Введение к работе
Актуальность. Полупроводниковые соединения АгВб широко используются в производстве электрооптических и нелинейно-оптических приборов, модулей солнечных элементов, детекторов ионизирующих излучений, инфракрасных приемников, слабых магнитных полупроводников. Интерес к исследованию и применению широкозонных полупроводниковых соединений АгВб особенно возрос после того как в 1991 г. на 5 Международной конференции, посвященной материалам АгВб, в г. Окаяма (Япония) Хаасе М. и др. был продемонстрирован первый полупроводниковый лазер, работающий в зелено-голубой области спектра.
Структурные свойства кристаллов во многом определяют их электрические, оптические и магнитные свойства. В отличие от традиционно-изученных полупроводников Si и Ge, образование структурных дефектов в кристаллах АгВб исследовано недостаточно. Если хорошо изученные процессы кремниевой технологии в ряде случаев могут быть перенесены в производство соединений А3В5, то производство полупроводников АгВб ограничено фундаментальными проблемами, такими как, например, автокомпенсация и содержание неконтролируемых примесей. Кроме того, материалы АгВб характеризуются низкой энергией дефекта упаковки (ЭДУ) и относительно высокой степенью ионности связи (СИС), что обуславливает определенные особенности в процессах дефектообразования. Применение современных технологий синтеза новых соединений АгВб и получения сверхструктур требует знания закономерностей образования структурных дефектов в этих материалах и выработки стратегии управления их свойствами.
Проблемы стабильности соединений АгВб и их легирования обуславливают необходимость изучения закономерностей дефектообразования легированных кристаллов при термообработках, что связано, в частности, с явлением преципитации примесей и распадом (образованием) глубоких акцепторных центров типа "вакансия катиона-примесь", компенсирующих действие донорных примесей. Много проблем при эпитаксиальном выращивании полупроводников АгВб, в которых формирование дефектов не всегда определяется классическим параметром величины несоответствия размеров решеток эпитаксиального слоя и подложки. Особая чувствительность к облучению (в диссертации изложено явление подпорогового радиационного дефектообразования) вызывает необходи-
мость установления закономерностей дефектообразования при облучении материалов АгВб с целью повышения их радиационной стойкости и разработки новых технологий формирования наноструктур и р-n переходов.
Целью работы являлось установление закономерностей формирования структурных дефектов в легированных и нелегированных монокристаллах и эпитаксиальных пленках при выращивании, термообработках и облучении, что достигалось выполнением ряда задач:
-установления закономерностей дефектообразования в монокристаллах АгВв, легированных различными примесями при термообработках в вакууме и атмосфере, насыщенной атомами катиона;
-изучения процессов формирования структурных дефектов в эпитаксиальных плёнках и сверхструктурах полупроводников Аг&ь, выращенных методами металлорганической парофазовой эпитаксии (МОПФЭ) и молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) на подложках GaAs;
-изучения закономерностей формирования и трансформации структурных дефектов в легированных и нелегированных кристаллах и эпитаксиальных структурах при облучении электронами с подпороговыми и надпороговыми энергиями, а также ионами низких энергий.
Электронно-микроскопические методы, в том числе и метод высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ), с применением электронно-зондового анализа позволяют на современном уровне выполнять поставленные задачи и не только изучать конечную картину распределения дефектов, но и непосредственно in situ наблюдать кинетику образования и трансформации структурных дефектов под воздействием электронов с различными энергиями и (или) при различных температурах, что также возможно с высоким разрешением на атомном уровне.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Отжиг кристаллов АгВб в атмосфере, насыщенной атомами катиона, сопровождается образованием колоний примесных преципитатов, что во многом аналогично формированию примесных преципитатов в Si при термообработках, и сопровождается снижением интенсивности катодолюминесценции, фотолюминесценции и удельного сопротивления, что связывается с распадом комплексов типа "вакансия катиона-примесь", ответственных за формирование глубоких акцепторных уровней, компенсирующих действие донорных примесей. Средние
размеры преципитатов уменьшаются с ростом величины энергии дефекта упаковки, что наблюдается при переходе от ZnS->ZnSe-»CdTe-»K Si.
2. Структурные дефекты, формирующиеся в эпитаксиальных плёнках
полупроводников АгВб, можно классифицировать по причинам их образования,
связанным с (1) внутренними свойствами материала, (2) влиянием несоответствия
параметров решеток эпитаксиального слоя и подложки, (3) проблемами роста и (4)
процессами, протекающими после выращивания, что позволяет выработать
стратегию снижения плотности дефектов.
3. Обнаружена анизотропия в распределении микродвойников в
эпитаксиальных структурах ZnS, CdxZni-xTe и CdxZni-xS, выращенных на
подложках {001}GaAs в условиях, соответствующих напряжениям растяжения и
сжатия в эпислое, а также слабо-рассогласованной структуры. Микродвойники
наблюдаются исключительно в направлении [1 10] проекции эпислоя, что
объясняется на основе модели роста.
-
Эпитаксиальные слои CdS, CdZnS и сверхструктуры с основой CdZnS, выращенные методом МОПФЭ низкого давления на (OOl)GaAs, имеют решетку сфалерита и содержат высокую плотность пленарных дефектов в плоскостях {111}. Вид планарных дефектов зависит от слоевой композиции. Эпитаксиальные пленки, выращенные на подложках { 1 1 Т}В GaAs, имеют гексагональную структуру и содержат, преимущественно, дефекты упаковки, параллельные гетерогранице, независимо от композиционного состава пленки.
-
Впервые обнаружено явление образования структурных дефектов в полупроводниках АгВб при подпороговом электронном облучении. Начало формирования дефектов, конечный их вид и концентрация в каждом конкретном материале являются функцией дозы и температуры электронного облучения и зависят от полей упругих напряжений в кристалле. Степень нарушений, продуцируемых электронным облучением в полупроводниках АгВб, уменьшается в последовательности: ZnS -» ZnSe я CdS -> CdTe -> ZnTe » CdHgTe « MnHgTe, что коррелирует с ростом энергии дефекта упаковки и понижением степени ионности связи.
-
В процессах дефектообразования в кристаллах АгВб, облученных ионами низких энергий и электронами с надпороговыми энергиями, наряду с упругими соударениями существен вклад и неупругих соударений. Эффективность образования дефектов при этом аналогична эффективности дефектообразования в
этих материалах, облученных электронами с подпороговыми энергиями. Обнаружен эффект электронного низкотемпературного отжига междоузельных дислокационных петель, предшествующий образованию новых скоплений точечных дефектов. Облучение легированных кристаллов CdTe электронами и ионами сопровождается формированием выделений типа примесь-Те, примесь-Cd, иСсЮ.
7. Образование структурных дефектов в полупроводниках АгВб, облученных ионами низких энергий, происходит на глубинах, превышающих среднюю проекцию пробега ионов Rp на порядок величины.
Совокупность научных и практических результатов, полученных автором на основании выполненных исследований, позволяет считать, что сделан значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и развитие научного направления: "Формирование структурных дефектов в полупроводниках А2Вб".
Практическая значимость. Закономерности формирования структурных дефектов в кристаллах и эпитаксиальных пленках АгВб могут быть использованы для совершенствования технологии получения материалов и структур соединений АгВб с заданными свойствами, решения задач управления типом, плотностью и пространственным распределением дефектов кристаллического строения, что важно для реализации предельных параметров устройств микроэлектроники.
Особенности дефектообразования в облученных полупроводниках АгВб необходимо учитывать в процессах электронно-зондового анализа и ионного травления и можно использовать для разработки физических основ радиационной технологии получения новых материалов и приборных структур.
Заложены основы создания квантовых структур и р-n переходов нетрадиционным способом, используя электронное облучение. В частности, автором совместно с Др. П.Брауном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Великобритании при содействии проф. К.Хамфрейса и финансовой поддержке Королевского общества Великобритании ( фонд им. П.Капицы ) в 1994-95 гг. начаты совместные работы по исследованию локальной инверсии типа проводимости в полупроводниках АгВб при электронном облучении, используя технику наведенного тока в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе.
Исследованные закономерности формирования структурных дефектов в солнечных элементах, изготовленных на основе CdS/CdTe в странах Европейского сообщества по новой технологии ( 1995 г. ) для коммерческих целей, позволили разработать рекомендации повышения их коэффициента полезного действия до 10-12%.
Полученные в работе данные о процессах формирования дефектов в полупроводниках используются при анализе причин деградации и прогнозировании надежности изделий электронной техники, применяемой в производстве космических аппаратов на НПО Прикладной механики.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: IV и V Всесоюзных конф. по физико-химическим основам легирования полупров. материалов ( Москва,1979,1982гг. ); I Всесоюзн. конф. по физическим основам надежности и деградации полупроводниковых приборов ( Кишинев, 1982г.); VII-X Всесоюзных семинарах по радиационной физике полупроводников ( Новосибирск, 1979-82гг. ); Британской конференции по физике твердого тела ( Ноттингем, 1988г.); Европейской конф. по развитию перспективных полупров. матер, с помощью электронной микроскопии ( Бристоль, 1988г., Великобритания ); VI, VII, VIII, IX Европейских совещаниях по материалам АгВб ( г.Дарем, 1988г.; Лондон, 1989г.; Халл, 1990г.; Кардиф, 1991г.; Великобритания ); VI, VII, IX Международных конференциях "Микроскопия полупроводниковых материалов" (Оксфорд, 1989, 91,95гг., Великобритания); V Международн. конф. по материалам АгВб ( Окаяма, 1991г., Япония ); Британском совещании по характеристике дефектов роста кристаллов ( Дарем, 1991, Великобритания); V Международной конф. "Электронная микроскопия 1" ( Пекин, 1992г., Китай ); Международной конф. по материалам АгВб и родственным оптоэлектронным материалам (Ньюпорт, 1993г., США); Международной конференции по микроскопии и анализу изображений "Micro 94" ( Лондон, 1994г., Великобритания ); Британско-Датской конф. по кристаллизации и росту кристаллов ( Норвич, 1994г., Великобритания ); Британской конференции "Микрокристаллизация и коллоидальная преципитация" (Лондон, 1994г.,Великобритания); Международной конф. "Микроструктура облученных материалов. Симпозиум Y" (Бостон, 1994, США ); Международной конф. "Электронная микроскопия и анализ (EMAG95)" (Бирмингем,1995г.,Великобритания); Международной конф. "Очистка, легирование и дефекты материалов АгВб" (EMRS) ( Страсбург, 1995г., Франция );
Международном конгрессе по рентгеновской оптике и микроанализу (Гуанджоу, 1995г., Китай ); Международной конф. по дефектам в полупроводниках ( Сендай, 1995г., Япония), а также в Великобритании на семинарах в университетах г.Дарем ( в отделении прикладной физики и электроники, 1988, 89, 91, 94, 95 гг.), Г.Кембриджа (в Кавендишскои лаборатории и в отделении научных материалов и металлургии, 1994г. ), Г.Бирмингема ( в Астонском университете, 1994г.), г.Лондона ( в Королевском колледже, 1994 г. ) и в фирме SPUR ELECTRON LIMITED Европейского космического агенства (Лондон, 1995 г.).
Основные результаты диссертации опубликованы в 53 работах, из которых 36 статей в центральных отечественных и зарубежных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 466 стр., включая 225 рисунков,15 таблиц и список цитируемой литературы из 462 наименований.
