Введение к работе
Актуальность работы. Особенностью современного этапа развития оптоэлектроники является переход к промышленному использованию микроструктур с размерами элементов в десятые, а :в некоторых измерениях и в сотые доли микрометра. При серийном и массовом промышленном производстве таких изделий это приводит к необходимости применения таких технологических процессов, как электронная и ионная литография, использование жесткого ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Существующие в настоящее время наиболее совершенные методы локальной диагностики базируются на тех же самых физических явлениях — взаимодействии заряженных частиц и жесткого электромагнитного излучения с твердым телом. По этой причине локальность, т.е. размер области, из которой регистрируется информативный сигнал, по порядку величины совпадает с минимальными размерами элементов, свойства которых следует изучить. Иными словами, такие распространенные методы локальной диагностики, как растровая электронная микроскопия (РЭМ), рентгеноспектральний микроанализ (РСМА), масс-спектрометрия вторичных ионов для многих современных объектов не могут считаться локальными. Сложность проблемы усугубляется тем, что в ближайшей перспективе не ожидается существенного совершенствования вышеуказанных методов диагностики, поскольку в этой области мы находимся вблизи физического предела, ограничивающего возможности дальнейшего улучшение разрешения.
При изучении материалов полупроводниковой оптоэлектроники одним из наиболее информативных является режим регистрации ка-тодолюминесцентного (КЛ) излучения, возбуждаемого электронным зондом. Энергия возбуждения КЛ излучения в полупроводнике составляет величину порядка единиц электронвольт. Однако необходимость получения КЛ сигнала достаточной интенсивности с учетом размеров области рассеяния первичного пучка и диффузионных процессов генерированных неосновных носителей заряда (ННЗ) делают проблематичным использование традиционных КЛ методов измерений для определения ряда параметров полупроводникового материла (диффузионной длины ННЗ и др.) с необходимым субмикронным разрешением, поскольку зона возбуждения информативного сигнала в этом случае может быть более микрометра. Аналогичная ситуация возникает при определении геометрических характеристик микрорельефа субмикронных объектов, толщин и других характеристик многослойных структур и т.п. Таким обра'юм, можно констатировать, что метрологические характеристики современных методов ло-
' н РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ)
БИБЛИОТЕКА і 1
СПетервург -7/ *
Ксільной диагностики в известном смысле достигли своих предельных значений. Возможности их дальнейшего совершенствования во многом ограничиваются физическими параметрами процессов взаимодействия зондирующего излучения с веществом: длинами пробегов частиц, глубиной выхода вторичных излучений и т.д.
Цель работы — изучение фундаментальных процессов, приводящих к генерации КЛ излучения, возбуждаемого электронным зондом, в прямозонных полупроводниках; развитие и разработка физических основ количественных электроннозондовых КЛ исследований прямозонных материалов и структур полупроводниковой оптоэлек-троники, в т.ч. развитие и разработка количественных методов, связанных с возбуждением, регистрацией и обработкой КЛ сигнала и необходимых для определения параметров полупроводников с повышенным разрешением; проведение экспериментальных исследований перспективных материалов, структури приборов полупроводниковой оптоэлектроники с использованием разработанных методов.
Методы исследования, реализованные для достижения цели работы, основаны на развитии существующих и создании новых, адекватных рассматриваемым физическим явлениям и процессам, математических моделей, связанных с количественной КЛ микроскопией прямозонных полупроводников.
Для анализа количественных соотношений использованы математические методы решения поставленных задач, опирающиеся на теорию аппроксимации, аппарат решения дифференциальных уравнений, теорию матричных операторов, методы интерполирования с наименьшей квадратичной погрешностью.
Основой экспериментальных исследований явились различные методы РЭМ и прежде всего методы КЛ микроскопии, методы сканирующей силовой микроскопии, а также другие методы исследования полупроводниковых объектов, такие, как рентгеновские (РСМА, рент-генофазовый анализ, метод стоячих рентгеновских волн), оптические (оптическая микроскопия, фотолюминесценция) — и некоторые другие методы измерений электрофизических параметров полупроводниковых материалов и приборов на их основе.
Достоверность полученных результатов обеспечена детальным рассмотрением физических явлений и процессов, связанных с возбуждением КЛ излучения в прямозонных полупроводниках, что позволило на базе классических представлений создать оригинальные математические модели, реализующие новые подходы к количественному описанию рассматриваемых явлений. Во многом достоверность полученных результатов обеспечивается хорошим согласием между результатами расчетов и многочисленными экспериментами, а так-
же использованием результатов диссертационной работы для решения фундаментальных и прикладных задач в ряде (указанных ниже) ведущих научных и производственных организаций России.
Научная новизна работы определяется следующими основными результатами:
1) предложена новая модель пространственного распределения
плотности потерь энергии электронами зонда в твердом теле, осно
ванная на раздельном количественном описании вклада в процесс рас
сеяния энергии поглощенных в мишени и обратно рассеянных элек
тронов (ОРЭ), которая может быть использована при расчетах для
широкого ряда материалов и диапазона энергий электронов пучка,
характерного для электроннозондовых устройств;
для модели коллективного движения ННЗ, генерированных широким электронным пучком, разработан ортогонально-проекционный метод численного расчета распределений ННЗ в результате их диффузии в полупроводнике, основанный на использовании в качестве базиса модифицированных функций Лагерра;
изучены возможности модели независимых источников при моделировании процессов диффузии ННЗ, генерированных широким электронным пучком в однородном полупроводниковом материале. Решение уравнения диффузии ННЗ от бесконечно тонкого планарного источника получено в виде непрерывной кусочно-гладкой функции;
разработана модель, описывающая КЛ излучение, возникающее при излучательной рекомбинации генерированных в прямозонном полупроводнике ННЗ и позволяющая решать как прямую (расчет КЛ по известным параметрам материала), так и обратную (определение параметров полупроводника по зависимости интенсивности монохроматической КЛ от энергии электронов пучка) задачи;
показано, что использование интерполирования с наименьшей квадратичной погрешностью (конфлюентного анализа) с учетом погрешности измерений интенсивности КЛ излучения и энергии электронов пучка может позволить существенно улучшить точность измерений, что для объектов полупроводниковой оптоэлектроники обеспечивает необходимую субмикронную точность определения их параметров (диффузионной длины ННЗ и др.):
предложен метод оценки концентрации акцепторной примеси в области р — п перехода диодных структур на основе широкозонных прямозонных полупроводников при использовании мелких донорной и акцепторной примесей для создания р—п перехода;
разработан основанный на использовании локальных сплайнов новый, оптимальный по порядку емкости, детерминированный метод обработки данных КЛ измерений; получены оценки точности метода
и оценки минимального числа точек, гарантирующих приближение с заданной погрешностью.
Практическая ценность исследования определяется следующим:
разработанный К Л метод определения параметров прямозон-ных полупроводников (диффузионной длины ННЗ, толщины приповерхностной области, обедненной основными носителями заряда, спектральной зависимости коэффициента поглощения) в сочетании с предлагаемыми методами обработки результатов эксперимента позволяет проводить измерения параметров с повышенной (по' сравнению с методами, использовавшимися ранее в КЛ микроскопии) точностью;
оригинальный метод оценки, концентрации легирующей акцепторной примеси в области р-п перехода прямозонного материала позволил исследовать распределение легирующей примеси в приповерхностном слое арсенида галлия после воздействия на него лазерного излучения при оплавлении поверхности. Полученные результаты подтвердили предположение, что при характерных условиях эксперимента в приповерхностном слое возбуждается конвективное движение расплава полупроводника;
разработанный метод оптимизации измерений и обработки спектров КЛ полупроводников в отсутствии полной статистической информации об измеряемом сигнале позволяет оптимизировать процесс облучения поверхности полупроводникового материала в ходе проведения эксперимента и тем самым уменьшить тепловую нагрузку на образец, а также корректно оценить погрешность проводимых с использованием электронного зонда КЛ измерений;
разработанный метод оценки количества замещающих атомов в прямозонных четверных твердых растворах замещения позволил оценить элементный состав на поверхности эпитаксиальной пленки Inj^Gaj-Pi-yAsj, в экспериментально обнаруженных областях диаметром до 20 мкм с КЛ, отличающейся от люминесценции матрицы;
использование КЛ в сочетании с другими электроннозондовыми и электрофизическими измерениями, применением .синхротронного излучения, атомной силовой микроскопии и др. для диагностики светодиодных и фотоприемных материалов и структур (InP, InAs, InSb, GaPxAsi_r, Ga^AUAs-GaAs, Cdj-xZ^Tei-ySey, Ini-jGa^Pi-yAsy-InP, Cu2_iS-CdS и др.), а также поликристаллических SiC покрытий, -предназначенных для использования в качестве защитного материала в установках для выращивания монокристаллов полупроводников — позволили получить новую информацию об изучаемых объектах и уточнить место и возможности КЛ при их диагностике.
Результаты работы использованы в следующих организациях. ФГУИ "Государственный научно -исследовательский и проемный институт редкометаллической промышленности "Гирсдмет" Министерства промышленности, науки и технологий РФ (г. Москва), ОАО "НИИ материалов электронной техники" ОАО "Российская электроника" (г. Калуга), ОАО "Московский завод "Сапфир" Российского агентства по обычным вооружениям (г. Москва), ФГУП "Научно-производственное предприятие "Квант" Российского авиационного космического агентства (г. Москва), ФГУДП "Калужское ОКБ НПО им. С.А Лавочкина" Российского авиационного космического агентства (г. Калуга) — что подтверждено актами об использовании результатов диссертационной работы.
Основание для проведения работ. Все исследования проведены при выполнении научно-исследовательских работ (НИР) по планам Министерства образования РФ, Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и МГТУ им. Н.Э.Баумана, в том числе: 1) НИР, в которых диссертант являлся (или является) руководителем: выполняемым по грантам РФФИ и администрации Калужской области (проекты 00-02-96011 и 02-02-96017); по программе Министерства образования РФ "Конверсия и высокие технологии. 1997-2000 гг." (проект 43-1-29); по гранту Министерства образования РФ (проект Т00-2.2-852, номер гос. регистрации 01200110405, инв. номер 02200303192); ряда НИР, выполненных по единому заказ-наряду Министерства образования РФ (номер гос. регистрации 01980003287, инв. номер 02980002759; номер гос. регистрации 01990003021, инв. номер 02990001656; номер гос. регистрации 01200002385, инв. номер 02200001323; номер гос. регистрации 01200002393, инв. номера 02200001327 и 02200104557; номер гос. регистрации 01200303331, инв. номер 02200302542); 2) других НИР, в которых диссертант являлся (или является) исполнителем. Часть работ проведена при поддержке Международного научного фонда (International Science Foundation) и Германской службы академических обменов (Deutscher Akademischer Austauschdienst). Значительная часть работ проведена в рамках реализации договора о научном сотрудничестве между МГУ им. М.В.Ломоносова и МГТУ им. Н.Э.Баумана от 28 декабря 1992 г.
' Научные положения и научные результаты, выносимые на защиту.
Новый подход к количественному описанию физического процесса генерации информативного сигнала в КЛ микроскопии прямозон-ных полупроводников, основой которого являются:
1) математическая модель, описывающая потери энергии электронами пучка в твердом теле, основанная на учете раздельного вклада в
процесс рассеяния энергии поглощенных в мишени и ОРЭ, применимая для широкого ряда материалов и диапазонов энергий первичных пучков, характерных для РЭМ;
2) метод вычисления распределений генерированных широким
электронным пучком неравновесных ННЗ в результате их диффу
зии в однородных материалах полупроводниковой оптоэлектроники
для следующих двух моделей: а) модели независимых источников,
в которой распределение ННЗ после их диффузии в полупроводнике
определяется как суперпозиция распределений ННЗ, продиффунди-
ровавших от тонких планарных источников, для которых получено
точное аналитическое решение в виде непрерывной кусочно-гладкой
функции; б) модели коллективного движения ННЗ, для которой раз
работан матричный ортогонально-проекционный метод численного
решения уравнения диффузии, основанный на использовании в ка
честве базисных модифицированных функций Лагерра;
математическая модель, описывающая зависимость интенсивности монохроматического КЛ излучения прямозонных полупроводников от энергии электронов пучка, основанная на корректном учете поверхностной рекомбинации ННЗ;
модель, описывающая излучательную рекомбинацию в области р — п перехода диодных структур на основе широкозонных прямозонных полупроводников при использовании для создания р — п перехода мелких донорной и акцепторной примесей и при условии, что разность между энергиями акцепторного уровня и валентной зоны существенно больше разности между энергией зоны проводимости и энергией донорного уровня;
модель, описывающая зависимость ширины запрещенной зоны и параметра решетки прямозонного полупроводникового четверного твердого раствора замещения от его состава.
Создание (при использовании разработанных математических моделей рассматриваемых физических явлений) новых методов количественных КЛ исследований прямозонных материалов полупроводниковой оптоэлектроники:
1) метод определения параметров полупроводников (диффузионной длины ННЗ; толщины приповерхностной области, обедненной основными носителями заряда; спектральной зависимости коэффициента поглощения), основанный на модели, описывающей зависимость интенсивности монохроматического КЛ излучения прямозонных полупроводников от энергии электронов пучка и позволяющий при использовании метода конфлюентного анализа реализовать повышенную (по сравнению с другими электроннозондовыми методами) точное! ь определения параметров мишени;
2) метод оценки концентрации легирующей акцепторной примеси в области р — п перехода прямозонного материала, основанный на модели излучателыюй рекомбинации из р — п перехода, созданного п полупроводнике мелкими донорной и акцепторной примесями; . . 3) метод оптимизации измерений и обработки спектров КЛ по-. лупроводников в отсутствии полной статистической информации об измеряемом сигнале, основанный на использовании т.н. LULU-mcto-да и сплайн-сглаживания;
4) метод оценки доли замещающих атомов в прямозонных четверных твердых растворах замещения, основанный на модели, описывающей зависимость ширины запрещенной зоны и параметра решетки полупроводника от его состава.
Результаты электронномикроскопических исследований материалов и структур полупроводниковой оптоэлектроники, в т.ч. монокристаллических бинарных и тройных соединений InP, GaAs, InAs, CdTe, GaPAs, CdTeSe, четверных твердых растворов замещения CdTeZnSe и InGaPAs, светоизлучающих структур на основе GaAlAs, фотоприемных структур на основе InSb, элементов солнечных батарей на основе поликристаллического CdS, микрокристаллических карбидкремниевых покрытий, предназначенных для использования в качестве защитного материала в установках для выращивания монокристаллов полупроводников.
Личный вклад автора в проведенное исследование. В диссертационной работе обобщены результаты многолетних исследований по математическому моделированию и экспериментальному изучению материалов и структур полупроводниковой оптоэлектроники методами КЛ микроскопии, выполненные диссертантом самостоятельно и в соавторстве, в том числе с коллегами, у которых диссертант являлся (или является) научным руководителем.
Личный вклад автора заключается в выборе объекта исследований, формулировке и реализации цели и задач работы, в том числе: формулировке основных идей теоретических расчетов и участии в реализации вычислений; проведении всех экспериментальных работ по КЛ диагностике полупроводников; руководству или координации-работ, включающих в себя использование различных (прежде всего не электронномикроскопических) методов исследований и дополняю- ' щих результаты КЛ исследований — а также в анализе и обобщении полученных результатов.
Апробация результатов работы проведена на ряде Всесоюзных, Российских и международных конгрессов, конференций, симпозиумов, совещаний и семинаров, в т.ч. на X, XI, XIV Всесоюзн. и
XVI- XIX Российск. конф. по электронной микроскопии (г. Ташкент, 1976 г., г. Таллин, 1979 г., г. Суздаль, 1990 г. и г. Черноголовка, 1996, 1998, 2000, 2002 гг.); III-VII Всесоюзн. и VIII-XHI Российск. симп. по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (г. Звенигород, 1981, 1984, 1986, 1989,
1991 гг. и г. Черноголовка, 1993, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003 гг.);
II Всесоюзн. научно-технич. семинаре "Пути повышения стабильнос
ти и надежности микроэлементов и микросхем" (г. Рязань, 1981 г.);
III конф. соц. стран по микроэлектронике (3rd Microelectronics Conf. of
the Socialist Countries, Budapesht, Hungary) (г. Будапешт, 1982 г.); V
и VI Всесоюзн. совещан. по исследованию арсенида галлия (г. Томск,
1982, 1987 гг.); II Республ. конф. по фотоэлектрическим явлениям
в полупроводниках (г. Одесса, 1982 г.); V Всесоюзн. конф. по физи
ческим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (г. Калу
га, 1990 г.); XII Всесоюзн. конф. по физике полупроводников (г. Ки
ев, 1990 г.); VII международн. конф. по микроэлектронике "Микро-
электроника-90" (г. Минск, 1990 г.); международн. научно-технич.
конф. "Приборостроение-92" — "Приборостроение-2002" (г. Керчь,
г. — п. Алупка, 2002 г.); I и II международн. конф. "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (г. Новосибирск, 1992,1994 гг.); X европейском конгрессе по электронной микроскопии (10th Europ. Congr. on Electron Microscopy, Granada, Spain) (r. Tpa-нада, 1992 г.); Ill международн. симп. по зондовым методам оценки дефектов в полупроводниках (3rd Int. Workshop on Beam Injection Assessment of Defects in Semiconductors, Bologna, Italy) (г. Болонья,
г.); II международн. научно-технич. конф. "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (г. Москва, 1994 г.); VIII международн. конф. по полуизолирующим материалам группы А3В5 (8th Int. Conf. on Simi-Insulating III—V Materials, Warsaw, Poland) (г. Варшава, 1994 г.); ХНІ международн. конгрессе по электронной микроскопии (13th Int. Congr. on Electron Microscopy, Paris, France) (г. Париж,
г.); IX международн. конф. по микроскопии полупроводниковых материалов (9th Int. Conf. on Microscopy of Semiconducting Materials, Oxforg, UK) (г. Оксфорд, 1995 г.); IX международн. конф. по оптическому и электроннозондовому тестированию электронных приборов (9th Int. Conf. on Electron and Optical Beam Testing of Electronic Devices, Wuppertal, Germany) (г. Вупперталь, 1995 г.); VI межнацио-нальн. и XIII международн. совещан. "Радиационная физика твердого тела" (г. Севастополь, 1996, 2003 гг.); международн. совещан. по сканирующей микроскопии (Scanning Microscopy 1996 Int. Meeting, Hethesda, USA) (г. Бетезда, 1996 г.); II Всероссийск. научно-технич. конф. с международн. участием "Электроника и информатика" (г. Зе-
леноград, 1997 г.); Ill международн. научно-технич. конф. "Микроэлектроника и информатика" (г. Зеленоград, 1997 г.); IV китайско-российском симп. "Актуальные проблемы современного материаловедения" (г. Пекин, КНР, 1997 г.); XXVIII-XXXIII международн. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (г. Москва, 1998-2003 гг.); III национальн. конф. по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (г. Москва, 2001 г.); международн. конф. по люминесценции, посвященной 110-летию со дня рождения академика С.И.Вавилова (г. Москва, 2001 г.); IV-VI Всероссийск. семинарах "Проблемы теоретической и прикладной электронной оптики" (г. Москва, 1999, 2001, 2003 гг.). Материалы диссертационной работы докладывались также на расширенном заседании секции прикладных исследований Научного совета АН СССР "Изыскание новых путей использования солнечной энергии" (г. Яремча, 1979 г.), на научных семинарах в различных российских и зарубежных университетах.
Публикация результатов работы. Материалы исследований, представленных в диссертации, изложены в 230 работах, опубликованных в научных журналах, научно-технических сборниках, материалах, трудах и тезисах докладов Всесоюзных, Российских и международных конгрессов, конференций, симпозиумов, совещаний и семинаров; ссылки на 67 из них приведены в тексте диссертации.
Все основные результаты диссертационной работы опубликованы в 46 статьях, из них 80% (37 статей) опубликовано в ведущих российских научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук1.
Структура и объем работы. В соответствии с поставленными целями исследования, характером и объемом проведенной работы, диссертация содержит введение, 8 глав, заключение, список литературы и копии актов об использовании результатов работы. Общий объем диссертации составляет 345 страниц машинописного текста, содержащих текст работы, 89 рисунков, 9 таблиц и список использованных источников на 40 страницах, содержащий 325 наименований. После списка литературы приведены копии 5 актов об использовании результатов работы.
Похожие диссертации на Количественная катодолюминесцентная микроскопия прямозонных материалов полупроводниковой оптоэлектроники
