моделі тепломасообміну.

Вимоги, які ставилися до температурно-часового профілю при гетероепітаксії GaSb/InAs відповідали вимогам (1). Наведений типовий відкол гетероструктури. Оцінка товщини епітаксійного шару складає 1±0,1 мкм (розрахункова товщина 1,1 мкм). Для підтвердження дотримання очікуваних швидкостей росту було проведено два додаткові експерименти. У першому експерименті був проведений ріст без початкової високої швидкості кристалізації. Типовий відкол наведений. На відколі можна побачити, по-перше, результати розчинення підкладки і непланарну гетеро-межу, а, по-друге, що ріст і розчинення були просторово розділені. Останнє підтверджує висновки з моделювання стійкості у системі, зроблені у розділі 3.

Другий експеримент був проведений при незмінних високих швидкостях росту (порівняних із початковими). Типовий відкол структури наведений. На відколі можна побачити, що епітаксійний шар має значні порушення кристалічної структури, а також припустити наявність антифазних меж.

Відколи структур, наведених свідчать, що у процесах, в яких отримані структури, а мали місце як фаза швидкого росту (імпульс охолодження) так і фаза росту у квазірівноважних умовах. Таким чином, наведені мікрофотографії відколів структур демонструють можливість отримання запропонованим методом планарних меж розділу при гетероепітаксії у системі GaSb-InAs за умови послідовного чергування фази швидкого росту (імпульс охолодження) і фази росту у квазірівноважних умовах, а також ефективність керування умовами кристалізації за рахунок зміни теплових потоків у підкладці шляхом охолодження останньої потоком газу.

Висновки

1. За допомогою моделювання процесів тепломасопереносу проаналізована можливість керування у методі імпульсного охолодження насиченого розчину-розплаву такими параметрами епітаксії як температурно часові профілі на фронті кристалізації, швидкість росту і товщина епітаксіального шару, відтворюваність товщини епітаксійних шарів, що отримані циклічним повтором операцій цього методу. За допомогою метода ІОНРР експериментально продемонстрована можливість керування процесами епітаксії для отримання планарних гетероепітаксійних шари GaSb на підкладці InAs без утворення проміжних шарів твердих розчинів InxGa1-xAsySb1-y. Показано, що використання метода ІОНРР при гетероепітаксії структур GaSb/InAs доречно для отримання тонких шарів, що не потребують багаторазового повторення циклів ІОНРР.

2. Запропоновано і практично реалізовано нову методику рідкофазної епітаксії, що дозволяє керувати процесом епітаксії шляхом охолодження підкладки потоком газу. Спосіб та технологічна оснастка захищені Патентами України № 14281 та № 14302. Розроблено математичну модель і комп'ютерний алгоритм, що дозволяє визначати необхідні теплові потоки у підкладці для отримання необхідних температурно-часових профілів на фронті кристалізації і швидкостей росту епітаксійного шару, а також часову залежність витрат газу-охолоджувача, що забезпечує ці потоки у процесі епітаксії. На прикладі гетероепітаксії GaSb/InAs експериментально підтверджено можливість керування умовами росту як на початкових стадіях, так і на протязі усієї епітаксії.

3. Розроблено алгоритм та проведено моделювання процесів, що відбуваються при контакті підкладки з термодинамічно нерівноважним відносно неї розчином-розплавом, з використанням рівнянь когерентної діаграми станів. Встановлено технологічні умови, які забезпечують стійкість підкладки InAs при контакті з нерівноважним розчином-розплавом Ga+Sb. Визначено контактне переохолодження для цієї системи: 3,5 єС і 4,7 єС для підкладок InAs з орієнтацією (100) та (111) відповідно при температурі насичення розчину Sb у розплаві Ga 450 оС;

4. Проведено моделювання розподілу напружень в гетероепітаксіальній структурі GaSb/InAs при наявності сітки дислокацій невідповідності. Визначена критична товщина епітаксійного шару антимоніду галію (50 нм для орієнтації (100) та 55 нм для орієнтації (111) при утворенні крайових дислокацій та 70-75 нм при утворенні 60є похилих дислокацій);

5. Визначені необхідне переохолодження розчину-розплаву в процесі росту (5,8 єС для орієнтації (100) та 7,8 єС для орієнтації (111)) і швидкість росту епітаксійного шару GaSb на підкладках InAs (2,5-3,5 нм/с для орієнтації (100), 22-31 нм/с для орієнтації (111)) до релаксації механічних напружень в епітаксійному шарі для забезпечення планарної поверхні останнього при температурі початку епітаксії 450 оС.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Методы получения эпитаксиальных структур с планарными гетерограницами для термофотовольтаических преобразователей. / Марончук И.Е., Андронова Е.В., Баганов Е.А., Селиверстова С.Р. // Вестник Херсонского государственного технического университета - 2002. -№3 (16). - С. 201 - 205.

2. Особенности выращивания гетероструктур GaSb/InAs жидкофазной эпитаксией. / Марончук И.Е., Курак В.В., Андронова Е.В., Баганов Е.А. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2003. - № 6. - С. 6 - 9.

3. Obtaining of GaSb/InAs heterostructures by liquid phase epitaxy. / Maronchuk I.Ye., Kurak V.V., Andronova E.V., Baganov Ye.A. // Semiconductors Science and Technology. - 2004. -V 19. - P. 747 - 751

4. Shutov S. V., Baganov Ye. A. Elastic Strains Influence During GaSb/InAs Heteroepitaxy from Liquid Phase // Semiconductor Physics, Quantum Electronics And Optoelectronics. - 2006. - V. 9, N 1. - P. 83-86.

5. Shutov S. V., Baganov Ye. A. Simulation of Stresses Fields in GaSb/InAs Heteroepitaxial System // Semiconductor Physics, Quantum Electronics And Optoelectronics. - 2006. - V. 9, N 2. - P. 23-26.

6. Control of Substrate Heat Flows by Gaseous Heat Absorber as a Method of Epitaxy from Solution-Melt. / Baganov Ye.A., Kurak V.V., Andronova E.V., Shutov S.V. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2006. - V 39. - P. 2459 - 2464.

7. Baganov Ye. O., Shutov S. V. Crystallization Mechanism Control During Epitaxy from Solution-Melt. // Functional Materials. - 2006. - V. 13, N 3. - P. 438-442.

8. Андронова Е.В., Баганов Е.А., Курак В.В. Моделирование процессов тепломассопереноса для оптимального управления процессами жидкофазной эпитаксии соединений А3В5 методом импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава // Автоматика, автоматизация, электрические комплексы и системы. - 2006. - №2 (118). - С. 5-14.

9. Деклараційний патент на винахід № 62235 Україна, H01L 21/208. Спосіб одержання гетероепітаксійних шарів з рідкої фази. Марончук І.Є., Андронова О.В., Баганов Є.О. №2003021059; Заявлено 06.02.2003 р. Опубл. 15.12.2003. Бюл. № 12.

10. Деклараційний патент на корисну модель № 9615 Україна, H01L021/208. Спосіб одержання гомо- та гетероепітаксійних шарів з рідкої фази. Марончук І.Є., Баганов Є.О., Андронова О.В., Курак В.В. № u200500671; Заявлено 25.01.2005 р. Опубл. 17.10.2005. Бюл. № 10.

11. Деклараційний патент на корисну модель № 14281 Україна, H01L 21/208. Баганов Є.О., Шутов С.В. Спосіб одержання епітаксійних шарів з рідкої фази. № u200509912; Заявлено 21.10.2005 р. Опубл. 15.05.2006. Бюл. № 5.

12. Деклараційний патент на корисну модель № 14302 Україна, H01L 21/208. Андронова О.В., Баганов Є.О., Курак В.В., Шутов С.В. Установка для рідкофазної епітаксії. № u200510126; Заявлено 27.10.2005 р. Опубл. 15.05.2006. Бюл. № 5;

13. Получение планарных гетерограниц в системе GaSb-InAs с использованием метода импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава. / Марончук И.Е., Курак В.В., Андронова Е.В., Баганов Е.А. // Труды 4-ой международной научно-практической конференции “Cовременные информационные и электронные технологии”. - Одеса, Україна. - 19 - 23 травня 2003 р. - С. 290.

14. Андронова О.В., Баганов Є.О. Розрахунок тепломасопереносу при рідкофазній епітаксії сполук А3В5 методом імпульсного охолодження насиченого розчину-розплаву // Всеукраїнська конференція молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Еврика-2003”. - Львів, Україна. - 21 - 23 травня, 2003. - С.16.

15. Processes of heat-mass transfer during the growth of low-dimensional layers by the method of pulse cooling of saturated solution-melt. / Andronova E.V., Baganov Ye.A., Kurak V.V., Maronchuk I.Ye. // Материалы Пятой Международной конференции ”Рост монокристаллов и тепломассоперенос” (ICSC-03) - Обнинск, Россия. - 22 - 26 сентября 2003. - С. 585-591.

16. Андронова Е.В., Баганов Е.А., Злобина Е.П. Получение гомо- и гетероэпитаксиальных слоев GaSb для термофотовольтаических преобразователей методом импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава. // Відкрита Всеукраїнська Конференція молодих вчених та науковців “Сучасні питання матеріалознавства”. Тези доповідей - Харків, Україна. - 9 - 13 вересня 2003. - С. 84.

17. Thin-film and epitaxial structures for thermophotovoltaic cells based on GaSb. / Kurak V., Andronova E., Baganov Y., Zlobina K., Voronin A., Moroz A. // Proceedings of the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference - Paris, France. - 7 - 11 June, 2004. - P. 316 - 319.

18. Features of crystallization of GaSb epytaxial layers in GaSb-InAs heterosystem from a liquid phase. / Maronchuk I.Ye., Kurak V.V., Andronova E.V., Baganov Ye.A. // 14th International Conference on Crystal Growth. - Grenoble, France. - 22 July, 2004. - P. 322.

19. Структурна досконалість гетероепітаксійних шарів GaSb, отриманих методом імпульсного охолодження насиченого розчину-розплаву на підкладках InAs. / Марончук І.Є., Андронова О.В., Курак В.В., Баганов Є.О. // Матеріали ювілейної X міжнародної конференції з фізики та технології тонких плівок МКФТТП-X - Івано-Франківськ, Україна. - 16 - 21 травня 2005. - С. 137-138.

20. Использование метода импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава для гетероэпитаксии антимонида галлия на подложках арсенида индия. / Андронова Е.В., Баганов Е.А., Курак В.В., Шутов С.В. // Сборник трудов 6-й международной конференции “Рост монокристаллов и тепломассоперенос” - Обнинск, Россия. - 25-30 сентября, 2005. - Т. 1 - С. 65 -73.

21. Баганов Е.А. Управление параметрами эпитаксии из растворов в процессе роста // Російський Науковий Форум з міжнародною участю “Демидовские чтения”, "Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии". - Москва, Россия. - 25 - 28 лютого 2006. - С. 128 - 129.

22. Method of Crystallization Mechanism Control During Epitaxy from Solution-Melt. / Baganov Ye., Shutov S., Andronova O., Kurak V. - Spring-Meeting of the German Physical Society. - March 27 -31 2006. - Dresden, Germany. - DS 24.7

23. Применение газообразного теплопоглотителя для управления кристаллизацией из жидкой фазы. / Баганов Е.А., Андронова Е.В., Курак В.В., Шутов С.В. // Труды 7-й Международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии” - Одеса, Україна. - 23 - 27 травня 2006. - Т.2. - С. 128.

Анотація

Баганов Є.О. Керування умовами гетероепітаксійного росту з рідкої фази у неізоперіодній системі GaSb/InAs. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню особливостей гетероепітаксії з рідкої фази у неізоперіодній системі GaSb-InAs, що утворює гетероперехід ІІ роду. Проведено теоретичний аналіз процесів, які мають місце під час гетероепітаксії GaSb/InAs, визначено умови, що забезпечують планарність гетеромежі і епітаксійного шару та основні вимоги до методу епітаксії.

Побудована математична модель і розроблений комп'ютерний алгоритм для процесів тепломасопереносу, що мають місце при використанні методу імпульсного охолодження насиченого розчину-розплаву, а також запропонованого методу. За допомогою моделювання визначені технологічні режими для забезпечення розрахованих теоретично умов росту.

Запропоновано нову методику рідкофазної епітаксії, що використовує охолодження тильної сторони підкладки потоком газу, що подається ззовні реактора і надає змогу керувати умовами росту як на початкових стадіях, так і на протязі усієї епітаксії. Практично реалізовано касету, що містить додатковий тепловий вузол, для застосування цієї методики. Експериментально отримані планарні гетероепітаксійні структури GaSb/InAs.

Ключові слова: рідкофазна епітаксія, гетероепітаксія, InAs, GaSb, механічне напруження, тепломасоперенос, термодинамічна стійкість.

Аннотация

Баганов Е.А. Управление условиями гетероэпитаксиального роста из жидкой фазы в неизопериодной системе GaSb/InAs. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники, Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованию особенностей гетероэпитаксии из жидкой фазы в неизопериодной системе GaSb-InAs, в которой реализуется гетеропереход ІІ рода. Проведен теоретический анализ процессов, имеющих место во время гетероэпитаксии GaSb/InAs, определены условия, обеспечивающие планарность гетерограницы и эпитаксиального слоя и основные требования к методу эпитаксии.

Построена математическая модель и разработан компьютерный алгоритм для процессов тепломассопереноса, имеющих место при использовании метода импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава, а также пред-ложенного метода. При помощи моделирования определены технологические режимы для обеспечения теоретически рассчитанных условий роста.

Предложен новый метод жидкофазной эпитаксии, в котором используется охлаждение тыльной стороны подложки потоком газа, который подается снаружи реактора и дает возможность управлять условиями роста как на начальных стадиях, так и на протяжении всего процесса эпитаксии. Практически реализовано кассету, содержащую дополнительный тепловой узел для применения этого метода. Экспериментально получены планарные гетероэпитаксиальные структуры GaSb/InAs.

Ключевые слова: жидкофазная эпитаксия, гетероэпитаксия, InAs, GaSb, механическое напряжение, тепломассоперенос, термодинамическая устойчивость.

Summary

Baganov Ye. O. Control of the conditions of the heteroepitaxial growth from the liquid phase in the lattice misfit GaSb/InAs system. - Manuscript.

PhD degree application thesis in technical sciences on speciality 05.27.06 - technology, equipment and production of electronic technique. - V. Lashkaryov Institute of semiconductor physics, NAS Ukraine, Kyiv, 2006.

The dissertation is devoted to investigation of features of heteroepitaxy from liquid phase in the GaSb-InAs system in which the second type broken heterojunction is realized. Theoretical analysis of processes that take place at GaSb/InAs heteroepitaxy has been carried out. It has been determined that minimal supercoolings of Sb solution in Ga melt that provides stability of InAs substrate under the contact with Sb saturated Ga melt at 450 єC are 3,5 єC and 4,7 єC for (100) and (111) substrate orientation respectively. Simulation of the strains distribution in the GaSb/InAs structure with the misfit dislocations network has shown that the critical thickness of epitaxial layer for misfit dislocations formation is 50 nm and 55 nm for (100) and (111) substrate orientation respectively in the case of the edge dislocations formation and 70-75 nm in the case of the 60є inclined dislocations formation. Obtained values are much closer to experimental results than calculated ones by Matthes-Blackeslee approach. It has been shown that at 450єC minimal supercoolings of Sb solution in Ga melt during growth process and minimal growth rates of GaSb on InAs substrates that provide planar heteroepitaxial layers are 5,8єC and 2,5-3,5 nm/s for (100) substrate orientation and 7,8єC and 22-31 nm/s for (111) substrate orientation respectively. Such growth rates and supercoolings have to be present until epitaxial layer reaches critical thickness of the misfit dislocations network formation.

Based on the simulation of the heat- and mass transfer processes take place in the method of pulse cooling of saturated solution-melt the technological regimes that provide calculated conditions of epitaxy has been defined. Planar epitaxial layers of GaSb on InAs with sharp interface have been obtained. Area of application of this method for GaSb/InAs epitaxy has been determined.

The novel method of liquid phase epitaxy has been proposed. This method allows to control the growth conditions by cooling of rare side of the substrate by flow of gas being fed from the reactor outside. For this method the cassette with the additional heat exchanger has been worked out. Based on simulation of the heat- and mass transfer processes the necessary gas (hydrogen was used) consumption for providing of the theoretically calculated growth conditions has been determined. Planar epitaxial layers of GaSb on InAs with sharp interface have been obtained.

Keywords: liquid phase epitaxy, heteroepitaxy, InAs, GaSb, strain, heat- mass transfer, thermodynamic stability.

Размещено на Allbest.ru