Исследование микродефектов в монокристаллах арсенида галлия, легированного кремнием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Жевнеров, Евгений Владимирович

• Жевнеров, Евгений Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Жевнеров, Евгений Владимирович

Введение.

Глава 1. Микродефекты и собственные точечные дефекты в соединениях АШВУ на основе современных исследований структуры полупроводников.

1.1. Промышленное применение арсенида галлия, легированного кремнием, и проблемы, связанные с выращиванием монокристаллов , материала.

1.2. Собственные и примесные точечные дефекты в ОаАБ^), влияние распада пересыщенных твёрдых растворов точечных дефектов на образование микродефектов.

1.3. Методы исследования пересыщенных растворов точечных дефектов и микродефектов в ОаАз(81).

1.4. Исследование влияния легирования и условий роста монокристаллов ОаАэСБО на образование микродефектов, современные представления о механизмах образования микродефектов.

Резюме к главе 1.

Глава 2. Методика определения типа и концентрации микродефектов в легированных полупроводниках типа АШВУ в зависимости от условий их роста и уровня легирования.

2.1. Метод диффузного рассеяния рентгеновских лучей (ДРРЛ) в схеме трёхкристалльного рентгеновского дифрактометра (ТРД).

2.1.1. Методика и схематичное описание измерения ДРРЛ в схеме

2.1.2. Расчёт концентрации и определение типа точечных и микродефектов на основе данных метода ТРД.

2.1.3. Метод измерения ДРРЛ с применением установки криогенного охлаждения монокристалла.

2.2. Прецизионное измерение периода решётки монокристаллов в схеме метода Бонда.

2.3. Метод термодинамического расчёта области гомогенности и концентраций собственных и примесных точечных дефектов в полупроводниках А1ПВу.

Резюме к главе 2.

Глава 3. Применение экспериментальных методов исследования микродефектов в монокристаллах ОаАзф), выращенных методами ГНК и

Чохральского.

3.1. Исследование монокристаллов, выращенных по методу ГНК.

3.1.1. Параметры объектов исследования.

3.1.2. Измерения ДРРЛ при комнатной температуре.

3.1.3. Измерения ДРРЛ в криогенной установке.

3.1.4. Измерения периода решётки по методу Бонда.

3.1.5. Сопоставление результатов, полученных методами ДРРЛ и Бонда, анализ закономерностей образования МД в ГНК-кристаллах GaAs(Si). 92 Резюме к разделу 3.1.

3.2. Исследование монокристаллов GaAs(Si), выращенных методом Чохральского.

3.2.1. Параметры объектов исследования.

3.2.2. Измерения ДРРЛ.

3.2.3. Измерения периода решётки по методу Бонда.

3.2.4. Результаты измерений атомной концентрации методом ВИМС.

3.2.5. Сопоставление результатов, полученных методами ДРРЛ, Бонда и ВИМС, анализ закономерностей образования микродефектов.

Резюме к разделу 3.2.

3.3. Сравнительный анализ данных о микродефектах в монокристаллах

GaAs(Si), выращенных методами ГНК, Чохральского и ВНК.

Резюме к разделу 3.3.

Глава 4. Термодинамический расчёт концентраций растворов равновесных точечных дефектов в тройной системе Ga-As-Si.

4.1. Расчёт параметров жидких растворов системы Ga-As-Si.

4.1.1. Описание системы растворов Ga-As-Si на основе экспериментальных данных.

4.1.2. Расчёт энтальпии и энтропии растворимости компонентов Ga, As и Si в квазирегулярном приближении.

Резюме к разделу 4.1.

4.2. Расчёт концентраций точечных дефектов методом квазихимических реакций.

4.2.1. Определение системы уравнений квазихимических реакций на основе современных экспериментальных данных.

4.2.2. Определение энтальпии и энтропии системы квазихимических реакций.

4.2.3. Результаты расчёта равновесных концентраций точечных дефектов в зависимости от степени легирования и условий роста монокристаллов, анализ возможности образования в системе GaAs(Si) микродефектов.

Резюме к разделу 4.2.

4.3. Сопоставление результатов термодинамического расчёта растворов точечных дефектов и микродефектов в системе GaAs(Si) с результатами экспериментальных методов исследования.

Резюме к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование микродефектов в монокристаллах арсенида галлия, легированного кремнием»

Совокупность собственных точечных дефектов (СТД) в полупроводниковых соединениях типа АШВУ существенно зависит от отклонения состава от стехиометрического [1,2]. 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: микродефекты значительно ухудшают качество электронных приборов, создавая неоднородности электрофизических параметров размером от ~100 нм до ~1 мкм [1-5]. Совокупность МД помимо условий роста зависит от легирования, т.к. легирование изменяет состав СТД и температурную зависимость растворимости отдельных видов СТД.

Изучаемые в настоящей работе монокристаллы арсенида галлия, легированного кремнием (ОаАз^)) широко используются в современной электронной промышленности [6-9]. Получение относительно чистых и совершенных монокристаллов ОаАБ^) доказывает существенное влияние СТД на физические свойства материала [9-11]. Вместе с тем, существуют объективные методические трудности, связанные с отсутствием единой теории и методики определения состава СТД и образования на его базе микродефектов [1]. СаАз(81) в современной литературе уделено достаточное внимание [12-17], однако ощутим недостаток надёжных однозначных данных о природе происходящих в исследуемом материале процессах распада пересыщенных твёрдых растворов точечных дефектов (ТД), а также схеме образования МД. Недостаточно выявлено влияние легирования и процесса компенсации амфотерной примеси Б! на концентрацию и распад СТД.

Отсутствие надёжной количественной теории, связывающей концентрацию ТД с экспериментальными физическими данными, полученными в процессе данной работы, является основным недостатком большинства методов исследования СТД, что объясняет актуальность проведённых исследований.

Основная цель работы: изучение закономерностей образования и развития МД в арсениде галлия, легированного широко применяемой для получения п-типа проводимости легирующей амфотерной примесью - кремнием, на основе развития метода диффузного рассеяния рентгеновских лучей в совокупности с другими методами исследования структур, термодинамический расчёт равновесных концентраций примесных и СТД в материале ОаАз^О, выращенном различными методами.

Для достижения поставленных в работе целей необходимо было решить следующие задачи:

1. Реализовать универсальную структурированную схему измерений параметров материала ваЛв^), характеризующих свойства МД, с помощью различных взаимодополняющих методов исследования структур материалов.

2. Получить экспериментальные данные диффузного рассеяния на МД в исследуемом материале и классифицировать обнаруженные МД в соответствии с расчётными моделями, учитывающими симметрию полей смещений в кристаллической решётке.

3. Развить метод теплового диффузного рассеяния и рассчитать концентрации МД в исследуемом материале в зависимости от их распределения по размерам.

4. Подобрать адекватный реальной системе ваАэ^О набор квазихимических уравнений и рассчитать равновесные концентрации примесных и СТД в зависимости от отклонений от стехиометрии и условий роста.

5. Выявить и сопоставить закономерности зарождения и генезиса МД при послеростовом охлаждении на основе полученных в настоящей работе экспериментальных и расчётных данных.

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 квазихимических равновесий, изучены закономерности зарождения и развития МД различной природы и физических параметров в ГНК и ЧЖГР -монокристаллах ОаАэ^) в зависимости от концентрации примеси.

2. 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.

3. Экспериментально выявлено влияние легирования кремнием на свойства МД в ваАБ, выращенном по методу Чохральского из-под слоя флюса В1М.

4. Обнаружено влияния непроизвольного легирования бором на параметры МД. В частности, бор существенно уменьшает размер МД.

5. Для анализа ДРРЛ на ассоциациях ТД разного типа, выполнен расчёт равновесных концентраций точечных дефектов для разных отклонений от стехиометрии и концентраций легирующей примеси.

6. С помощью термодинамических расчётов показано, что легирование кремнием приводит к сдвигу изотермических сечений поверхности равновесной кристаллизации в сторону избытка мышьяка (треугольник ОаАв-Зь-АБ).

Практическая значимость результатов исследования:

1. Развитие в работе метода диагностики структуры монокристаллов может быть использовано при отработке технологии получения кристаллов типа А" В8"11.

2. Установлена связь между совокупностью МД и условиями получения кристаллов, которая может быть использована для корректировки технологии.

3. В ОаАй^), выращенном по методу Чохральского, показано влияние бора на МД, что можно использовать для воздействия на их параметры при выращивании.

4. Разработана и применена методика выявления и расчёта ДРРЛ на МД при криогенных температурах, позволяющая определять суммарный объём МД.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Экспериментальное исследование физических параметров (знаков дилатации, концентрации, формы, размеров) МД в арсениде галлия, выращенном методами ГНК и Чохральского, в зависимости от концентрации примеси кремния.

2. Доказательство собственной природы обнаруженных крупных МД размером ~ 0,5 мкм вакансионного и межузельного типов, в различных методах выращивания монокристаллов ОаАэ^), при концентрациях ОНЗ до п «2-1018 см"3.

3. Природа обнаруженных плоских МД в сильнолегированных образцах.

4. Механизм увеличения параметра кристаллической решётки в методах ГНК и ВНК.

5. Выявление закономерностей образования МД в ваАзСБО, связь дефектообразования с компенсацией (амфотерностью) примеси. • 6. Результаты расчётов квазихимических равновесий образования ТД и их комплексов в ОаАэ^), в зависимости от отклонения от стехиометрии и концентрации примеси кремния.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Жевнеров, Евгений Владимирович

Общие выводы по работе

1. Методом ДРРЛ в монокристаллах GaAs(Si), полученных методами выращивания Чохральского и ГНК, выявлены закономерности зарождения и развития МД в зависимости от уровня легирования. Для получения необходимой информации о дефектообразовании, в работе также применены методы ВИМС, метод Бонда, и термодинамический расчёт квазихимических равновесий в . квазирегулярном приближении растворов в жидкой фазе.

2. Разработана и применена методика измерения ДРРЛ в схеме ТРД в условиях криогенных температур с использованием азотного криостата незамкнутого типа. Методика позволяет провести выделение теплового рассеяния, используемого для абсолютизации.

3. По выделенной составляющей теплового рассеяния, проведена абсолютизация ДР и расчёт концентрации МД. Для кристалла с п=2,0-1018 см-3 концентрация мелких МД составила «4-10и см"3, для кристалла с п=3,9-1018 см"3 её значение «4,5-10ьсм"3, что связано с увеличением концентрации легирующей примеси. Крупные плоские МД обнаружены только в образце с п=3,9-1018, их о 1 концентрация составила «3-10 см" .

4. В сильнолегированном материале обнаружены крупные вакансионные . поры, связанные с выпадением избыточного кремния. Диаметр пор составляет

1,3 мкм, мощность »1 мкм3, концентрация «1,5-108cm"j. Количество вакансий в поре «4,4-1010. В ВНК-кристаллах с ростом концентрации Si количество МД вакансионного типа уменьшается, в отличие от ГНК-образцов. Данный факт можно объяснить легированием бором из герметизирующего слоя флюса В203, сдерживающим зарождение вакансионных МД.

5. С ростом концентрации кремния при п>(2,5-^3)х1018 см"3 в случае методов

ГНК и ВНК наблюдается интенсивный рост крупных несферических МД с когерентными границами, что связано с распадом раствора кремния. МД идентифицированы как частичные дислокационные петли межузельного типа

Франка-Рида с вектором Бюргерса |Ь|=^<111> и плоскостью залегания {111}.

Радиус ДП 0,4-Я),6 мкм, размер увеличивается с увеличением концентрации примеси, мощность 0,2 мкм3, концентрация «Ю10 см"3.

6. В случае метода Чохральского с применением флюса В203, обнаружено снижение ДРРЛ на вакансионных и межузельных МД и устойчивое уменьшение параметра решётки с ростом концентрации Si, а интегральная интенсивность ДРРЛ существенно ниже, чем для аналогичных ГНК-образцов. Причиной уменьшения параметра решётки в LEC-кристаллах, как и в случае метода ВНК, является легирование бором из слоя флюса. Показано, что изовалентная примесь бора не только упрочняет монокристаллы за счёт сдерживания роста дислокаций, но и сдерживает рост крупных МД вакансионного и межузельного типов при высоких температурах и существенно снижает интегральный объём МД. Обнаруженный эффект можно объяснить замедлением скорости диффузии ТД, формирующих МД.

7. В квазирегулярном приближении рассчитаны энергии смешения компонентов в жидкой фазе диаграммы состояния системы Ga-As-Si в области первичной кристаллизации. Расчёт области гомогенности GaAs(Si) на основе полученных данных выявил резко выраженный ретроградный тип растворимости атомов галлия и мышьяка. Максимальные значения равновесных концентраций при избытке галлия равны 4,0-Ю19 см"3 (1=1180° С) и 8,6-Ю19см"3 (Т=1110° С) при избытке мышьяка. Разностная концентрация доноров и акцепторов амфотерной примеси с приближением к значению [Si] =1,0-10 см' не превышает =(4*5)-10 см' .

8. Подтверждено соответствие расчётных закономерностей поведения ТД экспериментальным результатам исследования МД в rHK-GaAs(Si) и в слаболегированных образцах LEC-монокристаллов. В случае собственных ТД, показано, что обнаруженные межузельные МД 0-типа, идентифицированные в гл. 3 как плоские МД с b || [110] и плоскостью залегания {100}, состоят из межузельных атомов мышьяка. Зарождение высокотемпературных МД вакансионной природы в сильнолегированных образцах связано с ростом концентрации вакансий в обеих подрешётках с увеличением легирования. Показано, что наличие примесных МД с b || [111] и плоскостью залегания {111} в сильнолегированных образцах обусловлено генерацией значительного количества нейтральных комплексов (Sioa-SiAs)

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Жевнеров, Евгений Владимирович, 2011 год

1. Бублик В.Т., Мильвидский М.Г. Нестехиометрия, собственные точечные дефекты и микродефекты в соединениях AmBv. 4.1. // Материаловедение. -1997.-№ 2.-С. 21-29.

2. Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. М.: Металлургия, 1984, 255 с.

3. Марков А.В., Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. // ФТП. 1986. Т 20. В. 4. С.634-640.

4. Verner V.D., Maksimov S.K., Nichugovskii D. К. // Phys. Stat. Sol. (a). 1976. V. 33. №2. P. 757-763.

5. Мильвидский М.Г., Калинин А.А., Марков A.B., Щершаков A.H. Роль собственных точечных дефектов при образовании микродефектов в легированных монокристаллах GaAs. В межвуз. тематич. сб. трудов "Физика кристаллизации", Калинин, 1986. С.3-11.

6. Compound Semiconductor. 2000—2001. V. 6. N 9. P. 25.

7. Kaminska M., Weber E. R. // In: Semiconductors and Semimetals. V. 38. N.-Y.: Acad. Press, 1993. P. 59—89.

8. Марков А. В., Болъшева Ю. H., Освенский В. Б. // Высокочистые вещества. 1993. № 1. С. 102—107.

9. Марков А.В. Индустриальные технологии выращивания монокристаллов арсенида галлия: достижения и перспективы // Материалы электронной техники. -2001.- № 3. С. 1-8.

10. Мильвидский М.Г., Пелевин О.В., Сахаров Б.А. Физико-химические основы получения разлагающихся полупроводниковых соединений. М.: Металлургия, 1974, 392 с.

11. Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. Получение совершенных монокристаллов. М.: Наука, 1975, с. 79-109.

12. Muto S., Takeda S., Hirata M., Fujii К., Ibe К. // Philosophical Magazine A,1992, V.66, - р.257-268.

13. Weyher J.L., Sonnenberg К., Schober Т., Rucki A., Jäger W., Franzosi P., Frigeri C. // Materials Science and Engeneering B, 1997, - V.44, - P.242-247.

14. Глазов B.M., Павлова JI.M. // Материалы электронной техники (Изв. ВУЗов). 1999.-№3.-с. 45-52.

15. Morozov A.N. // Journal of Crystal Growth, 1990, - V. 106, - P.258-272.

16. B.T. Бублик, E.B. Жевнеров, К.Д. Щербачев // Материалы электронной техники. Изв. Вузов. 1998. -N 3. - С.72-76.

17. Борисова J1.A. Фоновые примеси и их взаимодействие в твердых и жидких растворах на основе GaAs: Дис. докт. хим. наук : 02.00.01 / АН СССР, Сиб. отделение, Институт Неорганической Химии. Новосибирск., 1984.

18. Nanishi Y., Ishida S., Honda Т. et al. // Jap. J. Appl. Phys. Lett. 1982. V. 21. N 6. P. 335—337.

19. Ковалъчук И. А., Марков А. В., Меженный M. Г. и др. // ЖТФ. 1989. Т. 59. №2. С. 106—110.

20. Charniy LA., Morozov A.N., Scherbachov K.D. et al. I.// J. Crystal Growth. 1992. V. 116. P. 369.

21. К.Д. Щербачёв, B.T. Бублик, О.Э. Даричева // Кристаллография, 1995, T.40, N5, c.868-876.

22. Бублик B.T., Щербачёв К.Д., Жевнеров E.B. Особенности структуры монокристаллов GaAs, легированных кремнием, выращенных методом Чохральского из-под слоя флюса В203.// Изв. ВУЗов, Материалы электронной техники, 1999, N4, с.74-76.

23. Бублик В.Т., Кригель В.Г., Марков A.B., Воронова М.И., Щербачев К.Д., Жевнеров Е.В. Особенности образования микродефектов в монокристаллах

24. GaAs(Si), выращенных методом Чохральского из-под слоя флюса В203i

25. Тезисы IX Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2000)i16.20 октября, 2000 Москва), С. 558.

26. Charniy LA., Morozov A.N., Scherbachov K.D. et al. // J. Crystal Growth. 1992. V. 116. P. 369.

27. Кривоглаз M.A. Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в неидеальных кристаллах. Киев.: Hay ков а думка, 1983.

28. Ph. Ebert, К. Urban, Ultramicroscopy 49 (1993) 344.

29. S.Muto, S.Takeda, M.Hirata, K.Fujii,K.Ibe, Philos. Mag.A66(1992)257.

30. Ph.Ebert,В .Engels,P.Richard,K.Schroeder,S.Blugel, C.Domke, M.Heinrich, K.Urban, Phys.Rev.Lett. 77. (1996) 2997.

31. P.Ebert, X.Chen, M.Heinrich, M.Simon, K.Urban, M.G.Lagally, Phys.Rev.Lett. 76 (1996) 2089.

32. Morosov A., Bublik V.T. // J. Crystal Growth. 1986. - V. 45. - P. 491-503.

33. Морозов А.Н., Бублик В.Т. // Журнал аналитической химии. 1987. - Т. 42. -N4.-С. 617.

34. Bublik V.T. //Phys. Stat. Sol. 1978. - A45. - N 2. - P. 543-548.

35. Морозов А.Н., Анастасьева H.A., Степанцова И.В., Бублик В.Т., Освенский В.Б., Биберин В.И. // Высокочистые вещества. 1989. - N 5. - С. 62-65.

36. Морозов А.Н., Бублик В.Т., Ковальчук И.А., Столяров О.Г. // Кристаллография. 1986. - Т. 31. - N 5. - С. 986-993.

37. Морозов А.Н., Мильвидская А.Г., Колчина Г.П., Смирнов В.М. // Неорганические материалы. 1989. - Т. 25. - N 8. - С. 1249-1253.38.