Роль структуры поверхности в формировании слоев GaAs и AlGaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии Преображенский, Валерий Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. Развитие средств связи и информационных технологий идет в настоящее время по пути увеличения скорости передачи и обработки информации. Это выдвигает жесткие требования к элементной базе электроники, прежде всего к повышению рабочих частот приборов. Основными направлениями решения этой задачи являются: уменьшение геометрических размеров отдельных элементов, переход от планарных устройств к вертикальным, применение новых материалов, особенно соединений АЗВ5, создание приборов, работающих на новых физических принципах. И здесь возможности метода молекулярно-лучевой эггатаксии (МЛЭ), обеспечивающего прецизионный контроль толщины выращиваемых структур, профилей легирования, состава, близкое к идеальному качество гетерограниц, оказались как нельзя кстати. Уникальные возможности этого метода позволили ему в короткий срок пройти путь от лабораторных установок до промышленного производства. В настоящее время метод МЛЭ занимает около 75% мирового рынка эпитаксиалышх технологий. Несмотря на достигнутые успехи, полного понимания процессов, происходящих на поверхности кристалла даже при гомоэпитаксии, еще не достигнуто.

Совместимость метода МЛЭ с методами исследования поверхи ости позволяет изучать явления на поверхности роста непосредственно в процессе эпитаксии. В результате проведения таких исследований во второй половине 70"^х годов была предложена модель роста GaAs при МЛЭ, известная как модель Фоксона-Джойса. Согласно этой модели существует значительная разница в процессах формирования слоев из пучков молекул As^ и As₂. Предполагалось, что при росте из пучка молекул As₄ происходит парная диссоциация молекул As₄ на двух соседних атомах Ga. При этом 4 атома As встраиваются в растущий слой, а оставшиеся 4 атома образуют молекулу As4, которая десорбируется с поверхности, поэтому коэффициент встраивания As (Sas) не превышает значения 0,5. При встраивании же молекул As₂ происходит простая диссоциативная хемосорбция, и S^ достигает единицы. Sas определяется как отношение потока As, встроившегося при МЛЭ GaAs к полному потоку мышьяка, поступавшему к поверхности роста. За время, прошедшее с момента появления этой модели, были получены экспериментальные данные, которые ей противоречат. Кроме того, модель не учитывает влияние структуры поверхности на процессы роста.

Этим определяется актуальность исследования процессов встраивания мышьяка при МЛЭ GaAs. В результате может быть получена новая информация о влиянии на этот процесс структуры поверхности роста и молекулярной формы мышьяка в падающем потоке. Это позволит глубже понять процессы, протекающие на ростовой поверхности при МЛЭ GaAs. Большой интерес и актуальность представляет также установление зависимости между структурным состоянием поверхности соединений при МЛЭ и качеством формируемых между ними гетерограниц.

Изучение процессов роста при МЛЭ невозможно без контроля основных параметров: температуры подложки (T_s) и плотности молекулярных потоков, поступающих к поверхности. Именно эти параметры, а так же чистота материалов, являющихся источниками молекулярных потоков, и вакуумные условия в зоне эпитаксии определяют свойства выращиваемых структур. Поэтому контроль ростовых параметров является основной задачей метода МЛЭ.

Постоянный контроль возможен in situ лишь методами, которые при этом не должны влиять на свойства растущих слоев. Одним из таких методов для соединений АЗВ5 является дифракция быстрых электронов на отражение (ДБЭО). ДБЭО дает информацию о структуре поверхностного слоя кристалла и ее изменении в процессе роста. Наличие на поверхностях {100} соединений АЗВ5 целого ряда поверхностных структур (ПС), существование которых зависит от параметров роста, делает возможным применение метода ДБЭО для контроля этих параметров при МЛЭ. Поэтому является актуальным установление ряда ПС для основных соединений АЗВ5, определение областей их существования в зависимости от T_s и плотности падающих молекулярных потоков (построение фазовых диаграмм (ФД) поверхностей) и разработка на этой основе методики измерения этих параметров.

Цель даїтой работы состояла в исследовании роли структуры поверхности в формировании слоев GaAs и AlGaAs методом МЛЭ. Для достижения этой цели при выполнении работы решались следующие задачи:

1. Разработка методики прямого измерения поступающего к подложке потока мышьяка при МЛЭ GaAs.

2. Исследование встраивания мышьяка в широком диапазоне условий МЛЭ GaAs с применением потоков молекул As4 и As2.

3. Определение методом ДБЭО ряда поверхностных структур для GaAs(OOl), AlAs(OOl) и Alo,3Gao,7As(001) при МЛЭ, построение фазовых диаграмм поверхностных структур для этих поверхностей при МЛЭ, исследование влияния молекулярной формы мышьяка на фазовые диаграммы поверхностных структур GaAs(OOl) при МЛЭ GaAs.

4. Разработка методики контроля параметров роста при МЛЭ, обеспечивающей их воспроизводимость.

5. Определение зависимости между структурным состоянием поверхности Alo.3Gao,7As(001) при МЛЭ и качеством формируемых гетероіраниц GaAs/Aio.3Gao.₇As(001).

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Предложена и обоснована методика прямого измерения потока As, основанная на применении кварцевого измерителя толщины. Это позволило исследовать процессы адсорбции и десорбции As из потока молекул AS2 и As4 на поверхностях, покрытых мышьяком, и экспериментально определить энергии активации этих процессов.

2. Впервые построены фазовые диаграммы поверхностных структур для GaAs(OOl), AlAs(OOl) и Alo,3Gao,7As(001) с использованием прямых измерений температуры подложки и падающих потоков. Это позволило определить энергии активации для переходов между поверхностными структурами на GaAs(OOl), AlAs(OOl) и Al_0i3Gao,7As(001) и на основе экспериментальных данных построить кинетическую модель роста, описывающую положение границ переходов между поверхностными структурами на фазовой диаграмме GaAs(OOl) при МЛЭ.

3. Проведено систематическое исследование зависимости встраивания мышьяка при МЛЭ GaAs на GaAs(OOl) из потоков молекул As₄ и As₂ от температуры подложки и плотности потока As. Впервые экспериментально установлено, что встраивание мышьяка при МЛЭ GaAs зависит от того, какая поверхностная структура имеет место на ростовой поверхности. Найдено, что встраивание As при данных условиях роста не зависит от молекулярной формы As, поступающего к ростовой поверхности. Максимальный коэффициент встраивания As из потоков As₄ и Asa при МЛЭ GaAs близок к единице.

4. Впервые исследовано влияние молекулярной формы мышьяка на фазовые диаграммы поверхностных структур GaAs(OOl) при МЛЭ. Найдено, что для поддержания заданной стехиометрии поверхности при МЛЭ из пучка молекул AS4 и As2 требуется одинаковое количество мышьяка, поступающего на поверхность, независимо от его молекулярной формы. Это позволяет сделать предположение о том, что при росте GaAs происходит простая, а не парная диссоциативная хемосорбция молекул As4.

5. Впервые исследована зависимость температуры перехода между поверхностными структурами на GaAs(001) от скорости нагрева подложки в условиях СВВ. Показано, что при увеличении скорости нагрева подложки в условиях СВВ температура перехода между поверхностными структурами стремится к постоянному значению. Температура перехода с(4х4) в (2x4) стремится к значению 711К, температура перехода (2x4) в (3x6) - к 811К. Предложена кинетическая модель этого процесса.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Построенные фазовые диаграммы поверхностных структур для GaAs(OOl) и Alo,3Gao,7As(001) позволяют выбирать оптимальные условия роста многослойных гетероструктур.

2. Экспериментально определены коэффициенты относительной чувствительности ионизационного вакуумметра типа Баярда - Альперта по мышьяку в форме As₄ и As_2> что позволяет достоверно измерять потоки димеров и тет-рамеров мышьяка по манометрическим измерениям.

3. Показано, что применение молекулярных источников мышьяка с зоной крекинга не оправдано с точки зрения экономии мышьяка.

4. Предложен метод "фазовых диаграмм" для определения и контроля ростовых параметров при МЛЭ GaAs.

5. Разработана методика измерения плотности потоков мышьяка кварцевым измерителем толщины.

6. Определена температура стенок ростовой камеры, при которой адсорбция мышьяка становится доминирующей (происходит "вымораживание" пагока мышьяка). Это 15С для мышьяка в форме As2 и минус 10С для мышьяка в

форме AS4-

7. Результаты, полученные в данной работе, были использованы при разра
ботке технологии выращивания гетероструктур GaAs/Al_xGai._xAs для транзи
сторов СВЧ-диапазона, резонансно-туннельных диодов и диодов Ганна с
двухбарьерным инжектором электронов в рамках тем ИфП СО РАН "Нано-
электроника-С", "Президент", "Парус".

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика прямого измерения потока мышьяка при МЛЭ GaAs.

2. Экспериментальные результаты по адсорбции мышьяка As из потока молекул As2 и As4 на поверхностях, покрытых мышьяком.

3. Результаты экспериментального исследования зависимости встраивания мышьяка при МЛЭ GaAs на GaAs(001) из потоков молекул As4 и As₂ от температуры подложки и плотности потока As.

4. Фазовые диаграммы поверхностных структур для GaAs(001), AlAs(OOl) и Alo,3Gao,₇As(001) при МЛЭ.

5. Экспериментальные результаты по определению зависимости температуры перехода между поверхностными структурами на GaAs(OOl) от скорости нагрева подложки в условиях сверхвысокого вакуума.

6. Результаты экспериментального исследования влияния молекулярной формы мышьяка на фазовые диаграммы поверхностных структур GaAs(001)npHMH3.

7. Метод "фазовых диаграмм" для контроля и воспроизведения параметров
роста при МЛЭ GaAs.

Апробация работы. Основные результаты исследовшшй докладывались и обсуждались на VEL-й Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва, 1988), 1-ом Международном совещании по молекулярно-лучевой эпитак-сии (Варшава, Польша, 1994), 23-м Международном симпозиуме по полупроводниковым соединениям (Санкт Петербург, 1996), Х-й Международной конференции по молекулярно-лучевой эпитаксии (Канны, Франция, 1998), IV-й Российской конференции по физике полупроводников "Полупроводни-ки-99" (Новосибирск, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, список основных работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 146 страниц текста, 49 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 222 названий и приложение (протокол испытания транзисторов).

Похожие диссертации на Роль структуры поверхности в формировании слоев GaAs и AlGaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии

Роль электронной структуры в статическом отклике и электронном рассеянии на поверхности металлаВольф Георгий Валерьевич

Формирование структур на реконструированной поверхности кремнияГрузнев, Димитрий Вячеславович

Кинетические модели формирования пространственно-упорядоченных структур на поверхности твердого телаДубровский Владимир Германович

Закономерности формирования структуры, внутренних напряжений и морфологии поверхности наноразмерных углеродных покрытий, осаждаемых импульсным вакуумно-дуговым методомПоплавский, Александр Иосифович

Закономерности формирования структуры и свойств кальцийфосфатных покрытий на поверхности биоинертных сплавов титана и цирконияЛегостаева Елена Викторовна

Формирование нанокомпозитных слоев на поверхности железа и никеля при электровзрывном легированииЦвиркун Оксана Александровна

Влияние примесных ионов на оптическое поглощение и люминесценцию монокристаллических пленок галлиевых гранатов, выращиваемых методом жидкофазной эпитаксии Васильева Наталья Владимировна

Исследование процессов радиационного дефектообразования и радиационного легирования в слоях n- и p-типов карбида кремния, выращенных методом сублимационной эпитаксииРумянцев Дмитрий Сергеевич

Выращивание методом молекулярно-лучевой эпитаксии и изучение свойств метастабильных фаз в гетероструктурах на основе фторидов и металлов на кремнииКавеев Андрей Камильевич

Дефекты структуры в пленках CdxHg1-xTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксииСабинина Ирина Викторовна