Моделирование концентрационных профилей компонентов в низкоразмерных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs, формируемых методом МОС-гидридной эпитаксии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Андреев, Андрей Юрьевич

• Андреев, Андрей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Андреев, Андрей Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Гетероструктуры на основе соединений АП1Вv

1.1.1. Понятие о гетероструктурах. Модель гетероперехода.

1.1.2. Оптические свойства гетеропереходов.

1.1.3. Низкоразмерные гетероструктуры.

1.1.4. Эффект размерного квантования.

1.1.5. Приборы, основанные на использовании квантоворазмерных эффектов.

1.2. Получение гетероструюур методом МОС-гидридной эпитаксии.

1.2.1. Метод МОС-гидридной эпитаксии.

1.2.2. Оборудование МОС-гидридной эпитаксии.

1.2.3. Исходные компоненты для МОС-гидридной эпитаксии.

1.2.4. Технологические параметры МОС-гидридной эпитаксии.

1.2.5. Основные проблемы технологии МОС-гидридной эпитаксии.

1.3. Факторы, влияющие на распределение основных и легирующих компонентов в гетероструктурах на основе соединений AniBv, полученных методом МОС-гидридной эпитаксии.

1.3.1. Диффузия основных и примесных компонентов в процессе выращивания гетероструктур.

1.3.2. Сегрегационные явления при формировании низкоразмерных гетероструктур.

1.3.3. Влияние напряжений несоответствия на вхождение компонентов в растущие эпитаксиальные слои.

ГЛАВА 2. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРО-СТРУКТУР InGaAs/(Al)GaAs.

2.1. Объекты исследований.

2.2. Установка для получения эпитаксиальных гетероструктур.

2.3. Измерительное оборудование.

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОФИЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР InGaAs/(Ai)GaAs ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ.

3.1. Зависимость характеристик лазерного диода от параметров эпитаксиальной гете-роструктуры.

3.2. Моделирование профилей распределения цинка в лазерной гетероструктуре InGaAs/(Al)GaAs.

3.2.1. Расчетная модель диффузии цинка в гетероструктуре InGaAs/(Al)GaAs.

3.2.2. Обсуждение результатов расчета и краткие выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРОФИЛЕЙ ИНДИЯ В КВАНТОВОРАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР АХ InGaAs/(AI)GaAs.

4.1. Экспериментальное исследование профилей распределения индия в низкоразмерных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs, выращенных методом МОС-гидридной эпитаксии.

4.2. Разработка расчетной модели для описания сегрегации индия при формировании низкоразмерных гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs.

4.2.1. Основные положения и допущения расчетной модели.

4.2.2. Описание расчетной модели. 84 4.2.2.1. Расчетная модель для учета влияния специфики физико-химического взаимодействия в системе In-Ga-As на сегрегацию индия. 85 4.2.2.1.1. Вариант без учета изменения скорости роста от состава эпитаксиального слоя.

4.2.2.1.2. Вариант с учетом изменения скорости роста от состава эпитаксиального слоя.

4.2.2.2. Расчетная модель для оценки влияния упругих напряжений на концентрационные профили индия. 92 4.3. Результаты моделирования концентрационных профилей индия в гетерострукту-рах InGaAs/(Al)GaAs и их обсуждение.

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование концентрационных профилей компонентов в низкоразмерных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs, формируемых методом МОС-гидридной эпитаксии»

Актуальность темы.

Разработка полупроводниковых гетероструктур с квантовыми ямами на основе InGaAs/(Al)GaAs и их твердых растворов с возможностью управления зонной структурой материала позволила создать высокоэффективные лазерные диоды, фотоприемники, солнечные элементы и быстродействующие транзисторы. Однако изготовление подобных структур субмикронных размеров, имеющих заданное распределение примесей, контролируемое с точностью до постоянной решетки, и минимальное количество дефектов, является весьма сложной задачей. Важным требованием является и эксплуатационная гибкость, позволяющая использовать самый широкий возможный диапазон материалов, включая твердые растворы, состоящие из четырех или более компонентов. При этом процесс эпитаксии должен быть экономически выгодным, что определяется как стоимостью оборудования, так и высокой его производительностью и эффективностью использования исходных компонентов, наряду с высокой точностью управления, гарантирующей однородность и воспроизводимость получаемых структур. Реализация таких жестких требований оказалась возможна лишь с использованием метода МОС-гидридной эпитаксии.

Малые толщины, характеризующие квантоворазмерные структуры, приводят к тому, что явления, имеющие незначительное воздействие на свойства обычных объемных структур, в данном случае проявляются в виде заметного изменения характеристик изготовленных на их базе приборов. При температурах роста, составляющих для МОС-гидридной эпитаксии гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs 600-800° С, уже заметна диффузия некоторых легирующих примесей, в частности цинка, в ходе процесса эпитаксии. Изменение профиля легирующей примеси может сказаться на эффективности работы приборов на основе квантоворазмерных гетероструктур. Это необходимо учитывать при выборе условий эпитаксиального роста, принимая во внимание особенности формируемой гетероструктуры. Еще одна важнейшая проблема, проявляющаяся в ходе роста гетероструктур с квантовыми ямами на основе In-GaAs/(Al)GaAs, заключается в неоднородности распределения индия как по толщине квантовых ям, так и по соседним квантовым ямам. Это, в свою очередь, может приводить к ухудшению оптических характеристик изготавливаемых из таких структур полупроводниковых лазеров.

Однако эмпирический подход к выбору условий процесса эпитаксии не оправдан с точки зрения временных и денежных затрат. В связи с этим является актуальным вопрос о моделирования различных аспектов технологического процесса с целью его оптимизации.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Андреев, Андрей Юрьевич

выводы

1. Проведен анализ влияния концентрационного профиля акцепторной легирующей примеси в квантоворазмерной гетероструктуре InGaAs/(Al)GaAs на величину КПД лазерного диода, изготовленного на основе такой гетероструктуры. Показано, что для повышения КПД лазерного диода с учетом диффузии акцепторной легирующей примеси в ходе формирования гетероструктуры, необходима оптимизация параметров процесса легирования.

2. Обработкой экспериментальных профилей распределения цинка в эпитаксиальных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs, полученных на предприятии ООО «Сигм Плюс» методом МОС-гидридной эпитаксии, уточнен коэффициент диффузии этой примеси для температуры эпитаксиального осаждения Т=770°С. Установленное значение это

• л •} го параметра DZn=6-10 см /с.

3. С использованием уточненного значения Dz„ проанализировано изменение положения р-п-перехода в указанных квантоворазмерных гетероструктурах в зависимости от таких параметров процесса МОС-гидридной эпитаксии, как задаваемый концентрационный профиль цинка и скорость эпитаксиального роста. Показано, что для уменьшения неконтролируемого смещения положения р-п-перехода в квантовой яме необходимо использовать более высокие скорости эпитаксиального роста и применять варианты профильного легирования с пониженной концентрацией цинка в эмит-терном слое вблизи границы с волноводом.

4. Использование результатов моделирования концентрационных профилей цинка для оптимизации режимов легирования при формировании гетероструктур 1п-GaAs/(Al)GaAs позволило повысить КПД изготовленных на их основе лазерных диодов с 40-45 до 50-55 %.

5. Предложена принципиально новая модель для расчета концентрационных профилей индия в квантоворазмерных гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs, выращиваемых методом МОС-гидридной эпитаксии, основанная на допущении о существовании на границе парогазовая смесь-эпитаксиальный слой квазижидкого слоя, находящегося в состоянии, близком к локальному термодинамическому равновесию с твердой фазой. Модель обладает возможностью прогноза концентрационного профиля в зависимости от изменения параметров эпитаксиального процесса.

6. На основе разработанной модели проанализировано влияние таких параметров процесса МОС-гидридной эпитаксии, как температура, содержание компонентов в газовой фазе, а также толщина квазижидкого приграничного слоя, на форму концентрационных профилей индия в указанных гетероструктурах.

7. Разработана модель для расчета сегрегации индия с учетом влияния упругих напряжений, основанная на представлении эпитаксиального роста как последовательности наращивания «воображаемых» слоев толщиной, равной параметру решетки.

8. Совместное использование разработанных моделей позволило качественно и количественно описать наблюдаемые в квантоворазмерных гетероструктурах 1п-GaAs/(Al)GaAs сегрегационные явления. Показана целесообразность дополнения расчетной модели учетом диффузии индия в гетероструктуре и его испарения в ходе эпитаксиального роста для более точного прогнозирования концентрационных профилей формируемых гетероструктур.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Андреев, Андрей Юрьевич, 2004 год

1. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры.: Пер. с англ./Под ред. JI. Чен-га, К. Плога. М.: Мир, 1989 - 584 с.

2. Anderson R.L. IBM Res. Develop., 4, 283, 1960.

3. Полупроводниковая оптоэлектроника: Учебное пособие для вузов. Мартынов. В.Н., Кольцов Г. И. М.: МИСИС, 1999 - 400 с.

4. Razeghi М. The MOCVD Challenge. Bristol: Adam Hilger, 1989. - 288 p.

5. Manasevit H. M. and Simpson W. I. 1971. J. Electochem. Soc., 118, C291.

6. Bass S. J. 1975. J. Cryst. Growth, 31, 172.

7. Epler J. E., Treat D. W., Chung H. F., Tjoe Т., Paoli L. 1989. Appl. Phys. Lett. 54, 881.

8. York P. K., Eden J. E., Coleman J. J., Fernandez G. E., Beernink K. J. 1989. J. Appl. Phys. 66, 5001.

9. Ban Y. et al. 1989. Japan. J. Appl. Phys. 28, L1995.

10. Donnely. V. M., McCaully J. A. 1989. Appl. Phys. Lett. 54, 2458.

11. Fairweather S. Ill V Review. 1998, v. 11, №3, p. 18 - 22. 12.0 Connell S. et al. Ill - V Review. 1997. v. 10, № 4, p. 14 - 17. 13.Kuech T. F. Proc. IEEE. 1992. v. 80, №10, p. 1609 - 1624.

12. O'Brien P. et al. J. Cryst. Growth. 1997. v. 170, p. 23 29.

13. Металлоорганические соединения в электронике. Разуваев Г. А., Грибов Б. Г., Домрачев Г. А., Саламатин Б. А. М.: Наука, 1972 - 479 с.

14. Behet М., Hovel R., Kohl A. Microelectronics. 1996, №27, p. 297 334.

15. Химическая энциклопедия. М.: Сов. Энциклопедия, 1988 - 1992. Т. 1. 1988. 623 е.; Т. 3. 1992. 639 с.

16. P. X. Акчурин. Материалы электронной техники. 1999, №2, с. 4 12.

17. Stringfellow G.B. Organometallic Vapour Phase Epitaxy. Theory and Practice. Boston: Academic Press, 1989. - 314 p.

18. Zettler J.-T. et al. Ibid. p. 151 162.

19. Klipstein P. C. et al. Ibid. p. 168 173.

20. Kobayashi N. Ibid. p. 228 233.

21. Kizuki H. Prog. Crystal Growth and Charact. Mater. 1997. v. 35, № 2 4, p. 151 - 175.

22. Mills A. Ill V Review. 1997. v. 10, № 4, p. 46 - 48.

23. Karlicek Jr. R. F. et al. Ibid № 2. p. 20 23.

24. Resch-Esser U. Ill V Review. 1997, v. 10, №4, p.34 -37.

25. W.P. Gillin, D.J. Dunstan, K.P. Homawood et al. J. Appl. Phys. 73(8), 1993, p. 3782 -3786.

26. K. Mukai, M. Sugawara, S. Yamazaki. Phys. Review B. 1994, v. 50, № 4, p. 2273 -2282.

27. Ahlgren Т., Likonen J., Slotte J., Raisanen J., Rajatora M., Keinonen J. Concentration dependent and independent Si diffusion in ion-implanted GaAs // Phys. Rev. B. 1997. v. 56, № 8, P. 4597 -4603.

28. Kim Y., Kim M.S., Min S.K., Lee C. Dislocation-accelerated diffusion of Si in delta-doped GaAs grown on silicon substrates by metalorganic chemical vapor deposition // J. Appl. Phys. 1991, v. 69, № 3, p. 1355 1358.

29. Стрельченко C.C., Лебедев B.B. Соединения А3В5: Справ, изд. М.: Металлургия, 1984, с. 65-66.

30. Bisberg J.E., Chin А.К., Dabkowski F.P. Zinc diffusion in III-V semiconductors using a cubic-zirconia protection layer // J. Appl. Phys. 1990, v. 67, № 3, p. 1347 1351.

31. Chase M.P., Deal M.D., Plummer J.D. Diffusion modeling of zinc implanted into GaAsi

32. J. Appl. Phys. 1997, v. 81, № 4, p. 1670 1676.

33. M.T.Furtado, E.A.Sato, M.A.Sacilotti: Superlattices and Microstructures, 1991, 102., p. 225-230.

34. H.H. Григорьев, Т.А. Кудыкина. ФТП, 1997, том 31, №6, стр. 697 -701.

35. F. Bugge, U. Zeimer, М. Sato, М. Weyers, G. Trankle. Journal of Crystal Growth. 1998, v. 183, p. 511-518.

36. K. Muraki, S. Fukatsu, Y. Shiraki. Appl. Phys. Lett. 1992, v. 61, №5, p. 557 559.

37. J.M. Gerard, J. Crystal Growth, v. 127 (1993), p. 983.

38. W. Seifert; N. Carlsson, J. Johansson, M.E. Pistol, L. Samuelson, J. Crystal Growth, v. ч 170 (1997), p. 39.

39. M. Sato, U. Zcimer, F. Bugge; S. Gramlich, M. Weyers, Appl.Phys. Lett. v. 70 (1997), p. 1134.

40. R. Venkataraghavan, M. R. Gokhale, A. P. Shah, A. Bhattacharya, K. S. Chandrasekaran, В. M. Arora. Journal of Crystal Growth. 2000, v. 221, p. 535 539.

41. M. R. Leys, H. Titze, L. Samuelson, J. Pertuzzello. J. Cryst. Growth, v. 93 (1988), p. 504.

42. M. Ghouma, F. Hassen, H. Sghaier et al. Microelectronic Engineering, v.43 44 (1998), p. 197-204.

43. Ю.Н. Дроздов, H.B. Байдусь, Б.Н. Звонков и др. Физика и техника полупроводников. 2003, том 37, вып. 2, стр. 203 -207.

44. J. Tyrrell. OLE. July/August 2004,optics.org.

45. Х.Кейси, М.Паниш, Лазеры на гетероструктурах, в 2-х тт. М.: Мир, 1981.

46. В.В. Безотосный, Х.Х. Кумыкова, Н.В. Маркова. Квантовая электроника, 24, №6, 1997, стр. 495-498.

47. L. Pavesi, М. Guzzi. J. Appl. Phys. 75 (10), 1994, p. 4779 4841.

48. C.O. Слипченко, Д.А. Винокуров, H.A. Пихтин, З.Н. Соколова, АЛ. Станкевич, И.С. Тарасов, Ж.И. Алферов. ФТП, 2004, том 38, вып. 12, стр. 1477 1486.

49. Т. Тамир. Волноводная оптоэлектроника // пер. с англ., под ред. Аникина В.И. М.: Мир, 1991, 532 с.

50. Полянин А. Д., Вязьмин А. В., Журов А. И., Казенин Д. А. Справочник по точным решениям уравнений тепло- и массопереноса. М.: Факториал, 1998. - 368 с.

51. Р.Х. Акчурин. Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2004, №3, стр. 48-51.

52. Stringfellow G.B. Organometallic Vapour Phase Epitaxy. Theory and Practice. Second Edition. Academic Press, 1999. - 454 p.

53. Физические величины (справочник). Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З., М., Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.

54. Неравновесные явления при жидкостной гетероэпитаксии полупроводниковых твердых растворов. Кузнецов В. В., Москвин П. П., Сорокин В. С. М.: Металлургия. - 1991.- 175 с.

55. Эмсли Дж. Элементы: Пер. с англ. М.: Мир, 1993. - 256 с.

56. A.J. Schell-Sorokin, R.M. Tromp. Phys. Rev. Lett, v.64, 1990, p. 1039.

57. J.P. Silveira, F. Briones. Journal of Ciystal Growth, v.201/202, 1999, p. 113 117.

58. К. Nakajima. J. Appl. Phys. 1992, v. 72, №11, p.5213 5219.

59. Lichter B.D.,Sommelet P. Trans.AIME, 1969, v.245, p.1021.

60. J.Appl.Phys., 1980, v.51, N1, p.591-603.

61. De Cremonx B. IEEE J.Quant.Electron. QE-17, 1981, p. 123.

62. Panish M.B., Ilegems M. Progr. Solid State Chem. 1972, v.7, p.39.

63. S. Hofmann. Surface and interface analysis. №228, 2000, p30.

64. W.P. Gillin et al. J. Appl. Phys. 73 (8) 1993, p. 3782 3786.