Введение к работе
В числе проблем, связанных с созданием монокристаллов полупроводниковых соединений А3В5 с заданными свойствами, определяемыми во многом совершенством и однородностью структуры кристаллов, важное место занимает вопросы, касающиеся природы и свойств микродефектов <МД) кристаллической решетки, а так же методов их исследования и неразрушающего контроля. Несмотря на то, что накоплен обширный экспериментальный материал о структурных дефектах в соединениях АЭВ5, к моменту начала работы отсутствовали данные о связи природы НД с отклонением от стехиометрии и легированием. Измерения диффузного рассеяния рентгеновских лучей (ДРРЛ) с помощью трехкристального рентгеновского дифрактометра (ТРД) позволяют, в принципе, производить идентификацию микродефектов, определять их размеры, концентрацию и однородность распределения по сечению пластин. Метод неразрушающий и поэтому может быть применен для установления связи между отклонением от стехиометрии, легированием и типом микродефектов, особенностями роста и характером распределения, размерами и плотностью микродефектов в объеме кристалла, а так же для неразрусаощего контроля промышленных пластин. Метод имеет ряд очевидных преимуществ по сравнению с наиболее распространенными методами исследования МД - избирательным химическим травлением и просвечивающей электродной микроскопией (ПЭН). Первые же результаты показали, что измерения ДРРЛ в традиционной схеме, когда исследуется только хуангезская составляющая диффузного рассеяния, дает информацию только о преобладающем типе НД. В силу сложности состава ансамбля точечных дефектов (ТД) можно ожидать одновременного присутствия НД различных типов, диффузное рассеянна от которых не разделяется в оол.істи хуанговсхого рассеяния.
Поэтому целью настоящей работы явилось развитие метода ДРРЛ длч изучения микродефектов, имесщих разный знак дилатации, одновременно присутствующих в монокристаллах соединений А В , и исследование с его помощью особенностей образования микродефектов в не-легированных и легированных кристаллах.
Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие основные задачи.
1. Разработать методику определения концентрации МД в
монохристаллах без использования эталонных образцов. Определить
количество точечных дефектов, участвующих в образовании
микродефектов, выявляемых с помощью ДРРЛ.
-
Установить типы микродефектов или хотя бы знак дилатации, вызываемый МД. выявленными методом ДРРЛ и идентифицировать МД, не выявляемые ПЭМ и селективным травлением.
-
На основе результатов измерения ДРРЛ установить влияние отклонения от стехиометрии и уровня легирования, вида диаграммы фазовых равновесий на характер МД.
Актуальность проведения таких исследований определяется прежде всего отсутствием законченных теоретических представлений о структурных превращениях, происходящих с точечными дефектами в монокристаллах ANS8~H. что обуславливается, в первую очередь, сложностью протекающих процессов, недостатком сопоставимых экспери-ментальных результатов и неоднаэначностьо трактовки экспериментальной информации. Массовое производство в ближайшее время монокристаллов с относительно высоким уровнем плотности дислокаций jityd~lO**10eCM"*2) для оптоэлектронных приборов, рабочие пара^тры которых критически зависят от совершенства и однородности структуры используемых кристалов обусловливает необходимость изучения механизмов дефехтообразования в таких кристал-
лах. Особую актуальность приобретают вопросы, связанные с МД в настоящее время, когда проблема создания монокристаллов с низкой (Nd < 10эсм"2) плотностью дислокаций в значительной мере решена. Детальное знание природы и поведения МД даст возможность получить материалы с необходимыми параметрами МД. В связи с этим является актуальным развитие информативного и нераэрушагщего метода и с его помощью исследования МД в ряде монокристаллов А3В5. имевших широкое практическое применение. Научная новизйа работы заключается в следующем:
-
Впервые зарегистрировано диффузное рассеяние рентгеновских лучей на микродефектах, имеющих положительный и отрицательный знак дилатации кристаллической решетки, одновременно присутствующих с исследуемых кристаллах. На основе анализа совокупности ТД. равновесных вблизи температуры плавления, и особенностей фазовой диаграммы предложены модели наблюдаемых МД.
-
Показано, что метод ДРРЛ может с успехом применяться для диагностики процессов распада пересыаенных твердых растворов. Этим методом удается достаточно четко фиксировать переход состава твердой фазы через квазибинарный разрез и различие в типах микродефектов по обе стороны от разреза.
-
Показано, что при легировании CaAs донорными примесями и достижении концентрации свободных электронов п ~ 3-10,8см~3 основным типом микродефектов междоуэельного типа являются дислокациокные-петли, образующиеся при ассоциации пар меідоузельньїх атомов С і и As . Лпмитируюетм фактором при образовании дислокационных петель в кристаллах GaAs является концентрация Ga . При концентрациях примеси ниже указанно!», наблюдаемые михродефекты имеют другую природу и состав, отличный от состава матрицы. Повышение избыточной концентрации межюузельного As в кристалле приводит к уменьшению ко-
личества и размеров дислокационных петель в силыюлегированных до-норнэй примесью кристаллах CaAs. Там, где имеется избыток As(. образование мекдоузельных МД не является главным механизмом ассоциации.
4. Впервые был использован метод ДРРЛ для изучения на
трехкристальном рентгеновском дифрактометре природы и свойств
микродефектов, присутствующих в кристаллах CaAs с плотностью дис
локации 10* + 10е см"2, выращенных с разным отклонением от стехио
метрии. Использование ТРД позволяет выявлять эффекты, связанные с
присутствием дислокаций.
-
Для нелегированных кристаллов с малой плотностью дислокаций на примере InSb показано, что отклонение от стехиометрии существенно сказывается на совокупности микродефектов, образующихся в кристалле.
-
Показано, на примере ряда соединений А3В3. что легирование приводит к существенному изменение как качественного, так и количественного состава михродефехтоа в зависимости от положения точки, отвечающей составу твердой фазы, на диаграмме состояния, особенностей диаграммы состояния и кинетики диффузионных процессов.
7. На основа экспериментальных результатов выдвинуто
предположение, что образование МД в процессе охлаждения кристалла
связано с ассоциацией собственных точечных дефектов, ставших не
равновесными при охлаждении кристалла, и точечных дефектов,
образующихся при распаде пересыщенных твердых растворов.
в. Разработан метод определения абсолютного значения концентрации микродеффтов с обоими знаками дилатации, одновременно прасутствуоааа а кристалле, по значению интенсивности диффузного рассеяния на них. нормированной на интенсивность теплового диффузного рассеяния исследуемого образца, измеряемой в том же
эксперименте.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующей:
-
Создана нераэрушающая методика определения абсолютного значения концентрации и размеров МД с разными знаками дилатации. Разработанная методика на основе анализа асимптотического диффузного рассеяния позволила, по сравнению с традициопноп, расширить спектр наблюдаемых МД.
-
Регистрация с помощью ДРРЛ микродефектсв. не выявляемых ПЭМ и селективным травлением, открывает широкие возмоіности в исследовании их природы.
3. Доказана его высокую чувствительность метода ДРРЛ к
микродефектам вакансионно-междоуэельной природы, присутствующий в
соединениях А3В5. что позволяет использовать его для технологичес
кого контроля пластин по дефектности и структурной однородности и,
следовательно, повышение процента выхода годных приборов.
4. Результаты работы позволяют вести целенаправленную
корректировку процесса выращивания кристаллов с заданным ткпсы,
размерами и концентрацией микродефектов.
На защиту выносится:
1. Механизм образования МД а "ростовых" кристаллах р?та
легированных и нелегированных соединений A3BS, включающий ассоциа
цию неравновесных точечных дефектов.
-
Особенность ДРРЛ на микродефектах не выявляемых ПЭН, эакл.~ча-' ющаяся в наложении картины рассеяния от микродефектсв вакансиі нно-междоуэельной природы.
-
Экспериментальное доказательство того, что МД не выявляемые ПЭМ есть совокупность микродефектов с положительным и отрицательные знаком дилатации кристалчическоИ реаетки и имеющие состав, отличны» от состава матрицы кристалла.
4. Универсальная неразрушаюцая методика определения концентрації НД а условиях присутствия микродафектов с обоими знаками днлата-ции, основанная на измерении интенсивности асимптотическоП составляющей ДРРЛ, нормированной на интенсивность теплового диффузного рассеяния, которое измеряется для исследуемого образца в том же эксперимента.
5. Впервые полученные с помощьо ДРРЛ экспериментальные данные о размерах н концентрациях МД для ряда соединений А В . связывавшие зависимость процесса образования микродефектов с особенностями диаграмм состояния и состава ансамбля равновесных при температуре плавления точечных дефектов.
Апробация работы
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались на втором Межреспубликанском семинаре "Современные методы и аппаратура рентгеновских . дифрактометрических исследований материалов в особых условиях" /г. Киев 18-21.9.91/. а так же на научных семинарах в ГИРЕДМЕТе и на кафедре материаловедения полу-проиодникоа ЫИСиС. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Структура и обьеи диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы. Работа изложена на 122 страницах маши-вописного текста, содержит 33 рисунка и 7 таблиц. Список литературы включает 148 наименований. Общий объем диссертации 156
страниц.
