Эпитаксия твердых растворов AIIIBV с микро- и наноструктурой в поле температурного градиента Сысоев, Игорь Александрович

Введение к работе

Актуальность темы

Прогресс в области микро- и наноэлектроники в значительной степени определяется достижениями физики и технологии полупроводниковых материалов. К перспективным материалам относятся, в частности, полупроводниковые структуры на основе многокомпонентных твердых растворов (МТР) А^ШВ^У. Интерес к ним вызван возможностью формирования структурно совершенных гетеропереходов за счет одновременного согласования параметров решетки и коэффициентов термического расширения сопрягающихся материалов, а также возможностью формирования наноструктур при создании определенного уровня механических напряжений в получаемых структурах. Применение подобных микро- и наноструктур позволяет значительно улучшить параметры полупроводниковых и, в первую очередь, оптоэлектронных приборов самого различного назначения. Так, возможность получения кристаллических совершенных пленок позволяет увеличить чувствительность фотоэлементов, а получение наноструктур с квантовыми точками повысить КПД солнечных фотопреобразователей.

Направленностью экспериментальных исследований настоящей работы является получение МТР соединений а"'В^у с помощью освоения новых недорогих технологических методов, что очень важно в настоящее время для изготовления полупроводниковых оптоэлектронных приборов с повышенными эксплутационными параметрами.

Существует возможность получения совершенных микро- и наноструктур МТР соединений А'"в^у из жидкой и газовой фазах с помощью градиентной эпитаксии (ГЭ). Особенностью технологии ГЭ, как в жидкой фазе, так и в газовой, при использовании твердого источника, является возможность получения микроструктур твердых растворов соединений а"'в с заданным распределением компонентов, а также возможность формирования наноструктур необходимого размера.

К началу выполнения работы в литературе имелась ограниченная информация по технологическим особенностям ГЭ при получении микро- и наноструктур соединений А В . Сообщений о получении в поле температурного градиента многокомпонентных каскадных и тонкопленочных наноструктур вообще нет. Технологические основы градиентных методов эпитаксии многокомпонентных гетероструктур соединений а'"в' с единых позиций сформулированы недостаточно, поэтому тема диссертационной работы является актуальной как с научной, так и с прикладной точек зрения.

Целью настоящей работы является:

1. разработка основ ГЭ МТР соединений а'"В^у с единых позиций в жидкой и в газовой фазах;

2. разработка технологической оснастки и цифровых систем управления для получения МТР соединений А^ШВ^У в поле температурного градиента;

3) разработка технологии ГЭ МТР соединений А В с заданным распределением элементов для получения микро- и наноструктур МТР соединений А "'в^у с использованием в высокоэффективных солнечных элементах.

В связи с этим решались следующие задачи:

3. разработка технологической оснастки и высокоточных цифровых систем управления для получения в поле температурного градиента слоев твердых растворов соединений А"'В^У;

4. проведение исследований кинетики кристаллизации твердых растворов Al_xGa_a._x)As, Al_xGa₍,._xjP,As₍,__yh Ga_xIn₍i._x)P>As₍i__yh Al_xGa_yln₍i__x._y)P_:As₍,._z) в поле температурного градиента в зависимости от температуры, температурного градиента, толщины и состава жидкой или газовой зон;

5. экспериментальные исследования распределения компонентов в эпитаксиальном слое (ЭС) и нахождение зависимости коэффициентов распределения компонентов соединений А¹¹ В¹ от состава зоны и температуры процесса эпитаксии;

6. разработка технологических моделей ГЭ МТР гетероэпитаксиальных слоев твердых растворов Al_xGa₍i._x)As, Al_xGa₍i._x)PyAs^.yj, Ga_xln_(l._x)PyAs(i._v), Al_xGa_ylri(i._x.y)P_zAs₍,._:j на основе эмпирических зависимостей;

7. экспериментальное исследование процесса перекристаллизации лазерных структур на основе соединений Al_xGa_fi._xyis с помощью сверхтонких линейных зон;

8. исследование особенностей технологии ГЭ при формировании микро- и наноструктурных элементов МТР Al_xGa₍i._x)As, A^Ga^.^PyAsfi.^, Са_х1п₍₁._х)Р_ьАв₍,.у_Ь AlxGaylnfi.r.yfPzAsfi..) в жидкой и газовой зонах;

9. исследование электрофизических свойств МТР Al_xGa(,._x)As, Al_xGa₍i._x)PyAs₍i._yh Са_хІп₍,._х)Р^₍і._у), Al_xGa_yIn₍i._x._y)P_zAs(i-z) и параметров оптоэлектронных приборов, изготовленных на их основе.

Научная новизна работы

1. Впервые разработаны технологические основы ГЭ МТР (Al_xGa_(i._x)As, Al_xGa(i._x)PyAS(i__y), Ga_x/n(,._x)PyAs(,.y), Al_xGayIn_(l._x._y)P_zAs₍i._z)), позволяющие с единых позиций описать формирование микро- и наноструктур.

2. Исследована и обобщена кинетика кристаллизации МТР соединений а'"в^у, и впервые экспериментально обнаружено, что с увеличением концентрации AI и Р в .пятикомпонентном твердом растворе (ПТР) AlxGaylna^.yjPzAsa..) уменьшается скорость роста слоя, а увеличение концентрации In и Ga повышает скорость роста слоя при ГЭ в жидкой фазе.

3. Проведены исследования кинетики кристаллизации МТР соединений А'"В^У, полученных методом химических транспортных реакций в условиях близкого переноса компонентов в газовой фазе, и впервые обнаружено уменьшение скорости роста слоя при увеличении ширины запрещенной зоны (Еу) источника.

4. Впервые экспериментально обнаружено аномальное поведение зависимости коэффициента распределения AI от концентрации In в жидкой фазе,

а именно, резкое снижение его при повышении концентрации In в жидкой фазе более 70 %.

5. Выявлены условия, обеспечивающие получение бездефектных варизонных и каскадных микро- и наногетероструктур Al_xGa_f,._x)As/GaAs, Al_xGa₍i__x)F\As₍i._y/GaAs, Ga_xIn(i._x)P_yAs(i._y/GaAs, Al_xGa_yJn_//__x._y)P_:As_li._z/GaAs.

6. Впервые предложен новый метод, основанный на использовании специально подготовленных источников массопереноса - тонкопленочных, многослойных поликристаллических или аморфных композитов для формирования необходимой геометрии эпитаксиальных слоев с заданным распределением компонентов в микро- и наноструктурах.

7. Разработана технологическая модель ГЭ МТР для получения микро- и наноструктур Al_xGa_a._xjAs, Al_xGa₍,._x)PyAs₍,._yh Ga_xln_(l._x)PyAs_(l._y), Al_xGa_yIn_(l._x._y)P_:As_(l._z)% как в жидкой, так и в газовой зонах на основе эмпирических зависимостей скорости роста ЭС и коэффициентов распределения компонентов.

8. Исследования структурных и электрофизических параметров ПТР AlxGaylnfi.j.yjPzAs^.^, полученных с помощью ГЭ, впервые показали улучшение свойств этих микро- и наноструктур по отношению к трех- и четырехкомпонентным, что обеспечило рост характеристик, полученных на их основе фотоэлементов и солнечных фотопреобразователей.

Практическая значимость

1. Результаты научной работы, полученные в ходе проведения теоретических и экспериментальных исследований, позволили качественно и количественно описать процессы ГЭ применительно к жидкой и к газовой фазам с единых позиций, что позволило применить математический аппарат описания процессов распределения компонентов в ЭС МТР микро- и наноструктур соединений а'"В^у.

2. Для реализации возможности проведения ГЭ сконструированы: тепловой узел с заданным распределением температуры в технологической оснастке, технологические графитовые кассеты кругового типа с внутренним и внешним расположением ячеек для раствора-расплава для проведения ГЭ при получении эпитаксиальных микро- и наноструктур соединений a'"b^v. Разработан и апробирован комплекс цифрового управления ГЭ в жидкой и газовой фазах, что позволило управлять температурой и температурным градиентом с точностью ±0,1 К в статическом режиме и ±1 К в переходном режиме. Это позволило улучшить качество и воспроизводимость экспериментальных результатов, при этом значительно сократилось: время исследований, расходные энергетические и материальные ресурсы.

3. В разработанных технологических кассетах реализованы: метод формирования композиции из двух подложек и раствора-расплава, метод формирования на полупроводниковой подложке системы жидкая зона и твердый источник для перекристаллизации, который позволяет значительно, в десятки раз, уменьшить расход материала и повысить воспроизводимость ГЭ МТР соединений а'"В^у. Определены параметры, необходимые для роста МТР: температура процесса ГЭ в жидкой фазе изменяется от 7^ = 700 С до ^мах⁼900С, температурный градиент изменяется от Gy=-100 К/см до

G/~ 100 К/см, концентрация компонентов - 0 < С' # < I at.%, 0 < C'i„ < 70 at.%, 0 < С'>< 1 at.%, 0 < C^ < 4 at.%. Получены варизонные слои и многослойные структуры Al_xGa₍,._x)As, Al_xGa_u._x)PyAs₀._yh Ga_xln_u._x)P_yAs_(l._yh A/_xGay/n₍i._x._y)P,As_ti._zh толщиной до 50 мкм с заданным изменением Eg, пригодные для изготовления фотодетекторов и солнечных элементов.

4. Разработана технология перекристаллизации лазерных гетероструктур Al_xGa(_t._x>As/GaAs с использованием сверхтонких, свинцовых и висмутовых линейных зон, которые позволяют получать непоглощающие широкозонные оптические окна.

5. Разработаны технологические маршруты ГЭ МТР: для микроструктур (с использованием жидких зон толщиной 100+500 мкм); для наноструктур (при использовании жидких зон толщиной 1+15 мкм); для газового транспорта в условиях близкого переноса компонентов в поле температурного градиента толщиной зон до 5 мм. Разработан метод ГЭ в газовой фазе для формирования устойчивых наноразмерных структур соединений Л"'В^У, имеющих регулярный характер распределения их на поверхности, который отличается простой технологической оснасткой.

6. Разработана технология получения солнечных элементов на основе твердых растворов Al_ajGa_uiAs с r;=24,5 %, Al_ajGa_njF'/,osAsow с rj=26,6 %, Ali,,7Ga(_i2s/no,osPzo.iAs(i.'j с //=28,3 %, указывающие на рост эффективности при увеличении числа компонентов в полупроводниковой структуре соединений A'"B^V.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Комплекс технологического оборудования для обеспечения получения МТР соединений a"'b^v в поле температурного градиента со следующими данными: остаточное давление газа в реакционной камере от 1 Па до 2 МПа; температура в рабочей зоне технологической оснастки до Г= 1300 К; осевой температурный градиент от Gr= -100 К/см до Gr~ 100 К/см; радиальный температурный градиент не более G« = 1 К/см.

2. Разработка цифровой системы автоматического регулирования и программного обеспечения для высокоточного управления температурным режимом ГЭ обеспечивает следующие параметры управления температурным режимом: точность поддержания температуры в статическом режиме не хуже ±0,1 К, точность поддержания температуры в динамическом режиме не хуже ±1 К. Разработка программы для формирования базы экспериментальных данных температурного режима ГЭ с целью использования в вычислительном эксперименте в среде MathCad по расчету распределения компонентов в эпитаксиальном слое.

3. Эмпирические зависимости скорости роста в жидкой и газовой фазах, коэффициентов распределения в ПТР Al_xGayIn₍i._x.y)P_zAs₍i._z) от состава жидкой фазы и температуры для расчета распределения компонентов в эпитаксиальном слое при ГЭ.

4. Технология ГЭ для получения варизонных и каскадных микро- и наноструктур ПТР Al_xGaJn₍i._x__v)P.As₀._:) на основе перекристаллизации в жидкой

фазе предварительно подготовленных тонкопленочных структур, микро- и наноструктур МТР а'"в^у на основе химического транспорта из близко расположенного источника.

5. Методика получения сверхтонких линейных зон для перекристаллизации лазерных гетероструктур Al_xGaa._X)As/GaAs при получении непоглощающих широкозонных оптических окон.

6. Применение микро- и наноструктур МТР Al_xGa₍i__x)As, Al_xGa(i._X)P_}As_(l._y), GaJri(i._X)P_}As(i.y), Al_xGaJn()._x._v)P_:As(i._:) в высокочувствительных фотоприемных устройствах и высокоэффективных солнечных элементах.

Совокупность перечисленных положений и конкретных результатов исследований составляет основу научно обоснованных технических и технологических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны: технология ГЭ МТР соединений а"'В^у в тонкой плоской ростовой зоне с использованием многокомпонентных источников заданной конфигурации.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена наличием системы калибровки измерительных устройств и подтверждена при отработке методик на известных физических моделях полупроводниковых материалов и структур, а также использованием общепринятых моделей и совпадением экспериментальных и расчетных результатов работы с данными, опубликованными в литературе.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV, V конференциях по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Минск, 1986; Калуга 1990), III совещании по физике и технологии широкозонных полупроводников (Махачкала, 1986), 7 конференции по росту кристаллов (Москва, 1988), I конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), EIGHTH INTERNATIONAL CONFERENC ON TERNARY AND MULTINARY COMPAUNDS (Kishinev, 1990), II научной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ашхабад, 1991), конференции по электронным материалам (Новосибирск, 1992), Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века», (Севастополь -Донецк, 1998), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-98» (Москва, 1998), Международной конференции по физическим процессам в неупорядоченных полупроводниковых структурах (Ульяновск, 1999), Международной конференции «Оптика полупроводников» (Ульяновск, 2000), Международной конференции по прогрессивным научным технологиям и системам машиностроения (Донецк, 2000), 12-м международном симпозиуме по тонким пленкам в электронике (Харьков, 2001), Международной научной конференции по кристаллизация в наносистемах (Иваново, 2002), 5-й международной конференции молодых

ученых и студентов по актуальным проблемам современной науки (Самара, 2004), 9-й международной научно-технической конференции по актуальным проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники (Дивноморское -Таганрог, 2004), IV, VI международных научных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск - Ставрополь, 2004, 2007), International Scientific Colloquium Technische Universitat (Ilmenau, 2006), Конференции «Нанотехнологии-производству-2006» (Фрязино, 2006), V международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации, Кристаллизация для нанотехнологии, техники и медицины» (Иваново, 2008), а также на конференциях, совещаниях, семинарах лаборатории физики полупроводников ВИ (ф) ЮРГТУ (НПИ) и на кафедре физики ЮРГТУ (НПИ).

Похожие диссертации на Эпитаксия твердых растворов AIIIBV с микро- и наноструктурой в поле температурного градиента

Основы технологии получения кремниевых структур с объемными элементами методом жидкофазной эпитаксии в поле температурного градиентаСередин Лев Михайлович

Разработка физико-химических основ получения пятикомпонентных твердых растворов In Al Ga As Sb в поле температурного градиентаОвчинников, Вадим Алексеевич

Твердые растворы AlGainAsP на основе GaAs и InP, полученные в поле температурного градиента, и их свойстваКазаков, Виталий Викторович

Разработка физико-химических основ получения многокомпонентных твердых растворов на основе InAs в поле температурного градиентаШевченко, Андрей Геннадьевич

Эволюция межфазных границ в процессе зонной перекристаллизации в поле температурного градиента с учетом гидродинамических эффектовКулинич, Наталья Владимировна

Разработка физико-химических основ получения пятикомпонентных твердых растворов InGaAsSbP в поле температурного градиентаРазумовский, Павел Иванович

Многокомпонентные висмутсодержащие твердые растворы А3 В5 , полученные в поле температурного градиентаАлфимова Диана Леонидовна

Структурная динамика многокомпонентных твердых растворов соединений A3 B5 и A4 B6 , формируемых в поле температурного градиентаТруфманов Алексей Петрович

Кристаллизация твердых растворов InSbBi, AllnSbBi и AlGaInSbBi с заданным энергетическим спектром в поле температурного градиентаБлагина Лариса Васильевна

Разработка и исследование технологических параметров процесса эпитаксии твердых растворов AIIIN методом молекулярно-лучевой эпитаксии для интегральных газовых сенсоровЗалозный, Александр Николаевич