Введение к работе
з
Актуальность темы
Совокупность собственных точечных дефектов (СТД) в полупроводниковых соединениях типа А В существенно зависит от отклонения состава от стехиометрического. При сопоставимых условиях роста эта совокупность определяет образование микродефектов (МД) разного химического состава, знака дилатации, размеров и формы. Физические параметры полупроводниковых материалов, в свою очередь, критически зависят от "ансамбля" образовавшихся в монокристаллах МД, т.к. они создают неоднородности электрофизических параметров размером от ~10 нм до ~1 мкм и значительно ухудшают качество электронных приборов. Помимо условий роста, параметры МД зависят от легирования, т.к. легирование изменяет состав СТД, и, в ряде случаев, температурную зависимость растворимости СТД.
Изучаемые в настоящей работе монокристаллы арсенида галлия, легированного кремнием GaAs(Si), широко используются в современной электронной промышленности. В работе исследован GaAs(Si), выращенный в промышленных условиях методом горизонтально направленной кристаллизации (ГНК), методом вытягивания из расплава из-под слоя флюса (метод Чохральского, или LEC-технология - Liquid Encapsulated Chochralsky), и вертикально направленной кристаллизации (ВНК). Получение относительно чистых и совершенных монокристаллов GaAs(Si) доказывает существенное влияние СТД на физические свойства материала. Вместе с тем, существуют объективные методические трудности, связанные с отсутствием методики определения состава СТД и единой теории образования МД на его базе. GaAs(Si) в современной литературе уделено достаточное внимание, однако ощутим недостаток надёжных однозначных данных о механизме происходящих в исследуемом материале процессов распада пересыщенных твёрдых растворов точечных дефектов (ТД) и схеме образования МД. Недостаточно выявлено влияние легирования и процесса компенсации амфотерной примеси Si на концентрацию и распад СТД.
Изучение формирования МД в легированном GaAs позволяет выявить связь МД с отклонением от стехиометрии и характером легирования, что делает возможным целенаправленно менять параметры роста монокристаллов с целью получения управляемых совокупностей дефектов.
Основная цель работы: изучение закономерностей образования и развития МД в арсениде галлия, легированого широко применяемой для получения n-типа проводимости легирующей амфотерной примесью - кремнием.
Научная новизна работы
1. Методами диффузного рассеяния рентгеновских лучей (ДРРЛ), прецизионного измерения параметра кристаллической решётки (методом Бонда), вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС), расчёта равновесных концентраций ТД на основе
4 квазихимических равновесий, изучены закономерности зарождения и развития МД
различной природы и физических параметров в ГНК и LEC - монокристаллах GaAs(Si)
в зависимости от концентрации примеси.
Разработана и практически применена методика абсолютизации интенсивности измерения ДРРЛ в схеме трёхкристалльного рентгеновского дифрактометра (ТРД) в условиях криогенных температур с использованием азотного криостата незамкнутого типа.
Экспериментально выявлено влияние легирования кремнием на свойства МД в GaAs выращенном по методу Чохральского из-под слоя флюса BN.
Обнаружено влияния непроизвольного легирования бором на параметры МД. В частности, бор существенно уменьшает размер МД.
Для анализа ДРРЛ на ассоциациях ТД разного типа, выполнен расчёт равновесных концентраций точечных дефектов для разных отклонений от стехиометрии и концентраций легирующей примеси.
С помощью термодинамических расчётов показано, что легирование кремнием приводит к сдвигу изотермических сечений поверхности равновесной кристаллизации в сторону избытка мышьяка (треугольник GaAs-Si-As).
Практическая ценность результатов исследования:
Развитие в работе метода диагностики структуры монокристаллов может быть использовано при отработке технологии получения кристаллов типа А" В "п.
Установлена связь между совокупностью МД и условиями получения кристаллов, которая может быть использована для корректировки технологии.
В GaAs(Si), выращенном по методу Чохральского, показано влияние бора на МД, что можно использовать для воздействия на их параметы при выращивании.
Разработана и применена методика выявления и расчёта ДРРЛ на МД при криогенных температурах, позволяющая надёжно определять суммарный объём МД.
Научные результаты, выносимые на защиту:
Экспериментальное исследование физических параметров (знаков дилатации, концентрации, формы, размеров) МД в арсениде галлия, выращенном методом ГНК и Чохральского, в зависимости от концентрации примеси кремния.
Доказательство собственной природы обнаруженных крупных МД размером ~ 0,5 мкм МД вакансионного и межузельного типов, в различных методиках выращивания монокристаллов GaAs(Si), при концентрациях ОНЗ до п « 2-10 см" .
Природа обнаруженных плоских МД в сильнолегированных образцах.
Механизм увеличения параметра кристаллической решётки в методах ГНК и ВНК.
5. Расчёт квазихимических равновесий образования ТД и их комплексов, протекающих в
процессе выращивания GaAs(Si), на основе совокупности современных отечественных и зарубежных литературных данных и теоретических представлений о системе, который использован для анализа совокупности МД.
6. Выявление закономерностей образования МД в GaAs(Si), связь дефектообразования с
компенсацией (амфотерностью) примеси.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на:
7-я Всероссийская конференция «GaAs-99», Томск 21-23 октября 1999.
IX Национальная конференция по росту кристаллов "НКРК-2000", 16-20 октября 2000, Москва.
VII Национальная конференции "Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии" (РСНЭ-НБИК 2009), 16-21 ноября 2009 г.
XIII Национальная конференция по росту кристаллов "НКРК-2008" 17-21 ноября 2008, Москва.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка цитируемой литературы, состоящего из использованных источников из 217 наименований. Общий объём диссертации 170 страниц, включая 41 рисунок и 16 таблиц.
