Введение к работе
Актуальность представленной работы.
Оптоэлектронные приборы, на основе полупроводниковых
соединений АЗВ5, работающие в видимом и ближнем инфракрасном
диапазоне широко применяются в современной технике. Для достижения
высоких эксплуатационных характеристик требуется использование в
качестве материала совершенных полупроводниковых кристаллов.
Теоретически показано, что получение идеально согласованной по
параметру решетки и коэффициенту термического расширения
гетероструктуры, при заданном значении ширины запрещенной зоны,
требует применения пятикомпонентного материала. Однако практическая
реализация подобных гетерокомпозиций на промышленном уровне не
освоена, в виду недостаточной отработки технологических аспектов
процесса получения пятикомпонентных систем. Метод зонной
перекристаллизации градиентом температуры на сегодняшний день
представляется наиболее технологичным среди жидкофазных методов
эпитаксиального наращивания, так как он, - обладая высокой
равновесностью процесса и возможностью обеспечить подпитку растущего
кристалла, позволяет получать толстые слои с заданным распределением
компонентов. Наиболее экспериментально изученными являются
трехкомпонентная система AlGaAs/GaAs и четырехкомпонентная GalnAsP/InP, которые можно рассматривать как предельные составы пятикомпонентного твердого раствора AlGalnAsP. Особенностью этого твердого раствора является возможность его эпитаксии на подложках GaAs и InP. Накопленный экспериментальный материал по составляющим его низшим системам позволяет наиболее точно исследовать влияние добавляемых компонентов на электро-физические свойства и качество получаемых гетероструктур. Процесс кристаллизации эпитаксиальных слоев твердых растворов AlGalnAsP является достаточно многофакторным и, поэтому, целесообразен предварительный теоретический анализ условий роста для сокращения экспериментов по отработке режимов эпитаксии.
Важным фактором в промышленном производстве приборов
оптоэлектроники является воспроизводимость результатов.
Технологические особенности метода зонной перекристаллизации градиентом температуры рассматриваемого пятикомпонентного твердого раствора исследованы не в полной мере. Поэтому диссертационная работа, в которой предлагается исследование физико-химических свойств указанной
системы и отработка технологии выращивания на ее основе совершенных гетероструктур является актуальной и представляет практический интерес.
Цель работы.
Целью работы является исследование технологических особенностей получения нятикомпонснтного твердого раствора AlGalnAsP изопериодного арсениду галлия и фосфиду индия методом зонной перекристаллизации градиентом температуры, и изучение физико - химических свойств получаемых эпитаксиальных слоев.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
-расчетное исследование фазовых равновесий с учетом упругих напряжений и процессов упорядочения в твердых растворах и их экспериментальное подтверждение;
-экспериментальные исследования кинетики роста эпитаксиальных слоев;
-исследование процессов взаимодействия контактирующих жидкой и твердой фаз с целью определения необходимой величины переохлаждения расплава;
-на основе знания равновесных коэффициентов распределения и кинетических функций роста слоев проводилось моделирование процесса ЗПГТ для определения необходимых технологических параметров;
-исследование возможности получения подпитывающих
пятикомпонентных поликристаллов с заданными параметрами на используемом технологическом оборудовании;
-исследование морфологии, структурного совершенства,
фотолюминесцентных и электро-физических свойств получаемых гетероструктур.
Научная новизна работы.
-
Проведен термодинамический расчет фазовых равновесий в системе AlGalnAsP-InP, позволяющий определить изопериодные составы сосуществующих жидкой и упруго-напряженной твердой фаз.
-
Теоретически исследовано влияние величины упругих напряжений, температуры роста, химического состава ПТР и упорядочения мольных пар на положение и размеры областей неустойчивости AlGalnAsP.
-
Экспериментально получены зависимости скорости роста для ПТР AlGalnAsP при росте на подложках InP и GaAs. Определены
атомно-кинетические коэффициенты и коэффициенты диффузии компонентов в зоне Bi-In, Bi-Ga.
-
Реализован метод ЗПГТ с подпиткой из пятикомпонентного поликристалла при выращивании эпитаксиальных слоев AlGalnAsP на фосфиде индия.
-
Исследованы технологические особенности метода ЗПГТ, разработана технологическая оснастка для проведения процессов гомогенизации, защиты подложки от термического травления и смачивания.
6. Получены и исследованы пятикомионентные твердые растворы
AlGalnAsP изопериодные фосфиду индия.
-
Исследована методика ЗПГТ пятикомпонентных систем висмутосодержащими зонами.
-
Проанализировано влияние висмутосодержащих зон на структурное совершенство и качество получаемых эпитаксиальных слоев.
Основные научные положения выносимые на защиту.
-
Реализованный метод ЗПГТ с подпиткой из поликристаллического многокомпонентного источника позволяет получать однородные эпитаксиальные слои пятикомпонентных твердых растворов AlxGayIn, AszP,.z на подложке InP с толщиной до 100 мкм.
-
Предложенное термодинамическое описание фазового равновесия и методика определения величины переохлаждения позволяют рассчитать исходные данные для получения твердых растворов требуемого состава.
-
Увеличение содержания алюминия в твердой фазе снижает скорость роста слоев на InP, а увеличение количества индия повышает скорость роста на GaAs. Добавление в жидкую зону висмута во всех случаях повышает скорость роста эпитаксиальных слоев и сдвигает максимум скорости в сторону меньшей толщины зоны.
4. В ПТР AlGalnAsP существует область термодинамической
неустойчивости, которая перекрывает значительную часть составов
твердого раствора изопериодных и изоэкспандных фосфиду индия. На
положение области спинодального распада можно влиять выбором
температуры эпитаксии, величины упругих напряжений в гетероснстеме и
кристаллографической ориентации подложки.
5. Использование висмутосодержащих зон при проведении процесса
ЗПГТ пятикомпонентных твердых растворов улучшает кристаллическое
совершенство получаемых гетероструктур и повышает интенсивность фотолюминесценции эпитаксиальных слоев.
Практическая ценность.
Использование предложенной математической модели ЗПГТ позволяет выявить оптимальные технологические параметры при выращивании пятикомпонентных твердых растворов AlGalnAsP с заданными электрофизическими параметрами. Разработана методика выращивания твердого раствора AlGalnAsP на основе фосфида индия и арсенида галлия методом ЗПГТ. Даны рекомендации по технологическим режимам выращивания гетероструктур для высокочувствительных фотоприемников.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории физики полупроводников ВИ НГТУ, проблемной лаборатории микроэлектроники НГТУ, ВНИИ Неорганических материалов, Всероссийской научно-технической конференции с международным участием по актуальным проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники (г. Таганрог, 1994 г.), Научной конференции ХХ-е Гагаринские чтения (г. Москва 1994 г.), Втором Российском научно-техническом семинаре "Водород в металлических материалах" (г. Москва 1994 г.), Российской научно-технической конференции по новым материалам и технологиям (г. Москва 1994 г.), Научной конференции XXI -е Гагаринские чтения (г. Москва 1995 г. ), X - конференции по химии высокочистых веществ (г. Нижний Новгород 1995 г.), Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием по актуальным проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники (г. Таганрог, 1995 г.).
Публикации и вклад автора.
