Введение к работе
Актуальность темы. Широко используемые в современной электронике материалы на основе соединений А3в'дают значительные преимущества по сравнению с элементарными полупроводниками. Представляются возможности более широкого изменения фундаментальных параметров веществ, таких как сирина запрещенной гоны и глубина залегания примесных уровней, подвижность, фононний спектр. Возможность получения непрерывного ряда твердых растворов предоставляет уникальный метод плавного регулирования свойств монокристаллических веществ в широких пределах.
Однако, наряду с расширением возможностей получения материалов с напередзаданными свойствами, ва практике возникают порой неразрешимые технологические проблемы, а трудозатраты резко возрастают. Это связано прежде всего с высокими температурами плавления и значительным давлением паров синтезируемых компонент при выращивании и легировании монокристаллов соединений А5В .
Широкие возможности в разработке и производстве полупроводниковых структур на основе соединений открыли методы эпнтаксиаль-кого роста пленок. Но опять-таки эпитаксиальная технология накладывает более жесткие требования на контроль и управляемость технологическими операциями. Поэтому необходимо исследование всех сехкологических процессов и оптимизация всего технологического ;икла.
Для комплексного изучения процессов, происходящих при эпи-гаксиальном наращивании многослойных структур на основе фосфида и ірсенида галлия, в Ханойском институте физики в 1977 году была :оздана установка жидкофззной зпитаксии (ЕЕЭ). Недостаточные зна-шя физико-технологических закономерностей при ЯВЭ поставили за-(ачу исследования зависимостей между технологическими процессами і физическими характеристиками создаваемых изделий.
К важнейшим параметрам, отсутствие которых не позволяло оптимизировать технологический цикл, прежде всего относится непол-гость данных*по массопереносу в жидкой фазе, отсутствие количест-іенньїх соотношений между параметрами массопереноса и физическими [араметрами состояния раствор - расплава. Особенно важны данные іо выращиванию слоев с предельной растворимостью легирующих при-(есей для получения плёнок с хорошо развитыми примесными зонами, тсутствие этих знаний сдерживает прогресс технологии особо слсж-
них структур и устройств с высокими эксплуатационными параметрами. Поэтому более полное изучение технологических процессов всегда актуально.
Дела работы состоит в комплексном изучении технологических процессов при эпитаксиальном выращивании структур на основе фосфида в арсенида галхия с различным уровней легирования. На основе изученных ва всех этапах технологического процесса закономерностей, предстояла разработка эффективной воспроизводимой технологии производства красных и зеленых светодиодов, а также изготовление в едином технологическом цикле сильнолегированных структур, пригодных для термометрии низких температур.
Основные задачи:
-
Изучить кинетику ыассопереноса в жидкой фазе, морфологию поверхности и влияние технологических параметров на дефектообра-эованке.
-
Установить основные закономерности образования газовых пузырей в эпитаксиальных слоях и найти способы их минимизации и полного устранения.
-
Исследовать влияние различных технологических операций на квантовую эффективность светодиодных структур и разработать рекомендации по повышению эффективности.
-
Выяснить основные пределы легирования примесями донорного и акцепторного типа пленок и структур для получения хорош развитой проводимости в глубоких примесных зонах с малым магнитосопро-тивлением.
Научная новизна работы:
-
Установлены основные закономерности влияния естественной конвекции ва кинетику ыассопереноса при наращивании эпитаксиальных слоев на горизонтальные и вертикальные подложки. Определены необходимые градиенты температуры вдоль подлояек для устранения клинообрааности растущих пленок. В случае вертикальной подлодки средний температурный градиент должен составлять около 2 (Уем.
-
Экспериментально определены размеры и плотность газовых пузырей в эпитаксиальных слоях фосфида галлия легированных азотом. Установлено, что их плотность пропорциональна концентрации нитрида галлия в расплаве. Определена равновесная константа реакции.
-
При легирования зпитаксиальных сдоев азотом установлена область оптимальных давлений аммиака для получения зеленых свето-
циодов с высокой эффективность!), которая составляет (0.5-1). 10" им. При таких давлениях достигается предел растворимости азота жоло 10 см"*5 , а слои имеет наиболее совершенную поверхность.
-
Установлены пределы концентраций основной и компенсирующей примесей для выращивания эпитаксиальных пленок и нитевидных сристаллов с малым магнитосопротивлением, проводимость в которых шределяется Ег и Ез переходами в глубоких примесных зовах.
-
Определены концентрационные зависимости анергии активации глубоких акцепторных центров в фосфиде галлия от концентрации )сновной и компенсирующей примеси.
Основные положения, выносимые на защиту;
-
На основе предложенной методики выполнены количественные щенки влияния естественной конвекции на толщину эпитаксиальных :лоев при их выращивании из раствора-расплава на горизонтальные н зертикалыше подложки. Для вертикальной системы роста определен іеобходишй градиент температуры по высоте, позволяящий предотвратить клинообраэность роста.
-
Изучены причины, приводящие к образовании какронеоднород-юстей на поверхности роста эпитаксиальных слоев. ' Основными фак-гораш является такие, как разориэнтациа подложки, неустойчивость фронта кристаллизации вследствие пересыщения расплава на границе твердой фазы, взаимодействие молекул газа с атомами расплава в іриповерхностном слое, образование газовых пузырей. Установлены юотношения, связывающие размер и плотность пузырей с содержанием іримесеа в расплаве.
-
Анализ электрических и электролюминесцентных характеристик светодиодов GaP:H и GaAsrSi позволяет установить оптимальне технологические условия при жидкефаэном выращивании таких :труктур. Локальные пересыщения примесью . кремния для арсенида аллия и азотом для фосфида галлия приводят к смещению максимума :пектра излучения и падению квантового выхода.
-
Создание специальных сильнолегированных структур с глубо-зши примесными зонами для применения в термометрии. Проводимость і таких структурах осуществляется путем перескока носителей между [римесными центрами в Ег и Йд зонах. При этом магнитосопротивле-пе тем ниже, чем короче расстояние прыжка между центрами.
Практическая значимость работы. -
1. Создана технологическая установка для жидкофазной эпи-аксии, позволяющая в едином технологическом цикле получать мко-
гослойные структуры на основе соединений А Вэ и их твердых растворов. На установке исследованы технологические процессы, выявлены закономерности и связи между технологическими параметрами процессов и физическими характеристиками получаемых изделий.
-
Изучено влияние естественной конвекции на процесс наращивания эпитаксиальных слоев из раствора-расплава на параллельные подложки. Определены и введены в технологический процесс необходимые градиенты температуры для предотвращения клинообразного роста слоя.
-
Исследованы технологические циклы изготовления красных и зеленых светодиодов и фотоэлементов на основе фосфида и . арсенида галлия, а также твердого раствора арсенидов галлия и алюминия. Осуществлены изменения технологического цикла, позволившие получить значительную экономию особо дефицитного материала галлия. Разработанный цикл изготовления красных светодиодов GaP:Zn внедрен во Вьетнаме в промышленном масштабе.
-
Разработаны специальные многослойные структуры на основе фосфида галлия, пригодные для криогенной термометрии в магнитных полях. Путем перекоыпенсации электронного слоя получен пленарный p-n-переход, который выполняет роль диэлектрического покрытия, защищающего поверхность от шунтирования. Исследованные термометрические характеристики подтвердили пригодность структур для практического использования.
Личный вклад автора в подученные результаты.
В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором лично и в соавторстве. Постановка задач и интерпретация результатов физических исследований проведены совместно с научными руководителями. Все экспериментальные образцы для исследований изготовлены диссертантом лично. Им разработана методика исследования образцов сложной конфигурации при низких температурах и выполнены все измерения. Компьютерная обработка результатов измерений и расчет всех параметров, приводимых в работе, также выполнены лично диссертантом. Ему.принадлежит равноправная с другими авторами роль в напечатанных работах.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в Институте физики Национального Центра Научных Исследований СРВ (г. Ханой), на семинаре Отделения физики реальных кристаллов Института физики полупроводников НАН Украины (г.. Киев), на Втором республиканском сове-
\
даний по электронной микроскопии (г. Ханой).
Публикации. По материалам диссертации выполнено 9 научных работ, одна из них - авторское свидетельство СРВ. Список этих работ приведен в конце автореферата.
Внедрение результатов работы. Результаты работы, используются на промышленных предприятиях г. Ханоя, а также использовались в темах и проектах, выполняемых отделом N 20 Института физики полупроводников НАН Украины.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов и списка литературы. Она содержит страниц, включая рисунков и список литературы.
