Введение
лучевой эпитаксия наноструктура пленка
Данная работа посвящена методу молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и тому, как с помощью него можно получать различные наноструктуры.
В истории часто наступает такой момент, когда воплощение идеи создания прибора на полупроводниках ограничивается предельными возможностями технологий. Такой момент наступил и тогда, когда размерность создаваемых структур достигла сотен ангстрем. Реализация структур таких масштабов с помощью жидкофазной эпитаксии или газотранспортными методами оказалась весьма затруднительной. Тут и пришёл на помощь метод МЛЭ. По сути, это значительно улучшенный метод вакуумного испарения. Обычный метод вакуумного испарения порой применяется для создания металлических плёнок. Но с помощью МЛЭ удаётся осуществлять гетероэпитаксию разнородных материалов, выращивая, например, соединения АIIIBV на кремниевых или диэлектрических подложках, что чрезвычайно важно для монолитной интеграции оптоэлектронных и интегрально-оптических систем на арсениде галлия с вычислительными модулями или другими системами обработки информации на кремнии. Таким образом, можно получать многослойные и периодические структуры (типа квантовых сверхрешёток) с заданными параметрами, что даёт фантастические возможности управления энергетическим спектром носителей заряда.
1. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии
.1 Основы метода и оборудование для его осуществления
Как было уже сказано, МЛЭ является улучшенной версией вакуумного напыления и получила широкое распространение в начале 70-х, когда появилось промышленное вакуумное оборудование. Степень усложнения определяется только целями, поставленными в конкретном исследовании. Рост плёнок при МЛЭ определяется в основном кинетикой взаимодействия пучков с поверхностью кристалла, в отличие от других методов, таких как жидкостная эпитаксия или химическое осаждение, которые происходят в условиях близких к равновесным.
Рабочий объём (РО) установки для проведения МЛЭ (рисунок 1.1[2]) делается из нержавеющей стали. Для создания сверхвысокого вакуума (P=10-10Торр) РО обезгаживается многочасовым прогревом до температур около 300 — 400 оС. Для прогрева стенки РО окружены резистивными нагревателями, покрытыми сверху асбестовым теплоизолятором и алюминиевыми защитными кожухами.
Рисунок 1.1 — Схема установки для проведения молекулярно-лучевой эпитаксии
Образующиеся за счёт испарения особо чистых исходных веществ в эффузионных ячейках (рисунок 1.1) в условиях сверхвысокого вакуума пучки атомов и (или) молекул сходятся на поверхности чистой и точно ориентированной вращающейся подложки. Вращение необходимо для однородности роста слоёв. Иногда применяются источники с металлоорганикой, источники с газообразными гидридами или некоторой комбинацией таких источников. Первоначально попадающие на поверхность атомы и молекулы адсорбируются и десорбируются, а молекулы могут диссоциировать. Для перехвата частиц, испаряющихся со стенок, внутри РО стоят металлические экраны, охлаждаемые жидким азотом.
Иногда, чтобы избежать возврата испарившихся частиц в эффузионную ячейку, применяются ячейки Кнудсена (рисунок 1.2[2]).
Рисунок 1.2 — Ячейка Кнудсена.
Здесь излучающая поверхность расплава окружена экраном с маленьким отверстием, которое и является источником испаряемых частиц. Это отверстие в экране должно быть меньше длины свободного пробега частиц при заданном давлении и толщина стенок отверстия должна быть как можно меньше. При этих условиях влетающие в отверстие частицы не смогут влететь обратно. Это позволяет избежать неопределённости в расчёте потока частиц и усилить контроль над ним.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Постоянная интенсивность потока атомов обеспечивается строгим контролем температуры. Для этого применяются термопары, ИК-датчики и оптический пирометр. Для легирующих элементов обычно применяются источники с резистивным нагревом. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы интенсивностей потоков от источников пересекались на подложке.
При правильно выбранном отношении интенсивностей падающих пучков и температуре подложки на поверхности из адсорбированных атомов образуется сплошная монокристаллическая плёнка, растущая слой за слоем и имеющая заданный стехиометрический состав. Эпитаксия идёт успешно, если параметры решётки подложки и растущего слоя совпадают. Чтобы между слоями сохранялось соответствие кристаллических решеток, важно точно контролировать скорости роста моноатомных слоев.Поскольку процесс МЛЭ происходит в сверхвысоком вакууме на чистой поверхности, его можно контролировать с помощью таких диагностических методов, как дифракция отражённых быстрых электронов (ДОБЭ), электронная оже-спектрометрия (ЭОС), рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия (ФЭС) и т.д., поместив в систему соответствующую аппаратуру вместе с устройством для контроля интенсивности пучков и ионной пушкой для очистки поверхности.
Расстояние от источника до подложки составляет примерно 10 см в лабораторных установках МЛЭ с малым размером подложек. В промышленных установках это расстояние больше, так как там подложки больше и требуется большая степень однородности слоя вдоль их поверхности.
В работах Эсаки и Цу было предложено создавать потенциал сверхрешётки посредством периодического изменения состава или легирования в процессе эпитаксиального роста. Теоретические расчёты показали, что дополнительный сверхрешёточный потенциал видоизменяет зонную структуру основного материала.
Принято считать, что молекулярно-лучевая эпитаксия обычно происходит так далеко от равновесия, что применение термодинамики для описания процесса едва ли уместно. Однако, при условиях, когда получаются слои наилучшего качества, оказалось, что влияние кинетических барьеров на термодинамические предсказания незначительны. Концентрация неравновесных дефектов может быть уменьшена до величины порядка 10-9. Потенциальные примеси и примеси, которые нельзя использовать, могут быть определены без обращения к МЛЭ из существующих данных по химической термодинамике. Кинетические барьеры редко затрагивают стадию внедрения примесей.
Причиной столь хорошего приближения к равновесному состоянию является малая скорость роста при МЛЭ. В случае GaAs при 600 оС и при энергии активации для поверхностной диффузии, равной 1 эВ, атом сменит 106 мест, прежде чем встроится в решётку. Для создания резких переходных областей скорость роста плёнки должна быть несколько ангстрем в секунду, а объёмная диффузия должна быть пренебрежимо мала.
Основные физические свойства некоторых используемых элементов при МЛЭ можно найти в приложении А.
.2 Преимущества и недостатки метода
МЛЭ обеспечивает предельно высокое качество и самих плёнок и границ между ними; тем самым она удовлетворяет требованиям, необходимым для создания совершенных полупроводниковых гетероструктур: одиночных гетеропереходов, изолированных потенциальных ям, периодических и многослойных систем. МЛЭ позволяет выращивать плёнки любой толщины — вплоть до моноатомных — с заданным химическим составом и концентрацией примесей. Как уже было сказано, с помощью этого метода можно также осуществлять гетероэпитаксию разнородных материалов, что весьма важно для оптики. Целый спектр возможностей анализа и контроля, устраняющие большую часть сомнений, дают МЛЭ существенные преимущества перед другими технологическими методами. Перечислим важнейшие задачи, решение которых обеспечивается специфическими чертами МЛЭ:
Получение монокристаллов высокой чистоты — за счёт роста в сверхвысоком вакууме и высокой чистоты потоков веществ;
Выращивание сверхтонких структур с резкими изменениями состава на границах — за счёт относительно низких температур роста, препятствующих взаимной диффузии;
Получение гладких бездефектных поверхностей для гетероэпитаксии — за счёт ступенчатого механизма роста, исключающего возможности зародышеобразования;
Получение сверхтонких слоёв с контролируемой толщиной — за счёт точности управления потоками и относительно малых скоростей роста;
Создание структур со сложными профилями состава и (или) легирования;
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Создание структур с заданными внутренними напряжениями растяжения или сжатия, локально модифицирующими зонную диаграмму, — «зонная инженерия»;
Получение прямозонных сверхрешёток из непрямозонных материалов за счёт дробления зоны Бриллюэна под влиянием нового периода сверхрешётки.
Однако низкая скорость роста плёнки и дороговизна метода не позволяет применять этот метод в массовом производстве. К недостаткам также можно отнести небольшую площадь загрузки и то, что в данном методе сложно поддерживать высокий вакуум.
2. Создание наноструктур с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии
.1 Подготовка подложек
Подложку GaAs сначала кипятят в трихлорэтилене, промывают в ацетоне и метаноле, а затем обрабатывают фильтровальной бумагой, пропитанной бромметанольным полирующим травителем. После промывки в метаноле и деионизованной воде подложку в течение 10 мин травят в отстоявшейся смеси H2SO4:H2O2:H2O (4:1:1) при 60 оС, вновь промывают в деионизованной воде, а затем травят в течение 5 мин в HCl для удаления с поверхности любого окисла или органического вещества. В заключение подложку для пассивации промывают в деионизованной воде и сушат в потоке очищенного азота. После этого подложка крепится на прогретый (160 оС) молибденовый держатель с помощью индиевого припоя и немедленно помещается в установку МЛЭ.
Подготовка подложек InP во многом сходна с GaAs. Поскольку InP значительно «мягче», чем GaAs, небольшое давление на подложку может создать дислокации. Процедура обработки начинается с обезжиривания путём кипячения в трихлорэтилене и ацетоне с последующей промывкой в метаноле и травлением в КОН. Дефекты механической обработки (резки) удаляют полировкой подложки до зеркального состояния фильтровальной бумагой, пропитанной смесью 0,5% Br2 — метанол. Затем подложку травят в растворе H2SO4:H2O2:H2O (4:1:1) в течение 10 мин, после чего в течение 3 мин в смеси 0,3% Br2 — метанол. В течение 1 мин подложку вновь пассивируют в воде и сушат очищенным азотом. Было установлено, что в отличие от подложек GaAs оксид на подложках InP не испаряется даже при температуре разложения подложки. Поэтому очистка подложки InP включает в себя дополнительно облучение пучком As или P, направленным на подложку с целью предотвратить её разложение при высокой температуре.
Для контроля чистоты подложки применяется электроннаяоже-спектроскопия.
.2 Анализ в ходе роста
На раннем этапе развития МЛЭ основную роль для понимания процессов роста играл анализ поверхности в процессе нанесения плёнки. По мере совершенствования технологии и в связи с использованием современных систем МЛЭ в производстве приборов существенными остались лишь дифрактометр быстрых электронов и датчик ионов в камере роста. Масс-спектрометр остаётся удобным средством обнаружения течи в вакуумной системе или измерителем остаточного давления водяных паров.
В первое время масс-спектрометр применялся для изучения кинетики адсорбции-десорбции атомов на твёрдых поверхностях. Он позволял определить время жизни адсорбированного атома, коэффициент прилипания и энергию активации для некоторых элементов на поверхности.
Однако в камере роста обязательно должна находиться аппаратура ДБЭ (дифракция быстрых электронов), так как она даёт информацию о чистоте подложки и условиях роста. Она используется в течение первых пяти минут каждого из циклов роста. Электронная пушка не должна действовать в течение всего процесса роста, потому что она может создать избыточные водяные пары и другие загрязнения. Слишком большой поток электронов может даже полимеризовать остаточные углеводородные газы, приводя к углеродному загрязнению подложки.
Анализируя картину ДБЭ, мы можем считать кристалл как совокупность параллельных плоскостей, в которых находятся атомы. Хорошо известный закон Брэгга, связывающий длину волны и угол дифракции электронного пучка, может быть записан в виде:
,
где 
— расстояние между плоскостями, 
— угол падения, 
— дебройлевская длина волны электрона:
.
,
где 
— расстояние между подложкой и флуоресцирующим экраном (постоянное для прибора), а 
— удвоенное расстояние между дифракционными точками на экране.
Электронная оже-спектроскопия полезна при изучении поверхности с концентрацией примеси, превосходящей 1% от общего числа поверхностных атомов. Она недостаточно чувствительна для изучения типичных уровней легирования в полупроводниковых приборах, где концентрация примесей порядка одной миллионной. На начальном этапе оже-спектроскопия использовалась при очистке поверхности от кислородных и углеродных загрязнений.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
.3Выращивание методом молекулярно-лучевой эпитаксииплёнок из соединений AIIIBV
Эпитаксиальный рост соединений AIIIBV с помощью МЛЭ включает следующую последовательность событий:
Адсорбция соответствующих атомов и молекул;
Миграция на поверхности и диссоциация адсорбированных молекул;
Присоединение атомов к подложке, приводящее к зародышеобразованию и росту.
Выращенная тонкая плёнка имеет кристаллографическую структуру, определяемую структурой подложки.
Для соединений AIIIBV пассивирующий слой служит защитой свежетравлёной подложки от атмосферных загрязнений перед эпитаксиальным ростом. После того, как система МЛЭ откачана, экран охлаждён жидким азотом и эффузионная ячейка выведена на требуемую температуру, начинается нагрев подложки. В случае GaAs оксид на подложке десорбируется в интервале 580 — 600 оС, а в случае InP — приблизительно при 520 оС, после чего подложка становится почти атомно чистой и пригодной для эпитаксиального роста.
Чтобы между слоями сохранялось соответствие кристаллических решеток, важно точно контролировать скорости роста моноатомных слоев. Для калибровки этих скоростей роста применяются несколько способов:
.Измерение скорости роста с помощью счета монослоев по колебаниям интенсивности на экране ДБЭ пятна зеркального отражения пучка от поверхности подложки. Для создания многих приборов СВЧ-электроники и оптоэлектроники требуются структуры с определёнными кинетическими характеристиками и такими скачками ширины запрещённой зоны и коэффициента преломления на гетерограницах, которые бы обеспечивали зарядовое и оптическое ограничения. Для высококачественных слоёв, которые могут использоваться в производстве приборов, гетеропереходы должны образовываться веществами с согласующимися периодами решётки. Этим требованиям удовлетворяют многие системы AIIIBV, некоторые из них представлены на рисунке 2.1 [1]. На этом рисунке показана зависимость ширины запрещённой зоны от постоянной решётки для некоторых тройных и четверных твёрдых растворов. Линии, соединяющие точки, отвечающие бинарным соединениям, показывают ширину запрещённой зоны и постоянную решётки тройных соединений с переменным составом.
Поведение частиц при росте AlxGa1-xAs.Когда частицы из пучка достигают подложки, перед ними есть 5 путей дальнейшего поведения: 1) адсорбироваться на поверхности, 2) мигрировать по поверхности, 3) взаимодействовать с другими атомами, 4) проникнуть вглубь подложки, 5) десорбироваться с поверхности (рисунок 2.2 [2]). Есть 3 основных контролируемых параметра, влияющих на выбор одного из этих путей: 1) тип поверхности, 2) температура подложки, 3) плотность потока падающих частиц.
Рисунок 2.1 — Ширина запрещённой зоны и постоянная решётки для ряда соединений AIIIBV.
Рисунок 2.2 — Пути поведения частиц, достигших подложки.
При обычных для выращивания GaAs температурах подложки 580 оС — 650 оС частицы мышьяка As преимущественно следуют по пути десорбции с поверхности.Поэтому во избежание избытка Ga в растущем слое приходится повышать плотность потока As в пучке, то есть проводить процесс в условии избыточного давления Аs. С другой стороны, известен факт, сильно облегчающий рост слоя со стехиометрическим составом GaAs. Присутствие атомов Ga, адсорбированных на поверхности, сильно увеличивает вероятность адсорбции молекул As2. Коэффициент прилипания КAs частиц As к подложке пропорционален потоку Ga и достигает КAs=1 для частиц As2 и КAs=0,5 для частиц As4. Этот эффект (близкий к ныне популярной «самоорганизации» молекул) приводит к стехиометрическому росту GaAs слоя в широком диапазоне температур подложки и избыточного давления A
На качестве AlxGa1-xAs слоя сильно сказывается поверхностная подвижность атомов Al и Ga. Если атомы диффундируют по поверхности до края моноатомной ступеньки и к ней присоединяются, то рост слоя происходит «гладко», без образования отдельных островков. Подвижность атомов Al и Gaзависит от наличия других атомов Al и Ga на поверхности, от типа поверхности, от её темературы и от величины избыточного давления As. Чем выше температура и чем меньше избыточное давление, тем больше поверхностная подвижность атомов Al и Ga. Поэтому желательно для «гладкого» роста AlxGa1-xAs слоя процесс проводить при повышенной температуре подложки (но не выше максимальной температуры единичного коэффициента прилипания) и при пониженном избыточном давлении As (но не ниже минимального давления As для равновесия с Ga). Для гладкого роста AlxGa1-xAs слоя желательно увеличение поверхностной подвижности атомов Al и Ga, чтобы они присоединялись к краям одной моноатомной ступеньки, а не образовывали отдельные AlGaAs островки (рисунок 2.3 [2]).
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Рисунок 2.3 -AlGaAs островок.
Кроме повышения температуры подложки и понижения избыточного давления As для получения такого эффекта опробованы еще три способа:
Чтобы медленно диффундирующие по поверхности атомы добрались до края моноатомной ступеньки, можно предоставить им большее время, то есть проводить процесс на малых скоростях роста порядка 0,1 GaAsмонослой/c. Но при таком замедлении роста увеличивается вероятность загрязнения растущего слоя примесными атомами из атмосферы рабочего объема, несмотря на сверхвысокий вакуум.
Чтобы атомы As не препятствовали поверхностной диффузии атомов Al и Ga, можно на время этой диффузии закрывать заслонку As. Этот способ опробован и получил название «эпитаксия с усиленной миграцией», но требует очень сложного быстродействующего (менее 0,1 с) механического устройства заслонки Asэффузионной ячейки.
Чтобы атомы Al и Gaбыстрее добрались до края ближайшей моноатомной ступеньки, можно увеличить поверхностную плотность этих ступенек. Для этого при изготовлении подложки её вырезают из полупроводникового кристалла не поперек кристаллографического направления (100), а под небольшим углом к нему. На поверхности такой подложки всегда много моноатомных ступенек, и рост слоя идет без образования островков. Но именно по этой причине становится невозможным счёт монослоёв по колебанию интенсивности зеркального пятна на экране ДБЭ.
Пленки нитридов AlN, GaN, InN перспективны как барьерные слои туннельных гетероструктур благодаря своей большой ширине запрещенной зоны, а также для акустооптических гетероструктур. Для их выращивания нужно иметь газообразный азот N2 в активной форме возбуждённых молекул (радикалов) N2*, чтобы облегчить разделение молекулы N2 на два атома N для химических связей с остальными реагентами. В МЛЭ для получения активного азота применяют гидразин, активацию при столкновении с быстрыми частицами и плазменную активацию (рисунок 2.4 [2]). Для плазменной активации можно использовать все вышерассмотренные комбинации ионно — плазменных источников, включая магнетроны, например, источники с электронным циклотронным резонансом и ВЧ — разряд. Из-за необходимости поддерживать давление ниже 10-4Торр поток азота нельзя сделать большим, поэтому скорости роста оказываются меньше 0,1 мкм/час, что на порядок ниже обычных скоростей МЛЭ. Чтобы в пленке не было дефектов, при активации следует избегать образования частиц с энергией больше десятка эВ, либо не допускать их попадания на пленку.
Рисунок 2.4 — Схема плазменной активации.
Пленки GaN выращивались на подложках GaAs при 550 — 630 оС и на подложках Al2O3 (сапфир) при 550 — 800 оС. Для активации азота применялся магнетронный коаксиальный источник (межэлектродный промежуток сантиметровой ширины и 5 см длины) с высокочастотным (ВЧ) — емкостным возбуждением разряда на частоте 13,56 МГц мощностью до 100 Вт в аксиальном магнитном поле с индукцией 0,8 Тл, создаваемом электромагнитными водоохлаждаемыми катушками. В рабочий объем активированный азот поступал через диафрагму из пиролитического нитрида бора с сотней отверстий по 0,5 мм и удалялся турбомолекулярным насосом с производительностью около 350 л/c. Разряд стабильно горел в разрядной камере источника при давлении от 10-3 до 1 Торр, индукции магнитного поля 0,5 Тл и минимальной вводимой ВЧ — мощности 5 Вт. Перед началом выращивания подложка выдерживалась в потоке активированного азота. Во время роста наблюдалась дифракционная картина поверхностной структуры GaN (2х2) на экране ДБЭ.
Для выращивания пленки AlN на подложках Si применяли аналогичный ВЧ — источник плазмы с мощностью 500 Вт. Расход азота N2 составлял 1см3/мин при рабочем давлении 10-5Торр с откачкой турбомолекулярным насосом с максимальной производительностью 1500 л/с. Подложки Si(111) p — типа проводимости с удельным сопротивлением 5*103 Ом*см очищались от окисного слоя в рабочей камере нагревом до 920 оС. При температуре 780оС на экране ДБЭ появлялась дифракционная картина поверхностной структуры Si(111) типа (7х7), а при температуре 830 оС картина типа (1х1). При уменьшении температуры структура типа (7х7) восстанавливалась.
Выращивание AlN начиналось с осаждения 1/3 монослояAl из стандартной эффузионной Al ячейки на поверхность Si(111) типа (7х7) при 700 оС. Далее включался источник плазмы для нитридизации этой поверхности, пока ее структура не становилась типа (1х1) с линейными рефлексами (полосами или тяжами) на экране ДБЭ. Затем температура подложки постепенно повышалась до конечной температуры эпитаксии (850 — 900 оС). При дальнейшем росте потока Al картина ДБЭ тускнеет, и на подложке появляются алюминиевые капли и трещины глубиной около 1 нм, измеренные атомно — силовым микроскопом.
Проверена и другая последовательность шагов начала выращивания AlN, когда вместо осаждения 1/3 монослояAl поверхность Si(111) типа (7х7) сразу нитридировалась в течение 2 — 3 с, в результате чего появлялась структура типа (3х3), а затем открывалась заслонка Al ячейки. Если такую нитридизацию проводить дольше, чем 2 — 3 с, то структура (3х3) пропадает и появляется слой поликристаллического кремния.
Для выращивания пленки InGaAsN на подложках GaAs применяли источник плазмы на источнике постоянного напряжения 3 кВ, 100 мА с расходом азота от 0,1 до 5 см3/мин. На полуизолирующей подложке GaAs (100) после выращивания буферного слоя GaAs при температуре 580 оС толщиной 100 нм делали перерыв роста 5 мин, в течение которого уменьшали температуру подложки до 450 оС, поджигали и стабилизировали азотную плазму. Выращенные слои InGaAsN закрывали сверху защитным слоем GaAs толщиной 20 нм. Скорость роста составляла 1 монослой/c, а давление As по ионному датчику (ионизационной лампе) поддерживалось 2*10-5Торр.
При малом токе плазменного источника менее 10 мА поверхность пленки гладкая, и дифракционная картина на экране ДБЭ состоит из полос (тяжей) в течение всего роста, что говорит о двумерном (плоском, безостровковом) росте пленки. При умеренном токе 20 — 30 мА поверхность пленки по-прежнему гладкая, но картина ДБЭ штриховая — смесь полос и точек (тяжей и пятен), что говорит о появлении зерен (островков). Наконец при большом токе плазменного источника 45 мА поверхность пленки матовая и шероховатая, и дифракционная картина ДБЭ состоит из точек (пятен), то есть пленка не образует сплошного слоя, а состоит из отдельных зерен. Эта зернистость здесь появляется сразу, с самого начала выращивания, а не после прохождения некоторого переходного слоя, как это получается в случае роста напряженных InAs квантовых точек (КТ) на GaAs или при выращивании Ge КТ на подложках Si или CaF2/Si.
Нелегированный GaAs обычно имеет проводимость р-типа с концентрацией дырок при 300 и 78 К, равной 7,8*1013 и 2*1013 см-3 соответственно. Первые выращенные методом МЛЭ слои GaAs имели при 78 К подвижность выше 105 см2/В*с; слои легировались Sn и имели концентрацию носителей 4*1014 см-3. Позднее при использовании в качестве источника AsH3 были выращены чистые нелегированные слои GaAs, имевшие концентрацию электронов 2*1014 см-3 и подвижность 133000 см2/В*с при 55 К. Чистые слои GaAs, выращиваемые на промышленной установке МЛЭ с твёрдым источником As, в отсутствие преднамеренного легирования являются полуизолирующими.
Интенсивность фотолюминесценции GaAs растёт с температурой эпитаксиального роста.
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Были изучены явления переноса на слоях AlxGa1-xAs, легированных Sn и Si. Обнаружена резкая зависимость подвижности от температуры подложки в процессе роста. Более низкая температура подложки приводила к меньшей подвижности электронов. Было установлено также, что при постоянном потоке примеси Sn концентрация электронов уменьшается по мере роста молярной доли AlAs. При увеличении доли AlAs от 0,17 до 0,375 энергия связи доноров растёт от значения менее 3 мэВ до 40 мэВ.
Как и в случае GaAs, интенсивность фотолюминесценции в AlxGa1-xAs растёт с повышением температуры эпитаксиального роста.
Система GaxIn1-xAs имеет высокую подвижность и большую дрейфовую скорость, что делает этот материал перспективным для создания высокочастотных полевых транзисторов и приборов быстродействующей логики. Подвижность электронов в Ga0.47In0.53As, легированном как Sn, так и Si, при 77 и 300 К хорошо согласуется с теоретическими значениями, учитывающими сильное рассеяние. Нелегированные слои имели проводимость n-типа с концентрацией 2,4*1015см-3; темновая подвижность для них лежала в интервале от 7800 до 8800 см2/В*с при 300 К и от 35000 до 40000 см2/В*с при 77 К. Освещение увеличивало максимальное значение подвижности до 45000 см2/В*с при температуре жидкого азота.
Примеси, концентрацию которых можно измерить при температуре 300 или 77 К с помощью стандартного метода Холла, называются мелкими.
Типичный нелегированный GaAs, выращенный в установках МЛЭ, имеет p-тип проводимости. Общепринято, что ответственной за это фоновой примесью является выступающий в роли акцептора замещения углерод, который имеет энергию связи 25 мэВ.
Точные сведения относительно источника углерода отсутствуют, однако наиболее вероятной является реакция оксида или диоксида углерода с поверхностными атомами мышьяка или галлия, приводящая к выделению кислорода в виде летучих оксидов мышьяка или галлия и свободных атомов углерода.
Чтобы уменьшить внедрение примесей, обусловленных остаточной атмосферой, необходимо понизить до минимума плотность молекул остаточной атмосферы и степень их возбуждения. Для этого должны быть выключены все нити накала, не необходимые в ходе эпитаксии. Помогает также уменьшение температур ячеек, находящихся в статическом состоянии и не используемых в данном эпитаксиальном процессе. Также обязательным является отсутствие во время роста временных или пространственных колебаний температуры на поверхностях, охлаждаемых жидким азотом, так как это приводит к изменениям адсорбции и десорбции компонент остаточной атмосферы.
Другими мелкими акцепторами являются кремний и марганец, но кремний проявляет преимущественно донорные свойства (кремний амфотерен). В процессе МЛЭ отсутствует источник кремния. Но если в качестве источника As2 используется объёмныйGaAs, то температура ячейки достаточно высока, чтобы из GaAs наряду с As2 поступал и Si, приводящий к легированию эпитаксиальных плёнок. Использование GaAs в качестве источника имеет то преимущество, что при этом образуется поток двухатомных молекул As2, а не четырёхатомных As4, которые находятся в термодинамическом равновесии с элементарным мышьяком при ~ 300 — 350 оС. Переход в различных лабораториях к использованию источником с термическим разложением As4 снял необходимость применения GaAs для получения пучка As2 и, таким образом, кремний как фоновый акцептор в типичных условиях более не наблюдается. Использование As2 может привести к уменьшению концентраций глубоких уровней.
Нагретые детали установки из нержавеющей стали выделяют Mn, который затем встраивается в растущие плёнки. Было обнаружено, что при термообработке объёмного легированного хромом полуизолирующегоGaAs на поверхности образуется проводящий слой, причиной которого является увеличение поверхностной концентрации Mn (p-типа) и в некоторых случаях Sin-типа. Известно, что Mn имеет высокий коэффициент диффузии в GaAs, но в случае роста при температурах ниже 620 оС диффузия Mn несущественна. Таким образом, можно полагать, что Mn в плёнках, полученных методом МЛЭ, появляется вследствие накопления его на поверхности подложки в ходе её термообработки перед эпитаксией. На основе современного понимания процессов внедрения фоновых примесей в GaAs были разработаны методы наращивания объёмного GaAs с высоким сопротивлением, не содержащего хрома и сопутствующего марганца. Таким образом, теперь накапливающиеся на поверхности концентрации Mn обычно незначительны.
Наряду с кремнием свинец и сера тоже являются фоновыми донорными примесями (рисунок 2.5 [1]). Но присутствие свинца проявляется лишь в образцах, выращенных с использованием источников AsH3. Количественные оценки дать трудно, но высокие значения подвижности при температуре азота показывают, что концентрации чрезвычайно малы (ниже 1014 см-3), поскольку в нормальных условиях основными носителями являются дырки.
Рисунок 2.5 — Спектр фотометрической ионизации образца GaAs, выращенного методом МЛЭ; В=4,92 Тл. Видны пики, обусловленные Sn, Pbи неизвестным донором.
Также довольно часто встречаются фоновые глубокие центры (глубокие уровни), которые выступают в роли ловушек для носителей заряда. В этих ловушках происходит безызлучательная рекомбинация зарядов. Первыми и наиболее постоянными источниками глубоких уровней являются подложки. Например, в плёнках, выращенных на полуизолирующем GaAs, присутствуют хром, медь и в некоторых случаях железо, которые выступают в качестве ловушек для дырок.Электронными ловушками могут быть стехиометрические дефекты. Обычно концентрация ловушек для дырок превосходит концентрацию ловушек для электронов на два порядка.
В твёрдых растворах, выращенных методом МЛЭ и содержащих AlAs, довольно часто встречается единственный глубокий уровень, обусловленный кислородом. Чтобы избежать его появления, необходимо выращивать данные растворы при температурах выше 650 оС. Но выращивать без разложения твёрдые растворы, содержащие InAs, при температурах существенно выше 550 оС можно лишь при использовании чрезвычайно больших избыточных потоков As4.
2.3 Выращивание методом молекулярно-лучевой эпитаксии плёнок из соединений AIIBVI и AIVBVI
Нужна помощь в написании курсовой?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Выращивание соединений AIIBVI и AIVBVI и их твёрдых растворов методом МЛЭ обусловлено как прикладными интересами, так и предоставляемой данной технологией возможность