Введение к работе
Актуальность темы.Полупроводниковые твердые растворы на основе системы GaAs - AlAs в настоящее время являются одним из основных материалов оптозлектроники. Прогресс в области гетероэпи-таксии,включая газофазную зпитаксию с применением металлооргани-ческих соединений , молекулярно - лучевую и низкотемпературную жидкофазную эпитаксии, привел к созданию многослойных высокосовершенных полупроводниковых гетероструктур (ГС) на основе GaAs /Gai-x AlyAs.Такие ГС, представляюдае собой чередование зпитак-сиальных слоев с различным составом ..толщина которых изменяется от единиц до сотых долей микрометра .являются основными элементами многих современных оптоэлектронных устройств и приборов -полупроводниковых инспекционных лазеров , светодиодов, фотоприемников .солнечных элементов и т.д. В основу функционирования таких приборов положены физические явления,связанные с генерацией и рекомбинацией неравновесных носителей заряда,их диффузией и дрейфом.Определяющими факторами такого рода процессов являются распределение основных и легирующих компонентов з гетерострукту-рах,заданное изменение состава на границах слоев и степень их внутреннего совершенства.
Полупроводниковые инфекционные лазеры на основе двухсторонней гетероструктуры с раздельным ограничением в системе GaAs / Gai-x А1х As могут состоять из 5 - 9 слоев различного состава, при этом характерный размер активной области у промышленно -выпускаемых образцов составляет обычно 0.05 f 0.5 мкм , а волно-водных слоев - 0.1 rl мкм. В таких структурах используется эффект раздельного ограничения инжектированных в активную область носителей Гза счет одного или двух дополнительных волноводных слоев с меньшей шириной запрещенной зоны ,чем у широкозонных эмиттеров.) и генерированного лазерного излучения Сза счет полного внутреннего отражения на границах широкозонных эмиттеров).При этом активный и волноводныи слои вместе образуют расширенный волновод. Распределение энергетического барьера относительно активной области может быть симметричным или асимметричным,во втором случае полное название таких структур .принятое в литературе - асимметричные двухсторонние гетероструктуры с раздельным огра-
ничением.Дпя получения оптимальных, эксплуатационных параметров в ГС требуется строго определенное соотношение величины барьеров fсоотношение составов ),изменение в распределении которых может приводить к ухудшению характеристик инжекционного лазера.Необходимость посгадийного контроля технологии выращивания подобных ГС,задачи,возникающие при выяснении причин брака,требуют развития адекватных данному объекту способов физической диагностики.
Сложность использования традиционных инструментальных методов исследования обусловлена тем, что обычный рентгеноспектральний микроанализ ГРСМА1 не позволяет надежно контролировать столь тонкие слои из - за недостаточной локальности. Методики косых шлифов применяемые в РСМД,методы масс - спектрометрии вторичных ионов (МСВИ),оже - электронной спектроскопии не обдадают достаточной зкспресснссгью, отдельную проблему составляет построение градуировочной характеристики,МСВИ к тому же является разрушающим методом.Идеи повышения локальности .основанные на точном учете аппаратной функции и решении соответствующей обратной задачи, а также подходы,использующие дисплейные методы хемометрики, либо дисперсионный анализ,не всегда обеспечивают требуемых характеристик анализа.
Цель настоящей работы заключалась в исследовании катодолю-минесцентных свойств асимметричных двухсторонних гетероструктур с раздельным ограничением системы GaAs / Gai-X Aix As и разработке способов неразрушающей локальной диагностики таких ГС,в том числе и глубокозалегающих в структуре субмикронных слоев.
Для решения этой задачи было необходимо:
а) создать адекватную задачам катодолюминесцентного микроа
нализа многослойных ГС систему регистрации излучения и об
работки экспериментальных данных;
б) разработать способ количественного определения содержа
ния основных компонентов в слоях .включая субмикронные .не
посредственно по сколу структуры.
в) разработать способы контроля дефектности слоев гетерост
руктур. основанные на иных физических принципах,чем катодо-
люминесценция (КЛ), для корректной интерпретации люминес
центных измерений.
Научная новизна настоящей работы состоит в том,что:
11 ИсследоЕаны температурные зависимости интенсивности и ширины спектральных линий краевой полосы КЛ асимметричных двухсторонних гетероструктур с раздельным ограничением системы GaAs / Qai-x Alx As в диапазоне 120 - 300 К.
21 Установлены диагностические возможности способа количественного определения по положению максимума краевой полосы КЛ состава субмикронных волноводных слоев ГС GaAs / Gai_x А1Х Аз в условиях перекрытия спектральных линий различной интенсивности непосредственно по сколу структуры.
3) Впервые непосредственно на сколе лазерных ГС GaAs / Gai-x Alx As с помощью низкотемпературного катодолюминесцентпого микроанализа измерен градиент концентраций Дх * 0,06 на границе активного (х * 0,14 1 и волноводного (х « 0,20 1 слоев .толщина которых составила соответственно 0,2 и 0,4 мкм.
41 Установлено,что локальность низкотемпературного катодо-люминесцентного микроанализа по положению максимума краевой полосы в условиях наложения спектральных линий от отдельных слоев может достигать в асимметричных ГС с раздельным ограничением - 0.1 мкм и определяется характером переноса неравновесных носителей в подобных гетероструктурах.
51 Разработан способ "дифференциального" малоуглового рассеяния света.Показано,что при угловом разрешении - 2 данный способ позволяет контролировать структурные дефекты различной природы размером 2 f 10 мкм.
Основные положения .выносимые на защиту.
1.Возможность использования температурной зависимости интенсивности и ширины краевой полосы КЛ тройных соединений Gai_x Alx As ,где хє [0,1 - 0.21] в диапазоне 300 - 120 К для определения непосредственно по сколу составов субмикронных слоев (толщиной до 0,1 мкм) с градиентом концентрации основных компонентов Дх % 0,05 с относительным стандартным отклонением sr=0,03.
2.Диагностические возможности способа катодолюминесцентного микроанализа субмикронных слоев гетероструктур Gai-X А1х As /' GaAs по положению максимума краевой полосы в условиях пе-
рекрытия спектральных линий различной интенсивности.полученные на основе моделирования экспериментально наблюдаемой формы спектра КЛ и подтвержденные результатами экспериментов.
3.Результаты спектральных исследований катодолюминесцентных свойств промышленных асимметричных двухсторонних гетерост-руктур с раздельным ограничением системы GaAs / Gai-X AlxAs и определения состава слоев.этих структур. 4.Способ микротомографии полупроводниковых материалов,основанный на регистрации интенсивности рассеянного на малые углы зондирующего лазерного излучения с угловым разрешением - 2 для контроля структурных дефектов и неоднороднастей различной природы с пространственным разрешением -, 2 мкм ("дифференциальное" малоугловое рассеяние). Научная и практическая ценность работы заключается в развитии метода локальной катодолюминесценции в растровом электронном микроскопе применительно к диагностике сложных лазерных гете-роструктур ; реализации эффективного способа неразрушающего контроля глубокозалегавдих субмикронных волноводных слоев.Создан аппаратный комплекс для проведения количественной диагностики полупроводниковых материалов оптоэлектроники.Разработаны физико - технические основы конструкции лазерного микротомографа, использующего сигналы малоуглового и 90 - градусного рассеяния для определения степени дефектности полупроводниковых материалов.
Апробация работы : Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции "Низкотемпературные технологические процессы в электронике " (Ижевск,1992 ), Российской конференции по локальным методам исследования вещества (Суздаль,1993).Всероссийской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка,1994) Международной конфе-ренциии " ЕХМАТЕС- - 94 " (Парма,Италия,1994 ).
Публикации: по материала}.} диссертации опубликоьано 5 научных работ,список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации:диссертация состоит из введения , пяти глав, списка литературы,ьключающего 135 наименований, и содержит 140 страниц машинописного текста,в том числе 33 рисунка и 2 таблицы.
- У -
