Введение к работе
Актуальность темы.
Эпитаксиальная технология играет существенную роль в физике и технике полупроводников и в настоящее время во многом определяет
прогресс в таких областях как'микро ~1ї—оптоэлектроника. Одним из ее
направлений является технология молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), в основе которой лежит процесс взаимодействия атомных или молекулярных пучков на монокристаллической подложке, поддерживаемой при определенной температуре. С созданием квантоворазмерных гетероструктур на основе соединений А3В5 удалось реализовать преимущества эпитаксиальиой технологии, в особенности МПЭ, в конкретных приборах -быстродействующих транзисторах, полупроводниковых лазерах и фотоприемниках, имеющие широкую сферу применений в различных областях науки и техники.
Достижения технологии МПЭ стали возможными благодаря комплексным экспериментальным и теоретическим исследованиям ростовых процессов. Уникальной особенностью МПЭ является то, что поверхность полупроводника в процессе роста остается открытой, что позволяет использовать тонкие исследовательские методики для изучения и контроля процесса роста in-situ.
Исследования свойств атомарно гладкой поверхности и поверхностных процессов имеют важное значение, способствуя быстрому развитию эпитаксиальной технологии. Одной из основных тем исследований является установление связи между состоянием поверхности полупроводника во время роста и приборным качеством выращенных гетероструктур. Поскольку получение комплексной информации о состоянии поверхности требует применения целого ряда трудоемких и дорогостоящих экспериментальных методик, актуальным вопросом является моделирование процессов роста, позволяющее анализировать состояние поверхности при заданных температуре и величинах внешних потоков.
В последние годы экспериментальные исследования поверхности полупроводников и механизмов роста кристаллов следуют с заметным
опережением, теоретических разработок в данной области. Наиболее
распространенными теоретическими подходами являются
термодинамический подход и моделирование поверхностных процессов методом Монте Карло. В то время как термодинамический подход позволяет установить лишь наиболее общие закономерности роста, метод Монте Карло, обеспечивая детальную информацию о поверхностных процессах, требует определения большого количества параметров, которые лишь весьма приблизительно можно оценить из первых принципов.
В этом плане компромиссом для моделирования поверхностных процессов оказывается кинетический подход. С одной стороны, кинетический подход позволяет получать достаточно широкий спектр данных о растущей поверхности, а с другой стороны, он оперирует с небольшим числом параметров, которые в ряде случаев оказывается возможным определить путем прямого сравнения с результатами экспериментальных измерений.
В связи с этим, работа, посвященная развитию кинетического подхода, и на его основе,- анализу процессов, протекающих на поверхности полупроводников А3В5 при росте из молекулярных пучков, является актуальной.
Целью работы является построение на базе накопленного экспериментального материала кинетической модели процессов, протекающих на поверхности полупроводников А3В5 и применение ее к анализу конкретных материалов. Разработанная модель должна позволять определять состав поверхности, скорость роста (или травления) кристалла в зависимости от температуры и величин падающих на поверхность потоков компонентов Ш-й и V-й групп, а также выявлять диапазоны их изменения, при которых обеспечивается послойный эпитаксиальный рост. Дополнительной целью работы является построение модели поверхности, позволяющей выявить основные аспекты проявления многоуровневой кристаллизации в форме осцилляционных кривых интенсивности дифрагированных быстрых электронов (ДБЭ).
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые: предложены новые модели адсорбции молекул As2 и As4 на поверхности арсенидов третьей группы; построена кинетическая модель, учитывающая принципиальное различие во взаимодействии с поверхностью компонентов Ш-й и V-й групп, адекватно описывающая комплекс экспериментов, связанных с ростом полупроводников А3В5; найдены условия применимости термодинамического подхода; выявлены некорректности трактовки экспериментальных данных по десорбции компонентов Ш-й и V-й групп; продемонстрированы основные аспекты влияния многоуровневой кристаллизации на форму осцилляционных кривых интенсивности дифрагированных быстрых электронов.
Практическая значимость работы состоит в том, что в ней
1. Получена важная для практики МПЭ информация о коэффициентах
прилипания к растущей поверхности молекул пятой группы и константах
десорбции димеров пятой группы с поверхности;
2. Получены простые аналитические выражения, позволяющие
оценивать скорости роста и травления кристалла, минимальную температуру
эпитаксии и температуру конгруэнтного испарения, а также определять
границы образования на поверхности избыточной жидкой фазы;
-
На основе сравнительного анализа процесса роста GaAs и InAs выявлены факторы, ограничивающие возможность высокотемпературного роста данных соединений;
-
Определены предельные скорости термического травления GaAs и InAs в различных режимах (выше и ниже температуры конгруэнтного испарения);
Основные положения, выносящиеся на защиту:
1. Кинетическая модель процессов, протекающих на поверхности полупроводников А3В5 и ее физическое обоснование;
-
Новые модели адсорбции молекул Авг и Asa на поверхности арсенидов Ш-й группы
-
Результаты и выводы исследования процессов, протекающих на поверхности полупроводников А3В5 при их росте из молекулярных пучков;
4. Выявленные качественные особенности проявления многоуровневой
кристаллизации в осцилляциях интенсивности зеркального рефлекса
дифрагированных быстрых электронов.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на Втором Международном семинаре по моделированию роста кристаллов (Durbuy, Belgium, 13-16 Oct. 1996), ХІ-й Международной Конференции по росту кристаллов (The Hague, The Netherlands, 18-23 June, 1995), научном семинаре Универсальной выставки электротехники и электроники UNEL-96 (С.Петербург, апрель 1996), семинарах С.-Петербургского Центра перспективных технологий и разработок и кафедры физической электроники СПбГТУ.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 7 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
