Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в области полупроводниковой технологии наиболее перспективным методом получения приборных структур является метод молекулярно-лучевой эпитаксни (МЛЭ). Он позволяет контролируемым образом получать эпитаксиальные слон различных материалов с заданными свойствами. Это обусловлено прежде всего наличием большого парка аналитического оборудования, совместимого с методом получения слоев - испарением материалов в условиях сверхвысокого вакуума.
Одной из главных и постоянных проблем полупроводниковой технологии является создание желаемого пространственного распределения различных материалов в гетероструктурах и примесей в них. Использование МЛЭ дает возможность осуществлять программируемое распределение осаждаемых веществ в направлении роста с точностью до монослоя, а легирование может быть реализовано непосредственным введением необходимого количества требуемой примеси в растущий слой. Однако, процесс МЛЭ всегда сопровождается нагревом арматуры испарителей, которые становятся в этом случае источником неконтролируемых примесей. Кроме того, для получения высокого структурного совершенства эпитак-сиальных слоев требуется проводить нагрев подложек во время осаждения, в ряде случаев весьма значительный. При этом, может происходить диффузия материала растущей пленки в подложку и материала подложки в пленку. Понятно, что в этом случае в эпитаксиальнои слое также будет наблюдаться некоторый примесный фон. В рассмотренных случаях источники неконтролируемых примесей расположены пространственно относительно выделенного объекта - пленки - по разные стороны. Поэтому имеет смысл считать подложку - внутренним, а все остальные факторы, приво-
дящие к неконтролируемому легированию, - внешним источником примесей. Для реализации управляемого процесса получения структур с заданными свойствами необходимо детально изучить и разделить влияние этих источников.
Отклонения от идеальности характеристик полупроводниковых приборов, полученных методом МЛЭ, определяются не только уровнем и распределением фоновых примесей, но и особенностями кристаллографического и электронного строения гетерограницы (ГГ) - области конечной протяженности вблизи металлургической границы раздела. Главную роль в возникновении таких особенностей играют дефекты кристаллической структуры и наличие чужеродных атомов на поверхности подложки, по-' этому контроль состояния поверхности до и во время роста, контроль состава молекулярных пучков имеют большое значение.
Несмотря на совершенствование методов контроля in situ процесса МЛЭ, среди которых следует отметить дифракцию быстрых электронов на отражение и масс-спектрометрию, как наиболее часто используемых, а также эллипсометрию, процесс не всегда контролируется и, тем более, управляется, достаточно полно. Недостаточность данных о ГГ, получаемых в процессе формирования приграничных областей, компенсируется Исследованиями гетероструктур различными методами после их роста, а также проведением модельных экспериментов в аналитических установках, как правило, специально для этого дооборудованных.
Целью настоящей работы являлось выяснение главных особенностей взаимодействия материалов подложки и растущей пленки, принципиально присущих исследованным гетеросистемам, а также влияния состава молекулярных пучков на формирование областей вблизи ГГ и электрофизические свойства полученных гетеропереходов (ГП).
Объектами исследования служили гетеросистемы GaAs-Ge, GaAs-ZnSe, GaAs-ZnSe-Ge и Si-PtSi. Помимо научного эти структуры представляют практический интерес с точки зрения изготовления на их основе фотоприемников, чувствительных в различных спектральных диапазонах. Для достижения указанной цели надо было решить следующие задачи:
-
Собрать установку МЛЭ и провести оборудование ее контрольно-аналитической аппаратурой и программными средствами для изучения процесса роста в условиях высокой воспроизводимости технологических режимов.
-
Выбрать адекватные поставленной задаче методы исследования, а также способы проведения модельных экспериментов, позволяющие установить особенности строения гетероструктур после роста.
-
Исследовать электрофизические свойства пленок и ГП, и на основе этих данных, совместно с известными технологическими параметрами роста, провести анализ, позволяющий разделить внутренние и внешние источники примеси, определяющие характеристики полученных в процессе МЛЭ структур.
-
Провести расчет характеристик ГП, исходя из его реального строения, с учетом распределения примеси и встроенных электрических полей, что является необходимым условием корректного сравнения теории и эксперимента.
-
Определить оптимальные режимы формирования и топологию структур на основе ГП с целью создания фотоприемников, обладающих высокими техническими характеристиками.
Научная новизна настоящей работы заключается в следующем: 1. Проведено последовательное рассмотрение возможных источников неконтролируемых примесей с разделением их на внешние и внутренние
для метода МЛЭ. Показано влияние состояния поверхности подложки и способа осаждения эпитаксиальных слоев (на примере ГП GaAs-Ge, ZnSc-Ge, при использовании электронно-лучевых испарителей (ЭЛИ) и ячеек типа Кнудсена) на формирование гетерограницы.
-
Впервые наблюдался эффект зависимости скорости роста слоев ZnSe от химического состава поверхности подложки - GaAs. Показано, что это явление обусловлено поступлением галлия из GaAs со сверхструктурой поверхности (4x2) в растущую пленку и на ее поверхность.
-
Впервые обнаружено аномально большое отрицательное магнитосопро-тивление в эпитаксиальных слоях Ge, обусловленное образованием парамагнитного комплекса [С-Н] при использовании электроннолучевого разогрева материала источника.
-
Прямые наблюдения процесса твердофазной кристаллизации в системе Pt-Si позволили точно определить химический сдвиг 4f пиков Pt методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) для соединения PtSi на Si (100).
-
Показано, что получение атомарно-чистой поверхности кремния после ее гидрогенизации невозможно без полного исключения контакта с атмосферой ввиду высокой адсорбционной способности гидрогенизиро-ванной поверхности.
Практическая ценность.
Разработан уникальный комплекс аппаратуры, предназначенный для получения гетероструктур методом МЛЭ на котором изготовлены фотоприемники на основе ГП GaAs-Ge, GaAs-ZnSe, и Si-PtSi, чувствительные в диапазоне энергии от 0.2 до 40 эВ.
Определены условия поступления фоновой примеси из внутреннего источника и предложены методы ее подавления.
Определены механизмы, приводящие к окислению гидрогенизирован-ноп поверхности кремния, и рассмотрены условия, позволяющие минимизировать их влияние.
Проделан расчет электрофизических характеристик ГП с учетом сильнолегированной области вблизи ГГ, что позволило корректно провести сравнение теории и экспериментальных данных.
На защиту выносятся следующие положения:
-
При электронно-лучевом разогреве материала источника в процессе МЛЭ основной "внешней" фоновой примесью в эпитаксиальных слоях германия является комплекс [С-Н], который состоит из атома углерода, расположенного в узле решетки, и атома водорода, обращающегося вокруг него.
-
Основной "внутренней" фоновой примесью в эпитаксиальных слоях не только германия, но и селенида цинка, полученных на подложках GaAs с ориентацией (100) и исходной сверхструктурой поверхности (ССП) (4x2) является Ga.
-
При рассмотрении зонной диаграммы ГП GaAs - Ge, полученного методом МЛЭ, необходимо учитывать наличие в приграничной области со стороны эпитаксиальной пленки Ge обогащенного галлием слоя с более высокой концентрацией примеси относительно остального объема пленки, и влияние встроенного поля на процессы переноса носителей заряда через потенциальный барьер на ГГ.
-
Разница в величине скорости роста при получении пленок ZnSe на ультратонких слоях собственного окисла и на поверхности GaAs со ССП (4x2) в интервале температур 250 -s- 300 С обусловлена наличием в последнем случае избыточного галлия на поверхности роста и его воздействием на процесс адсорбции элементов пучка.
5. В процессе твердофазной кристаллизации системы Pt-Si, полученной осаждением платины на атомарно-чистую поверхность кремния, формируется единственное соединение - PtSi, химический сдвиг 4f пиков платины в этом соединении равен (0.92 ± 0.02) эВ.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международном совещании по фотоэлектрическим и оптическим явлениям в твердом теле (1977г., Варна), VII Международном совещании по фотоэлектрическим и оптическим явлениям в твердом теле (1983г., Варна), VII всесоюзной конференции по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (1986г., Новосибирск), Международном симпозиуме по молекулярно-лучевой эпитаксии (1987г., Франкфурт), II Международной конференции по физике низкоразмерных структур (1995г., Черноголовка,)
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах, список которых приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и трех приложений. Она содержит 151 страницу текста, 46 рисунков 4 таблицы-и список литературы из 108 наименований.
