Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Физико-химические особенности поведения ИВП 7
1.1. Основные черты поведения примесей в арсениде галлия 7
1.2. Изовалентные примеси ..., 17
1.3. Физико-химические взаимодействия в системах GaAs -ИВП 27
1.4. Влияние ИВП на свойства GaJU 41
1.5. Постановка задачи диссертационной работы 53
Глава 2. Исследование гетерогенных равновесий в системе GctJU-Bi 55
2.1. Изучение фрагментов диаграммы состояния системы GCQ -As-ВС методом ДТА 55
2.2. Измерение давления пара в системе Ga-JU-Bil методом Кнудсена 60
2.2.1. Аппаратура и методика эксперимента 60
2.2.2. Экспериментальные результаты ..... 72
2.3. Обсуждение результатов 78
Глава 3. Изучение влияния условий ЖФЭ на основные характеристики эпитаксиальных слоев
3.1. Аппаратура 79
3.2. Методика эксперимента 84
3.2.1. Подготовка аппаратуры и исходных материалов 84
3.2.2. Режимы выращивания эпитаксиальных слоев 88
3.3. Характеристики эпитакспальных слоев. GaJU <&(,>.. 94
3.3.1. Морфология поверхности 94
3.3.2. Толщина слоев 101
3.3.3. Структурные характеристики слоев 106
3.3.4» Состав и химическая однородность 113
3.3.5. Построение кривых фазовых равно
весий в системе QaAs-bi 123
3.4. Обсуждение результатов 129
Глава 4, Исследование электрофизических и оптических сеойств эпитак спальных слоев G:a.As
4.1. Электрофизические параметры эпитаксиальных слоев 131
4.1.1. Методика исследования 131
4.1.2. Экспериментальные результаты .... 133
4.2. Спектры фотолюминесценции эпитакспальных слоев 139
4.2.1. Методика исследования 139
4.2.2. Экспериментальные результаты ....
4.3. Обсуждение результатов 1*7
Общие выводы 1*9
Литературы 151
- Основные черты поведения примесей в арсениде галлия
- Изучение фрагментов диаграммы состояния системы GCQ -As-ВС методом ДТА
- Аппаратура
- Электрофизические параметры эпитаксиальных слоев
Основные черты поведения примесей в арсениде галлия
Исследование примесей в GaAs в настоящее время изучено достаточно полно. Основу процессов получения легированных монокристаллов GaJ\s составляют фазовые равновесия в сиотеме GaAs — примесь, которые в общем случае описываются соответствующими диаграммами состояния систем галлий-мышьяк-примесь. Эти диаграммы исследованы довольно подробно многими авторами и описана К Ід 70-128; 2;3 3 .
Имеющиеся данные о коэффициентах распределения К различных примесей в (та As приведены в і 3,с.82І . Для многих примееей значения К ,полученные разными авторами, расходятся. Это связано с тем, что величина К в GraAs зависит от многих условий,в том числе от концентрации примеси, кристаллографического направления рос та, скорое ти роста. В таблЛ.1 показано различие между коэффициентом распределения некоторых основных легирующих примесей в GaAs при разных температурах и его величиной, установленной при температуре плавления соединения. Зависимость коэффициента распределения примесей в арсениде галлия от тетраэдрического радиуса атома примеси представлена на рис.1.1.
По эвеpreтическому спектру уровней примеси принято подразделять на две группы. К первой группе относятся элементы, которые создают в запрещенной зоне мелкие акцепторные и донорные уровни, ко второй - глубокие доноры и акцепторы. Поведение этих примесей в арсениде галлия детально изложено в t І; 4-С.46-69І .Из-за ограничения объёма диссертации, мы рассмотрим их кратко.
Изучение фрагментов диаграммы состояния системы GCQ -As-ВС методом ДТА
За последние годы метод термографии или метод дифференциального термического анализа (ДТА) приобретает все более широкое применение и становится не только основным методом фазового анализа, но и высокочувствительным объективным методом для глубокого ис -следования свойств веществ. Метод хорошо описан в 182,83 ,его сущность заключается в изучении фазовых превращений, совершающихся в системах или индивидуальных веществах,по сопровождающим эти превращения тепловым эффектам. Исследуемый образец подвергается по -стоянному нагреванию или охлаждению с непрерывной регистрацией температуры. В случае возникновения в веществе того или иного превращения, сразу изменяется скорость его нагревания или охлаждения за счет поглощения или выделения тепла»
Метод регистрации тепловых процессов в координатах: температура - время (простая запись),недостаточно чувствителен. Поэтому незначительные тепловые эффекты часто не могут быть обнаружены на кривых простой записи.
Для улавливания тонких превращений,совершающихся в веществе при изменении температуры, применяется дифференциальный метод.При дифференциальном методе регистрируется разность температур между изучаемым веществом и индифферентным,не испытывающим в исследуемом интервале температур никаких термических превращений - эталоном. Эталон размещается в печи вместе с образцом по возможности в одинаковых условиях.
Пока в образце и эталоне нет никаких превращений,при их нагревании между ними сохраняется лишь ничтожная разность температур, обусловленная неизбежной разницей теплоемкости и теплопроводности образца и эталона» Даже слабый термический эффект превращения в образце немедленно вызывает увеличение разности температур образца и эталона, что и фиксируется дифференциальной записью.Раз-ность температур отмечается по оси ординат, время по оси абсцисс.
На практике всегда используются одновременно две записи: простая - для определения температур тех или иных эффектов, и дифференциальная - для увеличения чувствительности установки.
Вместе с методом ДТА при изучении диаграммы состояний веществ часто применяются и другие методы фазового анализа, такие как микроструктурный анализ (металлография), измерение микротвердости, рентгенофазовый анализ и т.д.
В настоящее время диаграммы состояния Ga- AS -ИВП (Лб уц S& и также Р ) хорошо изучены, но сведения о системе GTQ- AS-БІ. почти отсутствуют. Знание диаграммы состояния Go. - As - Ы необходимо для обоснованного выбора режимов выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия из висмутовых растворов-расплавов.Во время выполнения нашей работы в печати появилась статья І84І ,в которой описаны эксперименты по изучению фрагментов диаграммы состояния системы (то. - As - Bi. .Поэтому наши опыты по изучению диаграммы состояния мы опишем весьма кратко.
Аппаратура
Жидкофазную эпитаксию (ЖФЭ) можно определить как кристаллизацию слоя материала из жидкого растьора на подложке определенной кристаллографической ориентации, причем слой принимает ориентацию подложки.Впервые метод ЖФЭ был применен Дитрихом и Нельсоном t91) для выращивания слоев германия,впоследствии Нельсон использовал этот метод для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия из расплава галлия [92], С тех пор, разработано большое количество разнообразных методик и аппаратов для получения слоев полупроводниковых соединений Атіг из раствороЕ-расплавоБ. По аппаратурному оформлению системы для ЖФЭ южно условно разделить на "открытые" и "закрытые" 3,93 1 .В зависимости от температурных условий на фронте кристаллизации, поддерживаемых в процессе эпитаксиального наращивания, способы ЖФЭ могут быть подразделены на "изотермические" и "неизотермические" [і,3,94І .В настоящее Бремя наибольшее применение как в лабораторной,так и в промышленной практике нашли способы, основанные на принудительном охлаждении растЕора-расплава. Поэтому для выращивания эпитаксиальных слоев GQ J\s Bu нами была использована установка горизонтального типа,работающая в "открытом" варианте при непрерывном охлаждении растЕора-расплава,применяемая обычно для выращивания как GaJJs ,так и твердых растьх)-ров на его основе»
Блок-схема установки для выращивания эпитаксиальных слоев представлена на рис.3.1. Процессы проводили в протоке водорода, очищенного путем диффузии через палладиевый фильтр на установке типа ОДВ-4. Точка "росы" Еодорода,прошедшего очистку не превышала - 80 -70С. Очищенный водород подавался в реактор (5).Внутри реактора располагался контейнер (6), конструкция которого будет рассмотрена ниже. Металлический фланец (I), герметизирующий реактор, охлаждался проточной водой» Через фланец с помощью фторопластовых (или резиновых) уплотнений в реактор вводились кварцевая трубка (2) и вольфрамовый стержень (3). Трубка (2) использовалась одновременно для фиксации контейнера (6) и в качестве чехла для хро -мель-алюмелевой термопары, С помощью этой термопары выполнялись периодические промеры температурного профиля печи (4) и осуществлялся контроль температуры непосредственно в рабочей зоне реактора во время проведения процессов ЖФЭ, Вольфрамовый стержень слу -жил для перемещения слайдера - подвижной части контейнера - для совершения операции контакта раствора-расплава с источником насыщения или подложкой» С целью создания изотермического плато, в работе использовали трехзонную печь сопротивления, состоящую из центрального и двух боковых нагревателей, В обмотку печи встроены 3 регулирующие Pt - PtRVv. термопары, ЭДС которых поступает на блоки регулирования температур (7) типа "Репид-I". Сигнал разбаланса напряжений с блоков Тепид-І" подается на исполнительные элементы автоматического регулирования (8), представляющие собой блоки тиристоров, включенные в первичную обмотку понижающего трансформатора (9), Вторичная обмотка этого трансформатора соединена с нагревателями трехзонной печи (4), В цепь управления центральной зоны включено программное устройство (10) типа БПВ8-0І. Скорость охлаждения печи, задаваемую этим программным устройством, можно было варьировать от 0,1 град/мин до 5 град/мин.
Электрофизические параметры эпитаксиальных слоев
Тип проводимооти, концентрацию Yi ( р ) и подвижность, и носителей заряда в эпитаксиальных слоях определяли из измерений коэффициента Холла R и удельной электропроводности 6 по методу Ван-дер-Пауэ [lII,o.278l .
Принципиальная схема установки для измерения электропроводности 6 и коэффициента Холла R представлена на рис.4.1. Измерения проводились с помощью цифрового вольтметра Щ 68002. Напряжение на образец подавалось от стабилизированного и регулируемого источника питания СИП Б 5-43. В установке использовалоя электро -магнит постоянного тока. Напряженность магнитного поля определялась по амперметру, показывающему величину тока, протекающего через магнит, и отградуированному измерителем магнитной индукции типа ИМИ-3. Измерения электросопротивления и коэффициента Холла проводились при напряженности магнитного поля Н =3000 Э.
Для устранения паразитных ЭДС, возникающих на холловских контактах и связанных с несимметричным расположением контактов,а также с термоэлектрическими и термомагнитными эффектами,измерения проводились при двух направлениях тока через образец и магнитного поля.
Для измерения к эпитаксиальным слоям изготавливали омические контакты. Контактным материалом для исследуемых слоев п-типа служило олово, а для слоев р-типа - индий. Вплавление контактных материалов производилось искровым методом с помощью разряда конденсатора емкостью 20 мкф. Переходное сопротивление таких контактов было на два порядка ниже сопротивления исследуемых образцов.
Все измерения проводили при температурах комнатной и жидкого азота Относительная ошибка при измерении R составляла 10 %$ а при измерении JA 8 %т
Концентрация ионизованных центров №{. в эпитаксиальных слоях п-типа проводимости определялась по следующим выражениям [III, с,287 ]
