Введение к работе
Актуальность работы. Диффузия — один из старейших методов введения примесей, многие годы успешно используемый в технологии полупроводниковых приборов. Однако в технологии приборов на основе полупроводников А3В5 и их твёрдых растворов диффузионные процессы используются менее широко, чем в технологии элементарных полупроводников. Отчасти это вызвано тем, что большинство ранее разработанных методов диффузии требует поддержания давления паров компоненты V группы, что усложняет проведение процесса и практически требует такой же оснастки, как для ростовых процессов.
Известные методы поверхностной диффузии, не требующие поддержания давления паров, в частности, разработанная в 80-е годы диффузия из твёрдых стеклообразных плёнок, формируемых из эмульсий на основе кремнийорганических соединений, нередко приводят к избыточным механическим напряжениям и, вследствие этого, к ухудшению морфологии поверхности полупроводника.
Таким образом, к началу выполнения работы в технологии приборов на основе A3B5 не было простого, экономичного и хорошо контролируемого способа создания диффузионных областей. Кроме того, обнаруженные в последнее десятилетие такие эффекты: как разупорядочение квантоворазмерных структур в процессе диффузии Zn, геттерирование Zn на гетерограницах, интердиффузия основных компонент решётки соединений А3В5 через гетерограницу, образование преципитатов компонент III и V групп в диффузионной зоне — в рамках известных моделей не получили однозначной интерпретации. А для развития новых модельных представлений, адекватно отражающих наблюдаемые эффекты, возникла необходимость более детального исследования процессов генерации и релаксации неравновесных собственных дефектов и поведения Zn на разных стадиях диффузионного процесса.
Цель работы. Основной целью работы была разработка метода диффузии цинка в полупроводники АзВ5 из полимерных диффу-зантов, исследование с его помощью механизмов диффузии и
дефектообразования (на примере InP) и использование метода в технологии изготовления фотоприёмников и светодиодов.
Достижение поставленной цели распадалось на решение следующих основных задач.
-
Выбор полимерной основы для использования её в качестве источника диффузии и определение оптимальных температурно-временных режимов диффузии.
-
Исследование характеристик диффузионных слоев, в том числе, профилей распределения атомов, как собственных, так и примесных, и дефектов по глубине, полученных в различных температурных условиях, включая неравновесные условия начальной стадии диффузии.
-
Применение разработанного метода диффузии в технологии изготовления /н//-фотоприёмников и светодиодов на основе, соответственно, InP (InGaAsP) и AlGaAs.
Научная новизна. Впервые было исследовано поведение Zn и неравновесных собственных дефектов на начальной стадии диффузионного процесса (НСД), то есть, на стадии нагрева системы от комнатной температуры до температуры изотермического процесса диффузии. Обнаружен пороговый характер диффузии Zn в InP, при этом коэффициент диффузии части цинка в температурном интервале 375-400С составляет ~10"8см2с"', что на 2-3 порядка превышает коэффициент диффузии в изотермических условиях. Кроме того, обнаружено пространственное разделение собственных дефектов, приводящее к формированию «диффузионных хвостов» на профилях распределения Zn по глубине.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Нанесение центрифугированием на пластины InP, GaAs или на эпитаксиальные слои твёрдых растворов InGaAs, InGaAsP, AlGaAs плёнок олеофильных полимеров, легированных Zn, с последующей термообработкой в атмосфере водорода при температурах 450-700С:
а) обеспечивает режим диффузии из неограниченного источника в течение часа при сохранении исходной морфологии по-
верхности полупроводника без поддержания давления паров компоненты пятой группы:
б) позволяет, изменяя содержание Zn в полимерной плёнке от 1 до 10 об.%, варьировать поверхностную концентрацию дырок в диффузионных слоях от 1017 до 8x101ь см"3 для 1пР, до 2х1019 см'3 для GaAs и до 2x1020 см"3 для твёрдых растворов на их основе, при этом концентрация дырок совпадает с концентрацией введённого Zn.
-
Процесс диффузии Zn из полимерных диффузантов в InP начинается на стадии установления температуры стационарной диффузии (на начальной стадии) и имеет явно выраженный пороговый характер с Гпор = 375С. При Т<Тпор диффузия отсутствует, при температурах 375^00С начинается проникновение Zn в InP, сопровождающееся генерацией неравновесных собственных дефектов и возникновением деформаций. При этом радиус кривизны пластин уменьшается практически на порядок, что вызывает пространственное разделение собственных дефектов и проникновение части цинка на глубину в несколько раз большую, чем глубина основного (с максимальным содержанием Zn) фронта диффузии. Коэффициент диффузии этой части Zn на начальной стадии на 2-3 порядка выше, чем на стационарной.
-
В процессе диффузии Zn происходит релаксация неравновесных собственных дефектов: она начинается на начальной стадии при температурах выше 400С. Практически полная релаксация неравновесных собственных дефектов и деформаций и активация введённого цинка происходит в изотермических условиях при Г>450С, если концентрация Zn в полимерном диффузанте ниже 15%. При концентрации >15% наблюдается образование дислокаций и микродефектов.
-
Геттерированне Zn на гетерогранице InGaAsP/InP начинается на начальной стадии диффузии, эффективность этого процесса зависит от знака несоответствия параметров решётки на гетерогранице.
Практическая ценность. Разработан метод, использующий олеофильные полимеры в качестве плёнкообразующей основы,
что позволяет максимально упростить технику проведения диффузионного процесса в соединениях АзВ5, сведя его к нанесению на поверхность полупроводника путём центрифугирования раствора плёнкообразующего олеофильного полимера, содержащего соли диффундируемого элемента, и проведению термообработки в открытой системе, в потоке водорода без поддержания давления паров компоненты V группы.
Разработанный метод диффузии был использован для создания /^/«-фотодиодов на основе InP/InGaAs(P) гетероструктур, с увеличенным выходом годных структур с одной пластины. Кроме того, метод был использован для создания подконтактных областей в светодиодах на основе AlGaAs гетероструктур, что позволило уменьшить последовательное сопротивление и, как следствие этого, снизить пороговые напряжения при прямом токе 10 мА с 1,7 В до 1,5 В для светодиодов с Х = 0,8 мкм и с 2,2 В до 1,9 В для светодиодов с Х = 0,66 мкм. Разработанный метод нашёл применение в мелкосерийном производстве светодиодных структур в АО «Планета-СИД» (Великий Новгород) и ООО ИФ «Светлана-ИРСЭТ» (Санкт-Петербург).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 8-й Международной конференции по полуизолирующим материалам А3В5 (Польша, Варшава, 1994 г.), на 8-й Международной конференции по InP и соответствующим соединениям (Германия, Шве-биш Гмюнд, 1996 г.), на 23-й Международной конференции по полупроводниковым соединениям (Россия, Санкт-Петербург, 1996 г.), на 182-м Международном семинаре по возможностям предсказательного моделирования процессов (Германия, Ванд-лиц, 1997 г.), на двух Симпозиумах по Дефектам и примесям в полупроводниках и приборах и по Диффузионным механизмам в кристаллических материалах, вошедших в состав Собрания Общества исследования материалов (США, Сан-Франциско, 1998 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ и получен патент, список которых приведён в конце автореферата.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Страниц машинописного текста — J.?..?. , рисунков — .&. , таблиц — ..Р... , библиография — ш... наименований.
