Введение к работе
Актуальность темы исследования
Обсуждаемые в работе задачи обусловлены потребностями современной микро- и оптоэлектроники, где создаются и используются эпитаксиальные структуры, поэтому требуется их разносторонняя диагностика. Специфика рассматриваемого объекта исследования состоит в том, что идеальная кристаллическая структура слоев, наносимых на некоторую подложку, известна заранее. Чаще всего это кубические вещества с простой структурой и их твердые растворы, поскольку именно они наиболее технологичны. Решаемые с помощью рентгеновской дифракции задачи связаны с контролем толщины, состава, упругих напряжений и кристаллического совершенства слоев.
Метод рентгеновской дифракции (РД) — один из старых и хорошо известных методов анализа веществ в кристаллическом состоянии. Уже в учебнике Н.В. Агеева 1932 года [1] описаны основные методы РД-анализа. К середине XX века техника РД в заводских лабораториях, по образному замечанию Таннера [2], существовала на правах "Золушки" среди новых аналитических приборов. Ситуация изменилась в 70-х годах XX века с началом интенсивных работ в области твердотельной электроники, основанной на эпитаксиалышх технологиях. РД- техника заняла новое место благодаря своим уникальным возможностям неразрушающего контроля многослойных эпитаксиалышх структур [3]. К достоинствам метода относятся: простота реализации, неразрушающий характер анализа по глубине и высокая информативность.
Работы в направлении эпитаксиальных технологий проводятся и
в нижегородских исследовательских центрах группами
исследователей в Институте физики микроструктур РАН (ИФМ РАН)
и Научно-исследовательском физико-техническом институте при
Нижегородском госуниверситете им. Н.И. Лобачевского (НИФТИ).
Здесь искусственно создаются разнообразные структуры с помощью
лазерного напыления, магнетронного напыления,
металлоорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ) и молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Аналитическая аппаратура должна выполнять анализ образцов достаточно быстро, а именно, в промежутке между очередными ростовыми экспериментами.
Практические потребности стимулировали быстрое развитие
методов РД в исследовательских лабораториях, см. современные
пособия, например, [4-6]. Основным по информативности
инструментом в последнее десятилетие здесь стал метод,
называемый "рентгеновская дифрактометрия высокого разрешения", в англоязычной литературе HRXRD (high resolution x-ray diffractometry). Метод опирается в аппаратурном плане на рентгенооптическую схему высокого разрешения, а в методическом плане на аналитическое решение задачи динамической теории дифракции, применяемое в виде рекуррентного соотношения для расчета спектра многослойной структуры.
Вторая из важных задач, в решении которой был достигнут
серьезный прогресс за два последних десятилетия — анализ
упругонапряженного состояния слоев кристаллической
гетеросистемы.
Тем не менее, быстрое развитие технологии в сторону миниатюризации постоянно ставит новые вопросы по технической реализации метода, интерпретации спектров рентгеновской дифракции и согласованию результатов с данными других методов анализа.
Цель работы состояла:
в модернизации рентгенооптической схемы лабораторного рентгеновского дифрактометра типа ДРОН с ориентацией на задачи анализа структур, выращиваемых в установках газофазной и молекулярно-пучковой эпитаксии, лазерного и магнетронного напыления;
в развитии методик съемки спектров разнообразных по типу образцов;
в развитии расчетных методик при анализе упругонапряженного состояния слоев и методик моделирования РД-спектров.
Научная новизна
1. Выполнен расчет деформированного состояния эпитаксиального слоя кубического кристалла на вицинальной поверхности подложки, когда симметрия понижается до триклшшой. Для серии образцов, различающихся знаком деформации, величиной и
направлением разориентации среза, продемонстрировано
совпадение экспериментальных и вычисленных значений, что доказало корректность теоретического алгоритма и экспериментальной методики измерения.
-
Предложен способ оценки состава твердого раствора по одному асимметричному отражению, когда используется отражающая плоскость с нормалью вблизи конуса нулевой деформации слоя.
-
Показано, что изгиб гетеросистемы не смещает оценку концентрации твердого раствора в слое. Оценка пластической деформации в области гетероперехода также не смещена. Оценка упругой деформации слоя, сделанная без учета изгиба подложки, систематически завышена, но может быть исправлена с помощью поправочного коэффициента.
-
Предложено геометрическое построение в надпространстве, позволяющее объяснить дифракционную картину многослойных структур, модулированных по периоду решетки и углу разворота плоскостей.
-
Экспериментально оценены энергии активации процессов обмена In-Ga и Ga-In при росте слоев InxGa^As на подложке GaAs в газофазном реакторе.
Практическая значимость
-
На базе рентгеновского дифрактометра общего назначения типа ДРОН создана эффективная схема для анализа разнообразных по строению и степени кристалличности гетероэпитаксиальных структур.
-
Разработаны методики ускоренного сканирования обратного пространства и использования отражения вблизи конуса нулевых деформаций, что позволило выполнять экспрессный анализ.
-
Реализованы расчетные алгоритмы, в том числе, устойчивые к погрешностям, возникающим при анализе гетеросистем с большим рассогласованием слоев по периоду решетки, что повысило точность анализа.
-
В рамках численного алгоритма для расчета кривых дифракционного отражения по динамической теории использован простой способ моделирования отклонений от периодичности
многослойных структур. Это расширило область применения алгоритма. 5. Разработана и реализована система анализа, включающая аппаратурную компоненту, модифицированный дифрактометр типа ДРОН-4, набор методик съемки разнообразных по типу образцов, а также набор расчетных методик и вычислительных программ. С помощью созданной системы выполнены исследования большого числа структур со слоями полупроводниковых твердых растворов Gei!.x; IrixGai.xAs, Іп&сц.уР, Bfia^s, Alfiai.^s, GaAsUxNx и высокотемпературного сверхпроводника YBa2CujD7_x на различных подложках. Результаты были использованы в 5 кандидатских диссертациях и послужили основой читаемого автором курса "Основы дифракционного структурного анализа" (ННГУ им. Н.ИЛобачевского).
Основные положения, выносимые на защиту
1. Способ расчета деформированного состояния эпитаксиального слоя
кубического кристалла на вицинальной поверхности подложки, когда симметрия понижается до триклинной.
2. Методика анализа состава твердого раствора деформированного
слоя с использованием дифракционных векторов вблизи конуса
нулевой деформации.
-
Методический прием учета изгиба гетеросистемы при анализе упругой деформации слоя в виде поправки, зависящей от соотношения толщин слоя и подложки.
-
Способ ускоренного сканирования обратного пространства при поиске углового положения пиков асимметричных отражений.
5. Методика проведения эксперимента, позволяющая на лабораторном
дифрактометре регистрировать дифракционные пики самосформированных островков, достаточно крупных по размеру, и определять их усредненные характеристики.
6. Геометрическое построение в надпространстве, позволяющее
объяснить дифракционную картину многослойных структур,
модулированных по периоду решетки и углу разворота
плоскостей.
Личный вклад автора
Во всех публикациях автору принадлежат методические разработки в области рентгенодифракционного анализа, их техническая реализация, а также определяющий вклад в рентгенодифракционные измерения, их обработку и обсуждение. Часть рентгенодифракционных исследований, описанных в работах [А1, А32, А37, А38, А41, А43, А49, А50, А51, А54, А68, А78], выполнена под его руководством Л.Д.Молдавской.
Апробация работы. Основные результаты были доложены и обсуждены на всероссийских совещаниях "Рентгеновская оптика -99", "Рентгеновская оптика -2002; 2003 и 2004", (Нижний Новгород); на XVI, ХЕХ, XXII и XXTV Научных чтениях им. академика Н.В. Белова (Нижний Новгород, 1997, 2000, 2003, 2005 гг.), на Симпозиуме "Нанофотоника" (Нижний Новгород, 1999, 2000, 2002, 2003, 2004 г.); "Нанофизика и Наноэлектроника", Нижний Новгород, 2005 , 2006 гг., на VII Конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок, Новосибирск, 1986 г.; X и IX Трехстороннем Немецко-Российско-Украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости, Н. Новгород, 1997, Gabelbach, Germany, 1996; "Applied Superconductivity Conference", California, USA, 1998; Ю"1 и 11 - European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy, Italy, Lecce, 2003, Lausanne 2005; V Российской конференции по физике полупроводников: Нижний Новгород, 2001; Всероссийском совещании "Зондовая микроскопия - 99", "Зондовая микроскопия — 2000", Нижний Новгород 1999 и 2000; International Workshop "Scanning probe microscopy-2001", Нижний Новгород, 2001.
Публикации. Основные результаты изложены в 66 статьях, опубликованных в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах, [Al]- [А66] в прилагаемом списке.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 404 страницах и состоит из введения, аналитического обзора (гл. 1), методических разработок и примеров анализа (гл. 2-7), основных результатов и выводов, списка цитируемой литературы (140 наименований) и списка публикаций автора по теме диссертации. Диссертация содержит 106 рисунков и 9 таблиц.
