Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных источников и постановка задачи исследования 10
1.1 Физические свойства и возможности применения четырехкомпонентного твердого раствора GaInPAs в оптоэлектронике .10
1.2 Влияние пространственной локализации на электронные свойства полупроводниковых низкоразмерных структур .14
1.3 Технологические методы получения полупроводниковых наноразмерных структур 17
1.4 Метод ионно-лучевого осаждения 23
1.5 Особенности ионно-лучевого осаждения многокомпонентных соединений 26
1.6 Сравнительный анализ методов получения наноструктур 27
1.7 Обоснование и постановка задачи исследования 29
Выводы 31
Глава 2. Расчет кинетических параметров осаждения многокомпонентных твердых растворов и моделирование процессов формирования наноструктур GaInPAs в условиях ИЛО .32
2.1 Расчет коэффициентов распыления компонентов твердого раствора GaInPAs 32
2.2 Расчет зависимости величины коэффициента распыления In от угла падения ионного пучка 36
2.3 Расчет скорости распыления многокомпонентного твердого раствора GaInPAs .38
2.4 Расчет скорости осаждения многокомпонентного твердого раствора GaInPAs .40
2.5 Расчет основных параметров твердого раствора GaInPAs .46
2.6 Расчетная модель формирования наноструктур GaInPAs в условиях ИЛО 54
Выводы .60
Глава 3. Особенности конструкции установки ионно-лучевого осаждения для получения наноразмерных структур GaInPAs 63
3.1 Технологическая установка ионно-лучевого осаждения .63
3.2 Методика синтеза многокомпонентных наноразмерных структур GaInPAs в условиях ИЛО 73
3.3 Расчет вакуумной системы установки ионно-лучевого осаждения при выходе на рабочий режим .74
Выводы .83
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований получения наноструктур GaInPAs с помощью ионно-лучевого осаждения .84
4.1 Результаты СЭМ и АСМ исследований 84
4.2 Результаты исследования элементного состава наноразмерных структур выращенных методом ИЛО 100
4.3 Люминесцентные свойства наноструктур GaInPAs/GaAs и GaInAs 105
4.4 Возможности приборной реализации исследованных наноструктур GaInPAs полученных методом ИЛО в оптоэлектронике .107
4.5 Практические рекомендации по формированию наноструктур
методом ионно-лучевого осаждения .108 Выводы 110
Заключение 113
Список сокращений и условных обозначений .116
Список литературы
- Влияние пространственной локализации на электронные свойства полупроводниковых низкоразмерных структур
- Особенности ионно-лучевого осаждения многокомпонентных соединений
- Расчет скорости осаждения многокомпонентного твердого раствора GaInPAs
- Расчет вакуумной системы установки ионно-лучевого осаждения при выходе на рабочий режим
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На современном этапе развития
технологии полупроводников большое внимание уделяется развитию
приложений гетероструктур AIIIBV, основанных на квантово-размерных
эффектах. Данные материалы перспективны с точки зрения создания новых
устройств на квантовых эффектах. Гетероструктуры на основе системы
GaInPAs представляют научный и практический интерес в силу своих
оптоэлектрических свойств позволяющих решать достаточно широкий круг
задач в оптоэлектронике. На основе твердых растворов GaInPAs
изготавливают светодиоды, работающие в инфракрасной области спектра,
гетеролазеры и фотоприемники чувствительные к длине волны
принимаемого излучения 0,7-0,9 мкм (на подложке GaAs). Для больших длин волн (1-1,6 мкм) также могут быть использованы соединения GaInPAs согласованные по параметру решетки с подложкой InP. Формирование многокомпонентных квантово-размерных структур на основе соединения GaInPAs и его твердых растворов в свою очередь позволяет существенно увеличить параметры вышеуказанных приборов и создать ряд новых решений соответствующих довольно широкому кругу требований.
Для получения наногетероструктур AIIIBV наиболее широкое
распространение получили методы молекулярно-пучковой и газофазной
эпитаксии с использованием металлоорганических соединений.
Молекулярно-пучковая эпитаксия и МОС-гидридная эпитаксия являются на сегодняшний день наиболее распространенными и эффективными методами формирования полупроводниковых наноразмерных структур. Данными технологическими методами можно формировать наногетероструктуры на основе бинарных и многокомпонентных соединений AIIIBV. Однако, несмотря на все преимущества, указанные методы характеризуются потребностью в сложном оборудовании и оснастке, что обуславливает поиск альтернативных решений.
В настоящее время относительно простой метод ионно-лучевого осаждения (ИЛО) может представлять интерес как альтернативный метод выращивания наногетероструктур AIIIBV на основе бинарных соединений и многокомпонентных твердых растворов.
Степень разработанности темы исследования. Метод ИЛО известен достаточно давно и широко применялся для нанесения просветляющих покрытий и тонких пленок металлов и диэлектриков, однако получение наноразмерных структур на основе многокомпонентных полупроводниковых соединений AIIIBV данным методом практически не изучено.
Цели и задачи диссертационного исследования. Цель
диссертационной работы: исследование условий формирования и физических свойств наноразмерных структур многокомпонентной системы GaInPAs-GaAs, выращенных в условиях ионно-лучевого осаждения.
Задачи, необходимые для достижения поставленной цели:
проведение расчета кинетических параметров осаждения GaInPAs
(скорости распыления и роста выращиваемого соединения) в условиях
ионно-лучевого осаждения при различных параметрах процесса
(температуры подложки, энергии и тока ионного пучка, расстояния от мишени до источника). При этом распыление мишени осуществляется из единого технологического источника;
проведение анализа и расчетов процесса формирования
наноразмерных структур GaInPAs при ионно-лучевом осаждении;
проектирование и изготовление технологической оснастки для ростовой камеры установки ионно-лучевого осаждения;
установление зависимости характеристик (формы, размера, плотности распределения) самоформирующихся наноостровков GaInPAs-GaAs от параметров роста (температура подложки, время ростового процесса, энергия распыления) для нахождения оптимальных условий синтеза заданных структур;
исследование физических свойств наноразмерных островков GaInPAs.
Научная новизна. В диссертационной работе:
предложен метод и алгоритм расчета скорости роста
многокомпонентной системы GaInPAs в условиях ионно-лучевого осаждения при распылении элементов из единого технологического источника;
предложена методика моделирования процесса формирования
наноостровков твердых растворов GaxIn1-xPyAs1-y в зависимости от состава распыляемой мишени;
установлена взаимосвязь параметров островковых наноструктур GaInPAs с ростовыми условиями процесса ионно-лучевого осаждения;
определены параметры ростовых режимов, при которых массивы островков GaInPAs характеризуются минимальным разбросом по размерам, высоте и плотности распределения;
проведено исследование морфологии поверхности и оптоэлектрических свойств наноостровков GaInPAs выращенных методом ионно-лучевого осаждения.
Теоретическая и практическая значимость. В работе:
предложена методика расчета кинетических параметров осаждения GaInPAs (скорости распыления и роста выращиваемого соединения) в условиях ионно-лучевого осаждения при различных параметрах процесса (температуры подложки, энергии и тока ионного пучка, расстояния от мишени до источника). При энергии ионов E=2000 эв, значении тока ионного пучка I=40 мА, расстоянии от источника до подложки L=5 см и угле распыления источника =450 скорость роста составляет VРост=1,910-9 м/сек;
произведен расчет размеров наноразмерных островков GaInAsP и эффективной ширины запрещенной зоны полученных структур. Показано, что при формировании наноструктур GaxIn1-xAsyP1-y значение эффективной ширины запрещенной зоны может составлять величину порядка 1,6 эВ, в то время как Eg четырехкомпонентного твердого раствора GaInAsP составляет
1,4 эВ. Радиус островков в среднем составляет порядка 10 нм. Предложен метод расчета зависимости размеров наноостровков от концентрации компонентов твердого раствора;
получены результаты СЭМ и АСМ-исследований морфологии поверхности наноструктур GaInAsP выращенных методом ИЛО при различной температуре осаждаемой подложки (400-600С), времени процесса осаждения (1-8 мин) и скорости роста (энергии ионного пучка 700-1200 эВ, ток ионного пучка 18-30 мА). Интерпретация полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что температурный диапазон 550-600С, время осаждения 3 мин, энергия ионного пучка 1000 эВ и ток ионного 25 мА пучка являются наиболее оптимальными значениями технологических параметров для выращивания массивов наноостровков GaInAsP;
в едином цикле при фиксированных значениях ростовых параметров (энергии ионов – 1000 эВ, токе пучка - 25 мА, времени осаждения равному 3мин и температурах роста 500С, 550С и 600С) были получены наноструктуры с малым содержанием фосфора GaInAs-GaAs следующих составов: 1) Ga0,979In0,021As; 2) Ga0,953In0,047As; 3) Ga0,903In0,0907As;
проведено исследование фотоэлектрических свойств наноструктур GaInAsP-GaAs выращенных в температурном диапазоне 400-600С. Изменение положения пика фотолюминесценции слоя с наноструктурами точками GaInPAs наблюдается в коротковолновой области. В температурном диапазоне от 400С до 500С наблюдается коротковолновый сдвиг спектра фотолюминесценции примерно от 1,6 эВ до 1,64 эВ, что говорит об уменьшении объема наноструктур. При увеличении температуры от 500С до 600С приводит к сдвигу спектра фотолюминесценции в область более длинных волн (примерно от 1,64 эВ до 1,61 эВ), что говорит об увеличении размера наноразмерных островков;
получены результаты исследования спектров фотолюминесценции наноразмерных структур GaInAs различного состава. Установлено, что при увеличении индия в составе наноструктур пик фотолюминесценции смещается в сторону меньших энергий. А для состава Ga0,903In0,097As фотолюминесценция разбивается на два пика. Пик с меньшей энергией соответствует наноструктурам hv=1,386 эВ, а с большей энергией соответствует подложечному материалу – арсениду галлия hv=1,435 эВ;
на основе наноструктур GaxIn1-xPyAs1-y в матрице GaAs разработан вариант конструкции фотоприемника для длин волн принимаемого излучения =0,76-0,86 мкм.
Методология и методы исследования. Предметом исследования
диссертационной работы является изучение морфологии поверхности,
состава и спектральных характеристик наноструктур GaInPAs, выращенных
при различных ростовых параметрах в условиях ионно-лучевого осаждения.
Изучение морфологии поверхности проводилось методами атомно-силовой и
сканирующей электронной микроскопии. Исследование элементного состава
полученных наноструктур производилось методом рентгеновского
флуоресцентного анализа, спектральные характеристики получены при помощи исследования спектров фотолюминесценции образцов.
Положения, выносимые на защиту:
возможность выращивания наноразмерных структур твердых
растворов GaxIn1-xPyAs1-y заданного состава в условиях распылении из единого технологического источника при ионно-лучевом осаждении основана на введении задвижки между подложкой и распыляемым источником на первоначальной стадии процесса;
скорость роста многокомпонентных полупроводниковых соединений при распылении из одного источника лимитирована содержанием элемента, имеющего наименьший коэффициент распыления;
в условиях процесса ионно-лучевого осаждения твердых растворов GaInAsP на подложки GaAs при давлении 10-4 Па, температуре подложки 450-550С, времени осаждения 2-4 мин, энергии ионов 700-1000 эВ и величины тока ионного пучка равной 20-25мА имеет место рост слоев с наноразмерными островками имеющих размеры 7-24 нм и высотой 8-9 нм. Скорость роста при этом составляет 0,5–1 мкм/час;
уменьшение энергии ионов и тока пучка при ионно-лучевом осаждении приводит к увеличению роли диффузионных процессов на поверхности осаждаемого слоя, что ведет к улучшению структурных свойств формируемых наноструктур, но скорость роста при этом снижается. При увеличении энергии и тока пучка скорость роста увеличивается, но при этом увеличивается плотность островков, разброс по высоте и расположение островков становится менее однородным.
Степень достоверности. Результаты проведенных исследований подтверждаются многократной повторяемостью экспериментальных данных, методами металлографического и рентгеноструктурного анализа, АСМ, СЭМ, информацией об электрофизических свойствах исследованных структур и согласием теоретических оценок с экспериментальными данными.
Апробация работы. По результатам исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе, 3 статьи в изданиях рекомендованных ВАК, в которых изложены основные положения диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в 2010-2013 гг на Международной научной конференции “Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности “Астинтех-2010” (Астрахань, 2010 г.), на IV международной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых “Научный потенциал студенчества в XXI веке” (Ставрополь, 2010 г.), на Всероссийской научной школе “Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы” (Новочеркасск, 2011 г.), на девятой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2013 г.), на VI Международной школе «Физическое материаловедение» (Новочеркасск, 2013 г.).
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации
получены лично автором. Автор непосредственно участвовал в
планировании диссертационных исследований. Им определены цель, задачи,
выбор объектов исследования, разработаны технологические приемы
выращивания наноструктур, осуществлены экспериментальные
исследования. Проведены измерения электрофизических параметров и морфологии поверхности, выбраны оптимальные параметры роста, дана интерпретация полученных результатов.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Минобрнауки России в рамках государственного задания по проекту №2014/16, код проекта: 2516.
Влияние пространственной локализации на электронные свойства полупроводниковых низкоразмерных структур
Если уменьшать размеры проводника настолько, что они станут сравнимы с наномасштабами, то движение электронов проводимости будет физически ограничено размерами области, в которой они могут находиться. Другими словами электроны испытывают эффект локализации, то есть их движение ограничивается потенциальным барьером, отделяющим их от области в которой они могли бы свободно двигаться. Или можно сказать, что электроны оказываются в ограниченной области с отрицательной энергией (потенциальной яме). Можно представить довольно простую модель, которая наглядно показывает характеристики такой области. В данном случае это прямоугольный колодец с очень крутыми стенками. Данная модель ямы может иметь одно, два, три и еще большее количество измерений. Для простоты будем рассматривать одномерный случай [23].
Известно, что уровни энергии одномерной прямоугольной потенциальной ямы, шириной а, со стенками бесконечной высоты задаются уравнением: где Ео = 7r2h2/2ma2 — энергия основного состояния, а квантовое число п в данном случае имеет значения 1,2,3,… . [23]. Данные уровни заполняются электронами снизу - вверх. В случае бесконечно глубокой ямы количество уровней в ней также бесконечно и расстояние между ними прогрессивно увеличивается с увеличением квантового числа п [23].
В том случае если же глубина ямы не бесконечна, то количество уровней Е„ конечно и они лежат ниже соответствующих уровней бесконечно глубокой ямы. В независимости от глубины ямы в ней имеется хотя бы одно связанное состояние Ej. Электроны, находящиеся в таких состояниях в одномерной потенциальной яме, характеризуются волновой функцией у/п(х). Вероятность его обнаружения в заданной точке х вычисляется как квадрат волновой функции \у/„(х)\2, где п — квантовое число, соответствующее состоянию, в котором находится электрон [23].
В одномерной прямоугольной яме четные и нечетные волновые функции ціп(х) чередуются. Для бесконечно глубокой ямы ненормированные волновые функции имеют вид: у/„ = sin(imx\a) п= 1,3,5 К четные функции (1-2) у/п= sin(imx\a) п =2А, 6, К нечетные функции (1-3) Четность волновой функции определяется следующим образом: если у/„(х + а/2) = у/„(—х + а/2) - функция называется четной если ц/п(х+ а/2) = = —щп(—х + а/2) - нечетной Также немаловажной разновидностью являются потенциальные ямы криволинейного поперечного сечения. Для двумерной ямы круглого сечения с радиусом а и потенциалом, заданным в виде V=0 при 0 р«а и V= Vo снаружи этой области, где = (х2 + у21)т и tgcp= x/y — полярные координаты.
Существует и трехмерный аналог вышерассмотренной ямы, для которого потенциал равняется нулю при значениях радиальной координаты 0 г а V0 - снаружи, где i=(x2 + у2 + z)1/2. Также часто используемый потенциал -V(x)=l/2kx, V(p)=l/2kp и V(r)=l/2kr для параболической потенциальной ямы в одно -, дву - и трехмерном случае соответственно [23]. Число электронов, которые могут одновременно находиться на энергетическом уровне Еп, является еще одной его характеристикой. Оно находится в зависимости от комбинаций квантовых чисел, соответствующему данному уровню энергии. Из уравнения (1.1) следует, что в случае одномерной прямоугольной ямы каждому уровню энергии соответствует лишь одно значение квантового числа п. Электрон также имеет спиновое квантовое число ms, принимающее значение ms = + 1/2 или ms = -1/2. Для одномерной прямоугольной ямы значение энергии для обоих спиновых состояний одинаково. В соответствии с принципом Паули, на каждом уровне энергии ЕП одномерной прямоугольной потенциальной ямы могут находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами. Вырождение всех уровней одномерной прямоугольной ямы равно двум [23].
Многие электронные и другие свойства полупроводников и металлов кардинально меняются при переходе от объемных к низкоразмерным структурам. Некоторые наноразмерные структуры обладают интересными свойствами локализации электронов по одному или двум измерениям и одновременной их делокализации по двум или одном оставшемся.
В случае пространственной локализации по всем трем измерениям электроны оказываются запертыми в трехмерной потенциальной яме, и по всем трем координатам происходит квантование энергии. Количество электронов N(E) и плотность состояний D(E) определяются в данном случае из следующих выражений: N(E) = К0 V of.0(is — E iw ) (1.4) L(h) = К0 у j ap(h - hiw) (1.5) Плотность состояний системы состоит из набора – функций положения, которых совпадают с энергетическими уровнями размерного квантования. Плотность состояний D(E) является ключевым фактором, влияющим на различные электронные и иные свойства, а она в случаях локализации по различному количеству пространственных измерений наноструктур кардинально отличается. Это значит, что природа размерности и локализации, связанная с конкретной наноструктурой, оказывает определяющее влияние на ее свойства [23].
Технологические методы получения полупроводниковых наноразмерных структур Низкоразмерные полупроводниковые структуры можно получать различными технологическими методами. Существует много способов, которые, однако, не получили широкого применения вследствие недостаточной эффективности или недостаточно отработанной технологии, используются только в лабораториях или очень ограничено в производстве. В данном разделе рассмотрим только те технологические методы, которые получили наиболее широкое распространение.
Момент ограничения новых идей предельными технологическими возможностями был успешно преодолен с развитием метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Суть технологического метода МЛЭ заключается в процессе испарения и конденсации вещества в сверхвысоком вакууме (Р 10-9 мм.рт.ст.). К несомненным преимуществам технологии МЛЭ можно отнести прежде всего высокое качество получаемых результатов и их повторяемость которая обеспечивается наличием вакуумного оборудования поддерживающего сверхвысокий уровень вакуума, наличием чистых источников испаряемых материалов, точным контролем температуры подложки а также компьютерным управлением технологическими параметрами процесса.
При всех несомненных преимуществах технология МЛЭ-является достаточно дорогостоящей, в чем и заключается ее единственный существенный недостаток, что вызывает поиск альтернативных методов.
Одним из них является метод газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (МОС-гидридная эпитаксия). В данном случае у поверхности подложки происходит пиролиз исходных газообразных реагентов с выделением пленкообразующих компонентов. При этом подложка нагревается до более высокой температуры, чем окружающая среда. По сравнению с МЛЭ технологический метод МОС-гидридной эпитаксии отличается своей простотой и обладает более высокой производительностью, однако воспроизводимость результатов в данном методе значительно хуже. Данное обстоятельство связано с длительным временем синтеза и относительно высокими температурами роста.
Интерес к изучению квантово-размерных структур и отсутствие возможности использования технологических методов МЛЭ и ГФЭ способствовали развитию метода жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) [24]. Все группы способов эпитаксиального наращивания из жидкой фазы различаются по способу создания пересыщения в растворе – расплаве [25]. Пересыщение может охватывать либо весь объем жидкой фазы, либо лишь часть, прилегающую непосредственно к поверхности подложки. Непосредственно способы создания пересыщения различаются по параметру, используемому для регулирования величины пересыщения в системе. Термодинамическое равновесие в системе можно устанавливать, изменяя давление пара (P), концентрацию компонентов (C) и температуру процесса T. В большинстве способов ЖФЭ регулируемым параметром является температура, так как данный параметр легче всего изменять
Особенности ионно-лучевого осаждения многокомпонентных соединений
Общеизвестно, что распыление изотропных веществ подчиняется закону косинуса [94]: К(а) = К(0) I c os 2 (2 Ю) где К(0) — коэффициент распыления при падении иона по нормали к поверхности мишени, при = 0 ( — угол падения ионов относительно нормали к поверхности). Из приведенных выше рассуждений следует, что в геометрическом смысле количество распыленных частиц возрастает в 1/cos раз [36].
С помощью (2.10) в программе Mathcad произведем расчет зависимости коэффициента распыления In ионами аргона при различном угле падения ионов от энергии ионного пучка. Результаты расчета представлены на рисунке 2.2. in
Зависимость коэффициента распыления In при различных углах падения ионного пучка от энергии ионов: 1-а=15; 2-а=30; 3-а=45; 4-а=60; 5-а=70; 6-а=75; 7 а=80
По результатам произведенного расчета установлено, что величина коэффициента распыления In при максимальном значении энергии распыления =2000 эВ в зависимости от угла падения ионного пучка =15-80 изменяется в пределах от 2,4 до 14.
В действительности же увеличение до 90 не приведет к бесконечному возрастанию коэффициента распыления. Увеличение до 90 приведет к преобладанию процессов отражения ионов от поверхности и как следствие к падению К до нуля. Таким образом, можно сделать вывод о том, что максимальная интенсивность выбитых атомов наблюдается при углах распыления близких к 50-60.
Также можно рассчитать значение угла, при котором наблюдается максимум коэффициента распыления при помощи следующего выражения: где ER= 13,6 эВ — энергия Ридберга Значение зависит от материала мишени, типа иона и энергии. В ходе экспериментальных исследований было установлено, что оптимальное значение угла наклона «мишень-ионный пучок» составляет порядка 45. При данном значении угла наклона можно осаждать практически равномерные по толщине эпитаксиальные пленки. Дальнейшие расчеты скорости распыления и осаждения GalnPAs будем производить при значении угла наклона «мишень-ионный пучок» =45.
Расчет скорости распыления твердого раствора GalnPAs будем производить по известным значениям коэффициента распыления In и значении угла наклона «мишень-ионный пучок» =45. Скорость распыления VP полностью определяется плотностью ионного тока j(А/см2) и коэффициентом распыления К (атомы/ион), как показывает следующее выражение :
В технологической установке ИЛО в качестве ионного источника используется сеточный источник ионов КЛАН-53М. Согласно паспортным данным диаметр ионного пучка не изменяется, так как обусловлен конструктивными особенностями ионного источника КЛАН-53М и равен 0,05 м, а, следовательно, и сечение ионного пучка будет постоянным. При помощи вышеприведенных формул (2.12-2.14) в программе Mathcad рассчитаем скорость распыления твердого раствора GaInAsP. Результаты произведенного расчета показаны на рисунке 2.3.
В результате произведенного расчета установлено, что при максимальной энергии в серии экспериментов равной E= 2000 эВ, значении тока ионного пучка I=40 мА и угла распыления =450 скорость распыления твердого раствора GaInAsP составляет порядка VР= 0,011 м/сек.
Так же можно построить зависимость скорости распыления GaInPAs от величины тока ионного пучка. Данная зависимость показана ниже на рисунке 2.4.
Зависимость скорости распыления твердого раствора GalnAsP от величины тока ионного пучка: 1-I=10-90 мА, E=2000 эВ, а=45; 2-I=10-90 мА, Е=1600 эВ, а=45, 3 I=10-90 мА, Е=1300 эВ, а=45; 4-I=10-90 мА, Е=1000 эВ, а=45 Как видно из представленных зависимостей на рисунках 2.3 и 2.4 увеличение энергии ионов и тока ионного пучка ведет к увеличению скорости распыления твердого раствора GaInPAs, при этом при увеличении тока ионного пучка скорость распыления возрастает линейно.
Наряду с микрообработкой и аналитическими приложениями другое наиболее важное применение распыления в промышленности и технике связано с контролируемым осаждением распыляемого материала на подложки практически любых мыслимых составов и конфигураций [35]. Чтобы оптимизировать осаждение, необходимо иметь детальное представление о процессе распыления, а также иметь подробную информацию об угловом и энергетическом распределениях распыленных частиц. Трудности могут возникнуть в случае, когда процесс осаждения производится при относительно высоких остаточных давлениях газа. Немаловажное значение при этом оказывают реакции, индуцированные ионами. Оптимальные условия для выращивания пленок определяются, как правило, эмпирически [35].
Расчет скорости осаждения четырехкомпонентного соединения GalnPAs будем производить также по известным значениям коэффициента распыления In при значении угла распыления =45.
Представленная модель расчета построена при следующих допущениях: 1) распыленные частицы не соударяются друг с другом и с атомами рабочего газа;2) максимальный пик интенсивности выбитых частиц наблюдается при углах падения ионного пучка близких к значению 50-60; 3) распределение выбитых из мишени атомов в пространстве подчиняется закону косинуса; 4) Ионы в пучке моноэнергетичны и равномерно распределены по сечению пучка.
Расчет производился при следующих исходных данных: площадь осаждаемой подложки 5/7- 6 см2, площадь распыляемого источника 5 - 3 см2, расстояние от мишени до осаждаемой подложки L - 5 см, значение тока ионного пучка I - 10-90 мА, энергия ионов Е- 300-2000 эВ. Общее количество ионов (TV), принимающих участие при взаимодействии с поверхностью распыляемой мишени определяется выражением:
Расчет скорости осаждения многокомпонентного твердого раствора GaInPAs
Для непосредственной реализации технологии ионно-лучевого осаждения необходима соответствующая технологическая установка, в состав которой должны входить источник ионов, вакуумная система, а также системы электропитания и управления. Необходимым условием формирования и использования ионных пучков является обеспечение достаточно низкого остаточного давления в ростовой камере, то есть такие условия, при которых длина свободного пробега частиц значительно превышает размеры камеры, в которой они находятся. Таким образом, взаимодействие между электронно-ионным потоком и остаточной атмосферой минимально. Эта область низкого остаточного давления носит название высокого и сверхвысокого вакуума. Кроме того, следует отметить, что в области очень низких остаточных давлений не наблюдается каких-либо значительных изменений свойств поверхности, свободной первоначально от адсорбированного газа, в течении существенной длительности технологического процесса. Таким образом, для реализации процесса ионно-лучевого осаждения необходим достачно глубокий вакуум порядка 10-3-10-4 Па [44,45].
Для проведения экспериментальных исследований была использована установка ионно-лучевой технологии, в которой была предложена модернизация технологической оснастки, в результате чего улучшилось качество получаемых пленочных гетероструктур, а также появилась возможность выращивания квантово-размерных полупроводниковых структур (Рисунок 3.1).
Установка представляет собой систему включающую: герметичную рабочую камеру, ионный источник, вакуумное оборудование, силовые блоки, нагревательное устройство, устройство регулировки и контроля температуры. Приведем технические характеристики установки: количество нагревательных элементов-1, диапазон температуры нагревательного элемента-200-8000С, тип нагревателя - резистивный, напряжение питания- 380/220 В, точность поддержания температуры- ±0,1 К, количество полупроводниковых пластин-6, количество ячеек для распыляемых мишеней-6, исполнение реакционной камеры – горизонтально.
Принцип работы установки заключается в следующем: после загрузки исходной мишени и подложек в технологические кассеты, установка герметизируется и производится откачка до высокого вакуума порядка 10-3Па. По достижению необходимого уровня вакуума, производится очистка распыляемого полупроводникового материала (мишени). Очистка производится ионным пучком, направленным под углом к поверхности источника, в результате чего поверхность мишени очищается от различных поверхностных загрязнений и окислов. По окончанию процесса ионной очистки, при помощи регулятора температуры, устанавливается требуемая температура нагрева осаждаемой подложки. При достижении ее ячейка с соответствующей мишенью кассеты-источника совмещается с ячейкой, в которой закрепляется подложка и происходит процесс ионно-лучевого осаждения полупроводниковых соединений.
В рамках диссертационной работы, была проведена работа по модернизации технологической оснастки для установки ионно-лучевого осаждения. В конструкции ионно-лучевой установки, на которой ранее проводились экспериментальные исследования, предусматривается возможность установки одной распыляемой мишени и подложки, что позволяет проводить один ростовой процесс на одном образце за технологический цикл. Для выращивания гетеропереходов и многослойных полупроводниковых структур необходима замена установленной распыляемой мишени на необходимую мишень заданного состава, а также операции повторной загрузки осаждаемой подложки в камеру установки, что может привести к окислению и ухудшению структурных качеств выращиваемых соединений. Конструкция разработанной оснастки предполагает наличие 6 ячеек для распыляемых мишеней, что позволяет проводить осаждение различных полупроводниковых слоев разного состава в едином технологическом цикле.
Технологические кассеты могут содержать большое количество распыляемых источников различных составов и подложек. Таким образом, в едином цикле можно производить осаждение на нескольких подложках или выращивать многослойные полупроводниковые гетероструктуры. Данная возможность определяет высокую производительность метода.
Разработанная технологическая оснастка располагается внутри рабочей камеры и включает в себя: кассету-источник, кассету с осаждаемыми подложками, нагреватель, охладитель, а также два штока (Рисунок 3.2). 7 8 2 Рисунок 3.2 – Схематическое изображение рабочей камеры и технологической оснастки
Кассета-источник (Рисунок 3.3) изготовлена в форме диска из нержавеющей стали, имеющего U – образные прорези, в которых закрепляются поворотные ячейки с распыляемыми источниками. Необходимость поворотных ячеек обусловлена зависимостью характера распыления от угла падения ионного пучка на поверхность мишени. Ячейка отклоняется на необходимый угол и закрепляется при помощи фиксатора. Кассета с осаждаемыми подложками (Рисунок 3.4) также изготовлена в форме диска. Для того чтобы можно было использовать подложки разного диаметра, в конструкции кассеты были предусмотрены специальные сменные кольца и упоры. Обе кассеты закрепляются на штоки по отдельности, а затем оба штока соединяются общей перемычкой.
В качестве задвижки используется кассета с осаждаемыми подложками. При ионной очистке источника и первоначальной стадии распыления мишени для достижения баланса по составу осаждение материала производится на свободную ячейку кассеты с подложками. На протяжении первоначальной фазы осаждения методом распыления ионным пучком любые загрязнения на поверхности мишени будут удалены путем распыления. После того как поверхность мишени очищена, задвижка удаляется путем поворота кассеты с осаждаемыми подложками и производится выращивание полупроводниковых соединений.
Каждая ячейка кассеты-источника имеет свой ограничительный экран. Ионный источник смонтирован с верхней стороны камеры непосредственно над кассетой-источником. На задней крышке установки закреплен охладитель, который необходим для ограничения распространения тепла по объему рабочей камеры. Охладитель представляет собой полый диск, с входным и сливным патрубком для подачи и слива проточной воды соответственно, отверстием для технологического штока и специальным пазом для установки нагревательного элемента.
Расчет вакуумной системы установки ионно-лучевого осаждения при выходе на рабочий режим
В результате проведения серии экспериментальных исследований было установлено, что массив наноостровков GaInPAs, имеющий наименьшие размеры можно синтезировать в температурном диапазоне Т=450С – 500С.
Необходимо отметить, что как правило, на наблюдаемые геометрические размеры островков существенно влияют условия их изображения методами электронной и АСМ-микроскопии, поэтому фигуры поверхности только приблизительно отображают их распределение по размерам и высоте. Однако анализ указанных фигур позволяет оценить качество полученных структур как пригодное для приборного применения.
Далее рассмотрим влияние времени осаждения при ИЛО на параметры массивов наноостровков GaInPAs/GaAs. В рассмотренных выше результатах влияния температурных режимов ИЛО на размеры наноструктур время осаждения было одинаково в серии экспериментов и составляло 3 минуты. Возьмем температуру осаждаемой подложки Tп=5500 С и время осаждения 3 минуты в качестве исходной точки и покажем характер влияния времени роста на формирование наноразмерных структур при ионной кристаллизации. Первоначально время осаждения в серии экспериментальных исследований соответствовало значению меньше 3-х минут и составляло 1 и 2 минуты, а затем было увеличено до 4, 6 и 8 минут соответственно. Энергия ионов и ток ионного пучка в серии экспериментов также имели одинаковое значение: энергия ионов в пучке-1000 эВ, ток ионного пучка-25 мА.
По результатам исследования образца выращенного при длительности времени роста продолжительностью в 1 минуту был сделан вывод о полном отсутствии квантово-размерных структур на поверхности подложки. Данное обстоятельство можно объяснить тем, что толщины образовавшегося смачивающего слоя недостаточно для достижения критической и упругой релаксации поверхностных состояний не происходит. При длительности ростового процесса равной 2-м минутам на поверхности наблюдаются незначительные рефлексы в виде наноостровков с характерными латеральными размерами 7-14 нм расположение которых является крайне неоднородным. Величина упругих напряжений в системе растет по мере увеличения толщины смачивающего слоя.
На рисунке 4.11 приведено изображение системы островков возникших на поверхности подложки при увеличении времени роста до 4 мин. Если сравнивать полученные результаты с результатами при длительности осаждения равной 3-м минутам, то можно отметить, что при 4 мин на поверхности подложки наблюдается некоторое уменьшение числа островков и их плотности в массиве. Рисунок 4.11 СЭМ-изображение поверхности наноструктур GaInAsP/GaAs выращенных при увеличении времени роста до 4 мин (изображение участка поверхности размером 11 мкм)
Проанализировав приведенные выше результаты можно сделать вывод о том, что в данном случае увеличивается количество островков имеющие более крупные размеры. Характерные размеры островков составляют 26-60 нм, средняя высота – около 7-8 нм. Общая поверхностная плотность островков составляет
Результаты экспериментальных исследований при увеличении времени выращивания до 6 мин представлены на рис. 4.12. Видно, что чем больше время процесса, тем менее выраженным является островковый рост. Плотность островков и их размеры резко увеличиваются, а число островков уменьшается. Большая часть крупных островков образовалась, вероятно, за счет коалесценции. В пространстве между сформировавшимися крупными островками наблюдаются мелкие островки более поздних поколений. Размеры наиболее мелких из них составляют примерно 32-49 нм. Общая поверхностная плотность островков имеет порядок 51010 мм-2 . Характерные размеры крупных островков составляют 100-120 нм, средняя высота – около 8-9 продолжительность технологического процесса осаждения должна составлять 3-4 минуты.
Также немаловажным фактором, влияющим на размер и форму островков, является скорость осаждения распыляемых полупроводниковых соединений. Скорость осаждения выращиваемых соединений зависит в первую очередь от энергии ионов в пучке и величины ионного тока. Увеличение или уменьшение энергии ионного пучка прямо пропорционально увеличению или уменьшению скорости осаждения на подложке распыляемых компонентов. В свою очередь увеличение или уменьшение тока ионного пучка приводит соответственно к увеличению или уменьшению атомарного потока компонентов распыляемой мишени.
Конструкция ионного источника и силовых блоков позволяет плавно изменять значение энергии ионов и силы тока ионного пучка от 0 до 2000 эВ и 100 мА. Необходимо отметить, что между величинами энергии ионов и тока существует определенная зависимость, обусловленная конструктивными особенностями ионного источника. Определенной величине энергии ионов соответствует определенное значение тока пучка. В ходе отработки технологических режимов ИЛО было установлено, что энергии ионов 700-800 эВ соответствует величина ионного тока 18-20 мА, диапазону 900-1000 эВ – 24-25 мА, 1000-1200 эВ – 28-30 мА.
В серии экспериментальных исследований было установлено, что оптимальное значение энергии ионов для осаждения GaInPAs лежит в пределах 700-1000 эВ, значение тока пучка в пределах 20-25 мА. При указанных значениях скорость роста составляет примерно 0.5–1 мкм/час. На рисунке 4.14 представлены результаты АСМ-исследований образца выращенного при температуре подложки 550С, времени осаждения 3 мин, энергии 1000 эВ и значении тока пучка 25 мА. Рисунок 4.14 3D АСМ-изображение наноструктур GaInPAs/GaAs выращенных методом ИЛО при энергии ионного пучка 1000 эВ и значении тока пучка 25 мА при температуре 5500 С и времени осаждения 3 мин Было установлено, что при сохранении постоянной температуры роста 550С, времени выращивания 3 минуты и уменьшения энергии ионов до значений в диапазоне 700-800 эВ и ионного тока до 18-20 мА от исходных величин 1000 эВ и 25 мА размеры островков увеличиваются, а их плотность уменьшается. При этом ширина оснований кластеров и островков остается практически неизменной и приблизительно равной 20-22 нм, а длина испытывает значительные изменения от островка к островку. При уменьшении скорости роста наноструктуры, выращенные методом ИЛО характеризуются меньшим разбросом по размерам, высоте и более однородным расположением на поверхности. По-видимому, данный факт связан с тем, что энергия распыленных частиц при ИЛО заметно превосходит тепловую и они более подвижны, что приводит к увеличению вероятности образования зародышей. Уменьшение скорости осаждения при ИЛО приводит к увеличению роли диффузионных процессов на поверхности осаждаемого слоя, что ведет к улучшению структурных свойств формируемых наноструктур. Таким образом, можно говорить о том, что в случае уменьшения скорости роста методом ИЛО возможно получать наноструктуры с наиболее оптимальными параметрами. Однако скорость роста выращиваемых структур при этом существенно снижается.
Экспериментальные исследования по выращиванию наноструктур GaInPAs при увеличении скорости осаждения (энергия ионов 1100-1200 эВ, ток ионного пучка 28-30 мА) показали, что распределение островков по размерам становится больше в диапазоне от 25 до 80 нм. При этом увеличивается плотность островков, разброс по высоте и расположение островков становится менее однородным. Кроме того процесс ИЛО не следует проводить при высоких значениях энергии частиц так, как при распылении часть бомбардирующих поверхность мишени ионов отражается от нее нейтрализовавшись, но при этом сохранив значительную кинетическую энергию. При попадании данных атомов на поверхность выращиваемого эпитаксиального слоя, они могут внедриться в него.