Инфракрасная Фурье-спектроскопия полупроводниковых структур с тонкими слоями (InxGa1-xAs/GaAs, Pb1-xSnxSe/BaF2, пористый кремний) Холодилов, Андрей Николаевич

Введение к работе

Актуальность теш. Современная полупроводниковая электроника и оптоэлектроника в значительной степени базируются на использовании сложных эпитаксиальных структур, исследование и производство которых невозможно без широкого использования разнообразных аналитических методов, позволяющих определять структурно-чувствительные характеристики объема материала, границ раздела и поверхности структур.

Оптические измерения в инфракрасном' диапазоне позволяют наиболее непосредственно получать информацию о низкоэнергетических возбуждениях в полупроводниках - это характеристики фононного спектра, свободных носителей заряда, дефектов. МК фурье-спектроскопия,. благодаря сочетанию таких свойств, как Оесконтактность, высокая экспрессность, большая информативность, занимает важное место среди основных методов исследования полупроводниковых структур, в число которых входят электронная микроскопия, ' микрорентгеноструктурный и рентгеноструктурный анализы, оптические методы исследования в видимой области спектра, электрические измерения. Кроме того, этот метод является неразрушающим..

Исследования эпитаксиальных структур на основе твердых растворов соединений А^В⁵, структур с пористым кремнием в последние года привели к наблюдению новых явлений. Это эффекты структурного упорядочения кристаллической . решетки, которое должно приводить к появлению особенностей в электронных и колебательных спектрах, или эффективная люминесценция в видимой области спектра в пористом кремнии. Дальнейшие исследования этих материалов необходимы для создания оптоэлектронных приборов нового типа, работающих в широкой области спектра от видимой до средней инфракрасной. Освоение более длинноволнового диапазона приводит к необходимости использования узкозонных полупроводников, в частности, халькогенидов свинца и твердых растворов на их основе. Эти обстоятельства учитывались при выборе объектов исследования в настоящей работе, которыми являлись эпитаксиадыше структуры на осноеє твердых растворов In Ga, As, Pb^^Sn^Se, а также структуры с пористым крс-мнием.

* -»

_ 2 -

Целью настоящей работы являлось определение возможностей фурье-спектроскошш как метода диагностики тонких слоев сложных полупроводниковых структур.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование оптически активных колебаний кристаллической решетки в эпитаксиальных слоях твердых растворов IryJa^^As на подложках GaAs, полученных при различных температурах роста.

2. Исследование характеристик электронной плазмы в эпитаксиальных слоях Pt^ Sn Se.

3. Комплексное исследование оптических свойств в Ж области спектра слоев пористого кремния на различных стадиях технологических обработок.

4. Разработка аппаратуры и методик исследования и неразрушающе-го контроля основных параметров полупроводниковых структур по оптическим спектрам с использованием ИК фурье- спектрометров.

Научная новизна работы заключается в следующем:

-исследованы спектры длинноволнового оптического отражения эпитаксиальных структур In_xGa₁__xAs/GaAs для составов х=0.12...0.2б, полученных методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений при температурах роста 580...700 С. Впервые наблюдалось четырехмодовое поведение фононного спектра твердого раствора. Дисперсионным анализом спектров отражения показано, что разность частот двух наиболее интенсивных колебаний кристаллической решетки твердого раствора, в основном, определяется условиями получения эпитаксиальных структур, выраженными температурой роста;

-теоретически и экспериментально показано, что учет вклада межзонных переходов в функцию диэлектрической проницаемости эпитаксиальных слоев твердого раствора Pt^^SiySe в области плазмон-фононного взаимодействия не влияет на точность определения параметров свободных носителей заряда;

-впервые исследовано влияние обработок ь плавиковой кислоте и отжига на оптические свойства пористого кремния, позволивших получить информацию о поведении адсорбированных квазимолекулярных комплексов, толщине и пористости слоя.'

Практическая значимость работы:

-разработана аппаратура и методика исследования оптических свойств полупроводников и полупроводниковых структур в широком

диапазоне температур, вплоть до гелиевых, в области энергий фотонов 2...500 мэВ;

-разработаны методики определения параметров эгштаксиалышх слоев, таких как частоты фононов твердого раствора, концентрация и подвижность свободных носителей заряда, толщина эпитаксиального слоя, состав твердого раствора (для структур Pt^^Sn^Se/BaFg), основанные на многоосцилляторной модели функции диэлектрической проницаемости твердого раствора в приближении однородного слоя на полубе «конечной подложке. Для пористого кремния предложена методика оценки показателя преломления и пористости слоя.

Научные положения, выносимые на защиту:

5. Поведение фононного спектра твердых растворов в системе In_xGa_t_ As/GaAs для составов 0.12«х$0.2б, в основном, имеет четырехмодовый характер. При заданном составе параметры фононного спектра сильно коррелируют с условиями получения эпитаксиальных слоев.

6. Характеристики электронной . плазмы твердых растворов Pb,__xSn_xSe/BaF₂ для составов х«0.21 могут быть определены без учета вклада межзонных переходов в функцию диэлектрической проницаемости кристалла в области плазмон-фоноянога взаимодействия.

3. , Изменение интенсивности линий поглощения, связанных с
колебаниями адсорбированных углеродсодержащих квазимолекулярных
комплексов в пористом кремнии, в зависимости от
продолжительности нахождения структур на воздухе и обработок в
плавиковой кислоте носит обратимый характер. Наблюдаемая в
спектрах пропускания крупномасштабная структура обусловлена
интерференцией в пористом слое.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались на 3-ей Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления" (Пенза, 1989), Всесоюзной научной студенческой конференции по физической оптике (Томск, 1991) и семинаре "Энергетическая структура неметаллических кристаллов с разным типом химической связи" (Ужгород, 1991), а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПГЭТУ (1988-1995 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ: 2 авторских свидетельства, 2 статьи, 3 тезиса докладов, t информационный листок.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 108 наименований. Основная часть работы изложена на 128 страницах машинописного текста. Работа содетаит 50 рисунков и 15 таблиц.