Содержание к диссертации
Введение
1 Твердые растворы CdxHgj.xTe и методы их получения.
1.1 Свойства материала КРТ и возможности его использования для создания фотоприемных приборов ИК диапазона 16
1.2 Современные тенденции развития фотоприемных устройств 25
1.3 Методы получения материала, возможности и ограничения 29
1.4 Возможности метода МЛЭ, его особенности и современное состояние 32
1.5 Выводы к главе и постановка задачи 38
2 Технологическое оборудование и используемые методы контроля за параметрами технологического процесса
2.1 Промышленно ориентированная установка "Обь-М" 40
2.1.1 Принцип построения и оснащение ростовых камер 40
2.1.2 Конструкция технологического блока 45
2.2 Автоматизированная система управления технологическим процессом 53
2.3 Методика и возможности эллипсометрического контроля за параметрами технологического процесса 58
2.3.1 Основные положения метода эллипсометрии 58
2.3.2 Влияние температуры и подложіси и рельефа поверхности на изменение эллипсометрических параметров 62
2.3.3 Возможности метода эллипсометрии для контроля состава эпитаксиальных пленок КРТ в процессе роста 63
2.4 Поляризационный пирометр и возможность бесконтактного контроля температуры подложки в процессе роста 68
2.5 Выводы к главе 72
3 Поверхностные процессы при мо лекулярно- лучевой эпитаксии CdTe
3.1 Термодинамический анализ МЛЭ CdTe 75
3.2 Процессы в адсорбционном слое при МЛЭ CdTe 79
3.2.1 Энергетика поверхностных процессов 80
3.2.2 Экспериментальное исследование процессов в адсорбционном слое на поверхности CdTe 84
3.3 Состав паровой фазы на поверхности подложки 90
3.3.1 Равновесный случай 93
3.3.2 Неравновесный случай 94
3.3.3 Случай термического травления 95
3.3.4 Расчет состава паровой фазы на поверхности 97
3.4 Скорости сублимации и роста CdTe 101
3.5 Выводы к главе 105
4 Экспериментальное исследование процессов роста буферных слоев и КРТ на подложках GaAs с использованием эллипсометрии in situ
4.1 Предэпитаксиальная подготовка подложек 107
4.1.1 Химическое травление подложек 107
4.1.2 Исследование термической очистки подложек 109
4.2 Рост буферных слоев теллурида цинка и теллурида кадмия
4.2.1 Эпитаксиальный рост теллурида цинка на подложках GaAs 114
4.2.2 Эпитаксиальный рост теллурида кадмия 118
4.3 Рост КРТ
4.3.1 Рост КРТ постоянного состава и с плавно изменяющимся градиентом состава 126
4.3.2 Возможность выращивания КРТ в виде потенциальных барьеров и ям с прецизионным контролем, как толщины, так и состава растущего слоя 130
4.3.3 Возможность самопроизвольного формирования вертикальной периодической наноструктуры с модулированным составом в пленках CdxHgi-xTe 137
4.4 Выводы к главе 145
5 Связь ростовых условий с электрофизическими параметрами КРТ и реализация приборных структур
5.1 Влияние варизоиных структур на время жизни неосновных носителей заряда 148
5.2 Оптимизация условий роста КРТ с использованием метода многофакторного анализа 149
5.3 Влияние антиструктурного теллура на концентрацию электронов в ГЭС КРТ МЛЭ 159
5.4 Реализация линеек фотосопротивлений и матричных фотоприемных структур 168
5.5 Выводы к главе 174
Основные положения и результаты (выводы) 177
Литература 179
- Современные тенденции развития фотоприемных устройств
- Автоматизированная система управления технологическим процессом
- Экспериментальное исследование процессов в адсорбционном слое на поверхности CdTe
- Эпитаксиальный рост теллурида цинка на подложках GaAs
Введение к работе
Актуальность іемьі. Для создания систем инфракрасного наблюдения используются полупроводниковые материалы с малой шириной запрещённой зоны. Используемые элементарные и бинарные полупроводниковые материалы характеризуются, как правило, фиксированной величиной запрещённой зоны или энергией ионизации примесного уровня, определяющими максимум спектральной чувствительности приборов на их основе. Твёрдые растворы на основе теялурида кадмия и ргути Cd„Hgi хТе (КРТ) имеют широкий спектральный диапазоном фоточувствительности (1-25 мкм) в зависимости от состава и интервал рабочих температур (от 77К до 300К) Высокие значения подвижности и низкая собственная концентрация носителей заряда выдвигает его в лидирующее положение при создании фотонриёмных (ФП) устройств инфракрасного (ИК) диапазона 1 енденция развития тепловизионных систем направлена на разработку линеек и магриц фотоприёмников большой размерности (с числом элементов 1024x1024 и более), связанных с коммутаторами для обработки сигнала В соответствии с этим направлением технология получения материала для ИК фотоприёмников должна обеспечивать приготовление пластин большой площади с однородным распределением сосіава и с заданными фотоэлектрическими свойствами. Развитие ФП идеї по пути создания 2-х и многоцветных систем, для чего необходимы структуры КРТ с заданным распределением состава но толщине. Для создания нового класса приборов с квантовыми ямами и барьерами толщиной в несколько нанометров, а так же излучательных (лазерных) струк-іур, необходимо контролируемое выращивание структур КРТ с резким профилем распределения состава по юлщине При этом необходим прецизионный контроль, как состава, так и толщины на-нослоев.
Наиболее подходящими методами получения такою материала являются эпитаксиальные методы выращивания. Широко используемая технология жидкофазной эпитаксии позволяет в настоящее время получать материал КРТ с требуемыми электрофизическими характеристиками пригодными для создания высокосовершенных ФП устройств. Однако из-за сравнительно высокой температуры роста (выше 400С) имеются ограничения в выборе подложечного материала, существует взаимодиффузия компонентов и, как следствие, наличие плавного варизонного слоя в эни-таксиальной сіруктуре, диффузия паразитных примесей из подложечного материала. Кроме того, существуют затруднения при получении поверхности с хорошей морфологией, особенно для подложек большого размера, необходимых для создания большеформатных ФП. Получение структур с контролируемым резким профилем состава по юлщине так же затруднительно Преимущества меюда молекулярно лучевой эпитаксии (МЛЭ) заключаются в возможности выращивания энитак-сиальных слоев на хорошо разработанных более дешевых (чем CdTc или CdZnTe с 4% содержанием Zn) подложках (GaAs, Si, Ge и т.и) большой площади (до 100 мм в диаметре), мониторинга
-і і-
процесса роста. Метод МЛЭ позволяет выращивать буферные слои, различною рода защитные слои, а так же целевые слои КРТ различно! о состава в едином іехнолої ическом процессе
В литерагуре имеется большое количество данных по изучению процессов МЛЭ CdTe и КРТ на подложках с ориентациями поверхности (100), (112)В и (111). Однако ни экспериментальных результатов, ни модельных представлений по эпитаксиальному росту CdTe, ZnTe и КРТ на вицинальных поверхностях (013) практически не приводится При исследовании эпигаксиалыюго роста CdTe методом дифракции быстрых электронов на отражение было показано, что па ростовой поверхности существует адсорбционный слой молекул теллура, связанный с затрудненностью диссоциации молекул теллура из-за низкой ростовой температуры. Однако, не приводятся зависимости толщины адсорбционного слоя о г величины потока теллура, температуры подложки Энергетические характеристики молекул теллура на ростовой поверхности так же не приводятся
Влияние на процесс роста адсорбционного слоя молекул теллура на поверхности и получаемые электрофизические характеристики материала КРТ гак же в литературе пе обсуждается.
Из-за отсутствия в России на момент начала работы установок МЛЭ, предназначенных для выращивания ртутьсодержащих соединений, при разработке технологии МЛЭ КРТ пришлось решать следующие вопросы
Конструкторско-техпологические
разработка источников молекулярных потоков, обеспечивающих получение эпигаксиаль-ных плёнок КРТ с высокой однородностью по площади пластины;
разработка метода и конструкции прибора для бесконтактного измерения температуры подложки во время эпитаксиального роста слоев,
стабильного поддержания и управления потоками во время роста,
контроля морфологии и состава растущей плёнки КРТ Физико-химические
определения энергетических характеристик молекул теллура па ростовой поверхности,
влияния адсорбционного слоя молекул теллура на процессы, происходящие на поверхности при эпитаксиальном росте CdTe и КРТ;
установления связи электрофизических параметров с ростовыми условиями,
определения диапазона ростовых условий для воспроизводимого выращивания і етероэпи-таксиальных структур КРТ с заданными электрофизическими параметрами,
построения модели, количественно описывающей процессы, происходящие на поверхности при росте CdTe, ZnTe и КРТ.
Целью работы является исследование процессов происходящих на поверхности при эпитаксиальном росте CdTe и CdxHgi ,Те и разработка технологии молекулярпо-лучевой эпитаксии
для воспроизводимого выращивания эпитаксиальных сірукіур КРТ, пригодных для создания высококачественных многоэлемешных матричных фотоприемных устройств, работающих в ИК области.
Объекты и методы исследования.
Исследование процессов роста проводилось на усіановке "Обь" и "Обь-М" Для контроля за процессом эпитаксиального роста использовались методы дифракции быстрых электронов на огражение и метод эллипсометрии Причем, последний, использовался как на стадии предэпитак-сиальной подготовки подложки (десорбция оксидов с поверхности GaAs), так и при эпитаксиаль-ном росте ZnTe и CdTe При росте КРТ эллипсометрия использовалась как основной метод для контроля скорости роста, толщины эпитаксиальных структур, морфологии растущей плёнки, так и определения состава КРТ Исследования сопровождались разработкой методики эллипсометриче-ского контроля параметров технологического процесса Экспериментальные исследования адсорбционного слоя молекул теллура на поверхности (001) и (013) CdTe осуществлялись с помощью метода эллипсометрии При разработке конструкции установки "Обь-М" проведен расчет потоков Те, Cd и Zn, предложена конструкция исючников молекулярных потоков, произведен их монтаж и юстировка. Для коніроля температуры подложки во время роста КРТ предложен и Испытан оригинальный способ измерения температуры подложки, основанный на измерении разности ортогонально поляризованных компонент излучения подложки.
Тип проводимости, концентрации носителей заряда и их подвижности в выращенных слоях КРТ измерялись методом Холла Время жизни неосновных носителей заряда измерялось СВЧ методом по спаду неравновесной фотопроводимости. Состав выращенных слоев КРТ контролировался по спектрам пропускания.
При определении технологических условий эпитаксиальногсо роста использовались модельные представления, полученные из анализа существования адсорбционного слоя молекул теллура на ростовой поверхности.
Окончательная оптимизация технологических процессов производилась с использованием метода Бокса-Уилсона (метод крутого восхождения) с учетом линейной комбинации факторов
Научная новизна работы состоит в следующем
установлено, что на росювой поверхности при росте теллуридов происходит недиссоциативная адсорбция теллура, измерены изотермы адсорбции и найдены степени заполнения поверхности теллуром в зависимости от величины поступающего потока теллура;
из экспериментальных данных произведены оценки энергетических характеристик процессов десорбции и диссоциации теллура на поверхности CdTe. Показано, что энтальпия десорбции двухатомного теллура на (013)CdTe (41,1 ккал/моль) близка к энтальпии сублимации теллура,
а энергия активации диссоциации двухатомного теллура определена из экспериментальных данных и для ориентации поверхности CdTe (100) составляет 22 ккал/моль;
-для количественного описания процессов происходящих на поверхносіи теллурида кадмия предложена модель, основанная на сущее гвовании на поверхности адсорбционного слоя, содержащего молекулы двухатомного теллура, атомы кадмия и теллура Модель позволяег описать такие экспериментальные эффекты, как изменение скорости осаждения в широком интервале температур (более 100 градусов) при неизменной интенсивности поступающих на поверхность потоков компонентов; высокую скорость десорбции, слабо зависящую от температуры подложки Модель предсказывает высокие степени заполнения поверхности двухатомным теллуром Степень заполнения приближается к единице при снижении температуры подложки до 200 - 220С даже при стехиометрических потоках кадмия и теллура поступающих на подложку Из модели следует также, что равновесие между двух- и одноатомным состояниями теллура на поверхности не устанавливается и активность теллура в двух- и одноатомном состояниях различна.
- установлено, что плёнки CdxIIg|.xTe составов х = 0,20-0,30, выращенные методом МЛЭ на подложках GaAs (013) и CdTe (013), имеют n-тип проводимости, а величина концентрации электронов проводимости определяется температурой выращивания и составом плёнки;
предложена модель неравновесного встраивания одноатомного теллура в подрешетку металла твёрдого раствора КРТ (антисгруктурпый ісллур) в процессе МЛЭ и произведена экспериментальная проверка модели путем изменения активное одноатомного іеллура при прочих неизменных условиях выращивания Показано хорошее соответствие экспериментальных результатов с іеоретической моделью, эксперимешально наблюдалось повышение концентрации электронов в плёнках при повышении температуры диссоциации двухатомного теллура (температуры крекинга);
отработана методика применения метода эллипсометрии для мониторинга технологического процесса от предэпитакиалыюй подготовки подложки, роста буферных слоев вплоть до роста КРТ различного состава Применение эллипсометрии in situ поіволило контролировать десорбцию оксидов с поверхности подложки при её термическом прогреве в сверхвысоком вакууме, отработать режим роста буферных слоев, контролируемо выращивать і етероэпитаксиальные плёнки КРТ с различными варизонными слоями на границах эпитаксиалыюй плёнки, вплоть до выращивания различных потенциальных барьеров и ям
выращивание широкозонных слоев на гетерогранице плёнка-подложка и у поверхности плёнки КРТ, что позволило уменьшить рекомбинацию носителей заряда на границах и получить эпигаксиальные структуры с временами жизни неосновных носителей заряда не уступающими
лучшим опубликованным данным для плёнок выращенных методом ЖФО И МЛЭ на согласованных подложках CdZnTe
На зашиту выносятся следующие основные научные положения и результаты:
-
Хемосорбция молекул двухатомного теллура на поверхности CdTe происходит без диссоциации молекул теллура. Теплота адсорбции двухатомного теллура (41 ккал/моль) близка к энтальпии сублимации геллура
-
С использованием разрабоїанной модели адсорбционного слоя и экспериментальных данных но скорости сублимации CdTe оценена энергия активации диссоциации двухатомного іеллура, составляющая величину около 22 ккал/моль Из-за высокой энергии активации диссоциации равновесие между двух- и одноатомньш состояниями геллура при температурах МЛЭ на поверхности не устанавливается.
-
Донорными центрами в слоях Cd»Hg, „Тс, выращиваемых методом МЛЭ, являются атомы -
теллура в металлической подрешётке твёрдого раствора (антиструктурный теллур). Проведено рассмотрение механизмов встраивания и установлено, что ответственным за механизм является одноатомный теллур, существующий на поверхности при эпитаксиальном росте.
4 Установлено, что путем изменения концентрации одноатомного теллура в потоке за счет
изменения температуры крекинга можно контролируемо управлять концентрацией донорных цен
тров в CdxHgi „Те в широком интервале концентраций - от 2* 1014 см"3 до 5* 1017 см3.
5. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии Cd,Hgi.«Te с in situ эллипсометрическим контролем позволяет управлять предэпитаксиальной подготовкой подложек (013)GaAs при их термической очисіке, определять скорости рост и развитие морфологи при росте как буферных слоев ZnI е, CdTe, так и Cd„Hgi хТе, а в последнем случае проводить и контроль состава растущего слоя. Метод также позволяет воспроизводимо получать высококачественные гетероструктуры КРТ с заданным профилем распределения состава по толщине без существенного изменения ростовых условий, вплоть до выращивания потенциальных барьеров и ям толщиной до нескольких нанометров с размытием іегероіраниц не более одного монослоя.
Научная и практическая значимость работы.
Научная ценность полученных результатов заключается в том, что разработана модель, позволяющая численно описать процессы, происходящие на поверхности при МЛЭ теллуридов кадмия, ртути и цинка. Модель основывается на термодинамических представлениях и учитывает кинетические процессы, связанные с существованием на поверхности хемосорбированного слоя молекул геллура. Наличие хемосорбированного слоя показано из in situ эллипсометрических измерений изотермы адсорбции теллура на поверхности CdTe. На основании полученных представлений и сравнении с экспериментальными результатами определены технологические условия получе-
ния гетероэпитаксиальных плёнок КРТ с высоким структурным совершенством и электрофизическими характеристиками, необходимыми для создания приборных структур.
Разработана методика in situ эллипсометрического контроля процесса предэпитаксиальной подготовки подложек, роста буферных слоев, выращивания слоев КРТ различного состава как с плавно изменяющимся распределением состава по толщине плёнки, так и для выращивания различных потенциальных барьеров и ям.
Разработаны основные узлы технологической оснастки установок МЛЭ, позволяющие получать ГЭС КРТ с высокой однородностью по площади пластины. Впервые предложен способ и разработан прибор для бесконтактного измерения температуры подложки во время эпитаксиаль-ного роста КРТ, позволяющий контролировать температуру роста с точностью ±2С
Выращивание варизонных слоев на границах рабочего слоя в структурах КРТ МЛЭ дало возможность изготовить ИК фотоприёмники с высокой чувствительностью и обнаружительпой способностью. В результате работы выращены ГЭС КРТ МЛЭ, использованные для создания линеек ИК фоторезисторов, матриц ИК диодов в рамках тем ИФП СО РАН "Фотоника-3", "Маїри-ца-Х", "Даль-ИК" и ОКР "Продукт". На полученных структурах изготовлены ФП с различной размерностью на диапазоны длин волн 3-5 и 8-Н4 мкм, работающие при 77К, и на диапазон 3-ь5 мкм, работающие при 210К
Технические решения, разработанные в процессе выполнения работы, позволили создать ГЭС КРТ МЛЭ по всем параметрам (однородность состава, фотоэлектрические параметры), пригодные для изготовления ИК-приёмников с предельными характерисшками Выпущены ТУ на ГЭС КРТ МЛЭ, позволяющие использовать их для производства серийных фотоприёмных устройств.
ГЭС КРТ МЛЭ включены в перечень материалов, разрешенных для использования в военной технике. Ведется поставка ГЭС КРТ МЛЭ на заводы и в организации России, производящие и разрабатывающие ИК ФПУ.
Достоверность полученных результатов и выдвигаемых на защиту научных положений определяется тем, что все экспериментальные результаты получены с использованием современной экспериментальной техники и апробированных методик измерений на большом числе образцов. Полученные в работе данные по темнерагурным зависимостям показателя преломления и поглощения для GaAs, CdTe, и КРТ согласуются с известными экспериментальными и расчетными результатами других авторов. Полученные данные по энтальпии десорбции двухатомного теллура так же согласуются с литературными данными. Предложенная модель не противоречит современным представлениям о физических процессах, происходящих на поверхности, при эпитаксиальном
росте и предсказанные изменения скорости роста в широком интервале температур согласуется с экспериментальными результатами.
Личный вклад автора в диссертационную работу заключается в определении способов решения и обосновании задач исследований, проведении измерений и методических разработок, необходимых для их реализации Он также заключается в выращивании эпитаксиальных структур, анализе и интерпретации полученных результатов, в организации и выполнении экспериментальных исследований
Часть результатов по модельному представлению процессов происходящих на поверхности при эпигаксиальном росте выполнены совместно с д ф.-м.н. Сидоровым Ю.Г; по измерениям изотерм адсорбции теллура с к.ф -м н Дворецким С.А ; измерения электрофизических характеристик выполнены сне Варавиным В С . Методическое сопровождение эллипсометрических измерений осуществлялось к ф.-м.н. Швец В.А., а эксперименты и численные расчеты по распределению потоков молекулярных пучков совместно с инж.-технологом Смирновым Р.Н. Измерения спектров пропускания и отражения эпитаксиальных плёнок CdTe и CdxHgi-xTe различного состава выполнены к ф -м.и Ремесником В.Г . На разных этапах работы участие в исследованиях принимали научные сотрудники различных подразделений ИФП СО РАН и ТГУ (г.Томск).
Все работы проводились в тесном взаимодействии с соавторами, которые не возражают против использования в диссертации совместно полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VII международной конференции по соединениям А2В6(г. Эдинбург, Англия, 1995г); на II международном совещании по МЛЭ (г Варшава, Польша, 1996г.); на конференции общества SPIE (г. Орландо, США, 1996г.), на XI международной конференции по тройным соединениям (г Сэлфорд, Англия, 1997г.); на VIII международной конференции по узкозонным полупроводникам (г. Шанхай, КНР, 1997г.), на IV Российской конференции по физике полупроводников (г.Новосибирск, 1999г.), на Международном семинаре по Росту и исследованиям II-VI полупроводниковых соединений (г Вюрцбург, Германия, 1999), на 5 Международном семинаре (г.Крит, Греция 2000г), на конференции общества SP1E (г Закопане, Польша, 2002г), на X Национальной конференции по росту кристаллов (г.Москва, 2002г), на Всероссийском совещании по актуальным проблемам полупроводниковой фогоэлекгроники (г Новосибирск 2003 г), на XVIII международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва 2004 г).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 печатных работ. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы В конце каждой главы приводяіся выводы по главе Диссертация содержит 192 страницы, 65 рисунков и 3 таблицы, список литературы из 158 наименований
Современные тенденции развития фотоприемных устройств
Развитие ИК фотоприемников (ФП) шло по нескольким направлениям. Увеличивалось число чувствительных элементов в матрицах, изготавливаемых на основе различных фоточувствительных материалов. На рис. 1.3 показаны достижения субмикронной технологии и рост форматов матриц приемников [24]. Несмотря на разработки ИК фотоприемников на альтернативных материалах, твердые растворы Hgi_ xCdxTe остаются базовым материалом для ИК ФП с предельными обнаружительными способностями благодаря своим уникальным физическим свойствам [25]. Обладание технологией производства приборов на основе CdxHgi.xTe является ключевым аспектом в обеспечении национальной безопасности государства. Однако технология производства приборов на основе CdxHgj.xTe весьма сложна и требует наличия соответствующей научно-технической базы: - высокого уровня научных исследований, обеспечивающего создание физико- химических основ технологических процессов приготовления CdxHgi.xTe и приборов на его основе; - опыта разработки и технической базы для изготовления сложного прецизионного оборудования для выращивания CdxHgi-xTe; - достаточных финансовых средств для инвестирования в проекты по разработке материала CdxHgi-xTe и приборов на его основе. Указанными выше возможностями в полном объеме обладают кроме России только несколько стран в мире: США, Великобритания, Франция и Япония. Развитие матричных ИК фотоприемников происходит не только в направлении увеличения форматов. Растет спрос и на многоспектральные фотоприемники с одновременным детектированием двух длин воли в одном пикселе - рис. 1.3 [26]. КРТ является идеальным материалом для таких применений благодаря возможности изменения ширины запрещенной зоны практически от 0 эВ до 1,4 эВ без существенного изменения параметра кристаллической решетки. Первое поколение ИК ФП на основе КРТ представляли собой линейки фотосопротивлений, изготовленные из объемного материала. Второе поколение — линейки и матрицы фотодиодов.
Для их изготовления используются эпитаксиальные пленки КРТ, выращенные как наиболее разработанным методом ЖФЭ, так и интенсивно развиваемыми методами МЛЭ и МОПФЭ, Третье поколение, разрабатываемое в настоящее время - это матрицы с числом элементов не менее Шб штук двух- или многоцветных фотодиодов. Для их изготовления используются в подавляющем большинстве случаев многослойные легированные структуры, изготовленные методом МЛЭ. К 2000 году, как показано на рис.1.4 [27], разработка приемников первого поколения в мире практически прекратилась. Однако производство приемников первого и второго поколения, а соответственно и КРТ для них, видимо будет продолжаться довольно долго для производства и поддержания в рабочем состоянии основанных на них ИК систем [28]. Развитие архитектуры ИК ФП идет по пути использования многослойных структур с различным типом легирования. В результате удается повысить рабочую температуру, создать двухцветные [29] и многоцветные фотоприемники [27] и улучшить чувствительность. Все это повысило роль метода МЛЭ в производстве КРТ. Благодаря низкой температуре выращивания МЛЭ обеспечивает приготовление структур на основе КРТ с наибольшей резкостью гетерограниц по сравнению с другими методами.
Также благодаря низкой температуре обеспечивается низкая концентрация электрически активных дефектов - достигаемая концентрация носителей заряда лежит на уровне менее 1015 см"3, при высокой подвижности основных носителей и высоком времени жизни неосновных носителей заряда. Качество КРТ, производимого методом МЛЭ, чрезвычайно сильно повысилось в последние десять лет и на его основе были созданы ИК ФП разнообразных форматов, работающие в режиме ограничения фоновым излучением [30]. Из всех методов выращивания КРТ, МЛЭ обладает наибольшими возможностями контролируемого выращивания эпитаксиальных слоев КРТ на инородных ("альтернативных") подложках. Ниже рассмотрим возможности основных методов получения КРТ: выращивание объемных кристаллов (ОК) из жидкой фазы, жидкофазная эпитаксия и МЛЭ. Остальные методы, включая и парофазную эпитаксию (ПФЭ) и эпитаксию из металяорганических соединений (МО ПФЭ) еще далеко не прошли стадию научных исследований.
Автоматизированная система управления технологическим процессом
Как было видно из предыдущего раздела, рост КРТ и буферных слоев в установке "Обь-М" осуществляется из независимых двух-трсх зонных источников молекулярных пучков [66]. Величины потоков определяются температурой нагревателей, и контроль температуры осуществляется хромель-алюмелевыми термопарами ( 8 независимых каналов). Дополнительно камеры выращивания КРТ и буферных слоев оснащены: автоматическим эллипсометром и датчиками потоков. Основные параметры контроля технологического процесса: температуры молекулярных источников и подложки, величины мощностей подаваемых на нагреватели, данные датчиков потоков, эллипсометрические данные. Осуществлять регистрацию и управление режимами технологического процесса без использования автоматизированной системы управления становится практически невозможным. Для воспроизводимого выращивания эпитаксиальных структур КРТ, контроля и записи параметров технологических процессов разработана, изготовлена и запущена в эксплуатацию трехуровневая автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) [67],
Первый уровень представлен усилителями мощности постоянного тока (0,5 кВт (50В/10А), 0,9 кВт(ЗОВ/ЗОА) и 2,0 кВт(30В/б0А)), выполненных в виде отдельных блоков, предназначенных для питания нагревателей молекулярных источников и подложек ( на рисунке показано стрелками). Второй уровень исполнен в виде многоканального программируемого контроллера ("Контроллер") и предназначен для измерения температур нагревателей и управления первым уровнем АСУТП. Аяпаратно "Контроллер" выполнен как магистрально - модульная система. Регуляторы температуры контроллера построены по компенсационной схеме с полной гальванической развязкой и позволяют поддерживать температуру с использованием ПИД-режима с точностью ±1 мкВ (для ХА термопар ±0.04 С). Имеется возможность покадровой записи рабочих программ: (до 40 кадров с возможностью циклирования) по каждому из 16 температурных каналов.
Третий уровень АСУ ТП представлен ЭВМ с устройствами сопряжения и оригинальным программным обеспечением (ПО). Через универсальную плату сопряжения, (многоканальное АЦП) подключен автоматический встраиваемый эллипсометр и другие аналитические приборы. ПО производит управление процессом МЛЭ из электронных таблиц Excel со всем необходимым сервисом: сбором информации, документированием и математической обработкой. Данный принцип построения ПО позволяет формировать шаблоны для планируемых технологических процессов, представлять данные в наглядном графическом виде, производить математические и логические преобразования и вводить обратные связи без привлечения профессионального программиста.
Увидеть функциональные возможности системы АСУ ТП можно на примере работы с электронными таблицами. Все поступающие данные в псевдореальном масштабе времени заносятся на специальный лист книги электронных таблиц "Excel". Этот лист представлен на рис.2.7. На рисунке выделены блоки, показывающие: состояние каждого из термоканалов; состояние быстродействующего эллипсометра с возможностью управления режимом его работы; состояние и сигналы с другого аналитического оборудования. Поскольку функциональные возможности электронных: таблиц "Excel" полностью сохранены, то поступающие данные по желанию оператора могут быть представлены в любом удобном для него графическом виде с возможностью любого масштабирования и т.п. Для удобства работы оператора возможно создание шаблонов наиболее часто реализуемых технологических процессов.
В качестве примера на рис.2.8 представлены результаты поддержания технологических параметров. В верхней части рисунка показано поведение в реальном времени источника потока ртути и паропровода. Справа по вертикальной оси показано напряжение на нагревателях, а слева температура, измеренная в мкВ (хромель-алюмелиевая термопара). Видно, что для удержания заданного значения температуры источников, нагреватели соответствующим образом меняют мощность. Ниже - изменение состава растущей пленки КРТ от толщины. Расчет- состава и толщины производится непосредственно во время роста по данным эллипсометрических измерений. На вставке [68] демонстрируется точность поддержания состава при росте пленки постоянного состава.
Поскольку в процессе эпитаксиального роста на установке "Обь-М" однородность потоков веществ направляемых на подложку достигается за счет специальной конструкции источников и технологического блока, а не за счет вращения подложки, то становится возможным использование аналитических приборов для контроля за структурным совершенством растущего слоя, морфологии поверхности, скорости роста и состава КРТ. Для этого используются две методики: дифракция быстрых электронов на отражение (ДБЭО) и эллипсометрия. Возможности и особенности метода ДБЭО подробно представлены в книге [69], Метод достаточно разработан, известен и широко используется в МЛЭ, поэтому здесь он не будет рассматриваться. Ниже подробнее рассмотрим метод эллипсометрии, который успешно нами используется на всех стадиях технологического процесса.
Экспериментальное исследование процессов в адсорбционном слое на поверхности CdTe
Необходимые для описания рассмотренной модели энергетические характеристики поверхностных процессов были определены экспериментально. Для этого использовалась эллипсометрия in situ и дифракция быстрых электронов (ДБЭО). Первый метод использовался для исследования адсорбции компонентов на поверхности CdTe, а ДБЭО для контроля за состоянием поверхности в экспериментах по адсорбции и для определения скорости роста и сублимации при послойном росте и десорбции в вакууме.
Было проведено экспериментальное исследование адсорбции теллура на поверхностях CdTe различной ориентации - (001) и (013) [98]. Ориентация (100)CdTe была выбрана для получения экспериментальных данных по процессам адсорбции-десорбции и сравнения их с известными литературными данными. Поверхности (001) и (013)CdTe приготавливались выращиванием слоев CdTe через тонкий слой ZnTe на подложках GaAs [92] соответствующей ориентации в этой же установке и не требовали операций очистки поверхности перед экспериментами по адсорбции.
Эксперименты по адсорбции - десорбции теллура заключались в циклической экспозиции поверхности образца CdTe (TniMl=const) потоком теллура известной плотности.
Температура образца контролировалась хромель-алюмелевой термопарой с тыльной стороны образца, Величина потока теллура варьировалась с помощью изменения температуры источника теллура и калибровалась по эллипсометрическим измерениям по скорости осаждения теллура на холодную подложку. При эквивалентных давлениях теллура в молекулярном пучке выше равновесного давления паров чистого теллура при температуре подложки происходило осаждение теллура на поверхности. Этот процесс отображался на эллипсометрических измерениях как формирование закручивающейся спирали в Ч -А-плоскости и соответствовал образованию поглощающей пленки теллура. Обработка спирали позволяла определить скорость роста пленки теллура и соответственно эквивалентное давление паров теллура в молекулярном пучке. Методика обработки описана в работе [99].
На рис.3.5 показано типичное поведение эллипсометрических углов Д и у поверхности (103) CdTe при открытой и закрытой заслонке теллурового источника, при давлениях паров теллура меньше равновесных. Температура поверхности и эквивалентное давление паров теллура в потоке составляли 283С и 2,1х10"8 атм. соответственно. Исходное состояние поверхности (013)CdTe характеризуется эллипсометрическими углами 4у и дельта Д равными 12,210 и 177,480 соответственно. При открытии заслонки теллурового потока происходит скачкообразное изменение их до 4/=12,470 и Д=178,240. Далее эти величины не изменяются при выдержке поверхности в постоянном потоке Те. При закрытии заслонки Те поверхность CdTe возвращается в исходное состояние и эллипсометрические параметры принимают прежние значения. Картина повторяется при многократном открытии и закрытии заслонки источника теллура. Величина изменения эллипсометрических углов как 4у, так и Д зависит от величины падающего потока Те.
Следовательно, изменение эллипсометрических параметров при открытии и закрытии Те заслонки говорит об адсорбции и десорбции молекул теллура на поверхности CdTe. Поддерживая температуру поверхности подложки CdTe постоянной и изменяя величину падающего потока теллура можно получить изотерму его адсорбции на поверхности CdTe. Экспериментальные значения изменения углов дельта и пси от величины потока теллура приведены на рис.3.6 (CdTe(103), ТпШ1Л=26б0С.).
Для пересчета изменения эллипсометрических параметров в толщину адсорбированного слоя теллура была рассчитана номограмма, связывающая количество элементарного теллура на поверхности с изменением эллипсометрических параметров относительно чистой поверхности CdTe. Расчет номограммы был проведен при рассмотрении отражения света от субмонослойного покрытия в рамках модели однородного слоя, оптические постоянные которого определяются природой валентной связи адсорбат-подложка, а толщина пропорциональна плотности адсорбированных атомов и при 100% покрытии равна толщине одного монослоя [100]. В приближении Друде рост такого слоя должен сопровождаться линейными изменениями эллипсометрических параметров в -Д плоскости.
Рассчитанные изменения эллипсометрических параметров от толщины слоя теллура, соответствующие росту однородного слоя с оптическими постоянными, найденными из осаждения Те на кремнии [101], представлены на рис.3.7 в виде линии, проградуированной по толщине адсорбированного слоя в ангстремах (круглые точки на линии с указанными численными значениями). Экспериментальные точки (крестики для ориентации (001) и треугольники для ориентации (013)) при малых степенях покрытия поверхности теллуром хорошо ложатся на расчетную зависимость, что свидетельствует о пригодности использованной модели для расчета эллипсометрических параметров адсорбционного слоя. Однако, при увеличении степени заполнения поверхности теллуром для ориентации (013) наблюдается отклонение изменения эллипсометрических параметров от теоретической зависимости. На дифракционной картине в этом случае мы наблюдаем фасетирование поверхности. Для поверхности (001) не происходит какого либо изменения в дифракционной картине вплоть до монослойного покрытия.
Эпитаксиальный рост теллурида цинка на подложках GaAs
Исследование начальной стадии роста ZnTe на подложках GaAs представлено в работе [112]. Поэтому остановимся только на исследовании процесса роста с целью оптимизации технологических условий для выращивания высококачественных пленок ZnTe.
Исследования проводились с помощью автоматического эллипсометра ЛЭФ-755 в соответствии с методикой описанной в разделе 2.4. В случае роста ZnTe для зондирующего излучения эллипсометра Х=6328А (He-Ne лазер), высококачественная эпитаксиальная пленка прозрачна. Поэтому с ростом толщины будут наблюдаться незатухающие периодические изменения эллипсометрических параметров и А, связанные с интерференционными колебаниями эллипсометрических параметров с периодом 20 где п показатель преломления ZnTe, (р - угол падения луча эллипсометра на подложку. Bf-A плоскости будет наблюдаться замкнутая колоколообразная кривая. Для роста в оптимальных технологических условиях изменение эллипсометрических параметров представлено на рис. 4.3. Стрелками показано направление изменения эллипсометрических парметров с увеличением толщины пленки, а экспериментальные точки представлены в виде маркеров. Ситуация не меняется и при росте достаточно толстой пленки.
В соответствии с моделью роста, представленной в главе 3, наличие на поверхности хемосорбированного слоя молекул Те2, приводит к тому, что нам необходимо смещать реакцию образования теллурида кадмия в сторону кадмиевого обогащения (поток кадмия приходящий на подложку должен быть больше потока теллура). В противном случае мы увеличиваем вероятность образования в пленке включений теллура, и как следствие -переход к трехмерному росту и огрубление поверхности. Для ZnTe вследствие той же химической природы (соединение А В 1), будет наблюдаться аналогичная картина. Возможно отличие только в соотношении потоков и температуры подложки. Поэтому было проведено моделирование изменения эллипсометрических параметров при росте ZnTe для различных случаев. Первый случай - рост сопровождается развитием рельефа. Второй случай - рост сопровождается увеличением поглощения в пленке. Это связано с тем, что присутствие в пленке, как включений галлия [113], так и включений теллура приводит к увеличению поглощения, т.е. кфО. Результаты моделирования представлены на рис.4.4. Как и на предыдущем рисунке, характер изменения эллипсометрических параметров остается таким же, сохраняется вид эллипсометрических кривых. Однако, если при росте пленки будет развиваться рельеф, то происходит постепенное смещение всей кривой в сторону уменьшения дельта, но при этом не происходит изменений по координате пси (см.рис.4.4 а)).
В случае роста слабо поглощающей пленки с к=0,05, не происходит смещения кривых по координате дельта, а уменьшается амплитуда кривых, т.е. наблюдается их сворачивание в спираль (см. рис.4.4 б)). Причем быстрота сворачивания увеличивается с ростом поглощения в пленке. При одновременном развитии рельефа и наличии поглощения в растущей пленке наблюдается картина, показанная на рис.4.4 в). В этом случае оба эти процесса происходят одновременно.
Данные представления были использованы при проведении экспериментов и определении области ступенчато-слоевого роста (т.е. рельеф растущей пленки не меняется и картина роста наблюдается как на рис.4.3) и роста с развитием рельефа (при этом наблюдается, как правило, картина, аналогичная рис. 4.4 в)). Рост проводился при определенной температуре подложки при различных соотношениях потоков WJTC2 поступающих на подложку, находящуюся при постоянной температуре. В серии последовательных экспериментов снижалось соотношение потоков, и определялась для данной температуры граница перехода от 2-х мерного к 3-х мерному росту. Аналогичные эксперименты проводились и при других температурах положки. Результаты исследований представлены на рис.4.5. Точками, представлены экспериментальные результаты, а серым фоном область трехмерного роста. Поскольку, буферный слой теллурида цинка, используется только для того, чтобы гарантированно обеспечить рост теллурида кадмия с ориентацией, определяемой подложкой, толщина эпитаксильного слоя в дальнейших экспериментах была 250A-3000A. При этом не наблюдалось развитие рельефа в пленке, т.е. она оставалась атомарно гладкой. На дифракционной картине при этом наблюдались протяженные тяжи. Для дальнейших экспериментов температура роста теллурида цинка составляла 290С, т.е. близкой для оптимального роста теллурида кадмия.
