Исследование гетеропереходов и квантово-размерных структур методом фотоотражения Коняев, Михаил Викторович

Введение к работе

Актуальность темы. Техника полупроводников вступила в очередной этап своего развития: использование субмикронных слоев и структур. Новое поколение сверхбыстродействующих полупроводниковых приборов в основе своей работы использует эффекты размерного квантования в сверхтонких эпитаксиальных слоях толщиной от единиц до сотен межатомных расстояний. В этой связи принципиально важное значение приобретает диагностика и неразрушающий контроль таких слоев и структур, в частности, таких их параметров, как геометрические размеры, концентрация свободных носителей заряда, напряженность электрического поля на гегерограюще и других. Существувщие методы электронной микроскопии, Оже-спектроскопии и электронно-зондового анализа весьма трудоемки, дорогостоящи -и в ряде случаев не дают адекватных результатов.

Для решения задач диагностики и контроля целесообразно привлечение методов оптической модуляционной спектроскопии, поскольку они являются неразрушающими, бесконтактными, отличаются вы-' сокой информативностью, и, что немаловажно, обеспечивают возможность получения как сравнительно высокого пространственного разрешения, так и проведения интегральных измерений параметров по площади структур."

Развиваемый в работе метод фотоотражения сравнительно прост, не требует охлаждения образца и помещения его в глубокий вакуум.

В качестве объектов исследования были выбраны структуры на базе полупроводниковых соединений А³В^В, являющихся основными материалами современной наноэлектроники. В частности, на их основе создан целый ряд квантово-размерных структур для фотоприемников, инжекционных лазеров, транзисторов с высокой подвижностью электронов. Исследовались образцы, выращенные по различным технологиям в разных лабораториях, что позволило сравнивать структуры различного качества с заданными параметрами: составом, уровнем легирования, толщиной и др. Всего было исследовано более І00 образцов. По характеру исследованных объектов работу можно разбить на две части:

-исследование гетеропереходов;

-исследование квантово-размерных слоев и структур.

t t

-Й-

Целью настоящей работы являлось определение возможностей метода фотоотражекия для диагностики гетеропереходов и квантово-размерных структур и разработка методик определения состава твердых растворов, напряженности электрического поля на поверхности и гетерограницах, концентрации свободных носителей заряда, их энергетического спектра и геометрических размеров (толщин) квантово-размерных слоев.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: .1. Модернизация экспериментальной установки и методики измерения спектров фотоотражения.

1. Выбор соответствующих моделей, пригодных для эффективного анализа спектров фотоотражения различных материалов и структур.

2. Разработка на основе выбранных расчетных моделей методики и программного обеспечения для определения параметров исследуемого объекта из экспериментальных данных.

3. Проведение цикла экспериментальных исследований на образцах гетероструктур с различными толщинами слоев и уровнями легирования.

Научная новизна работы заключатся в следующем:

1. На основании систематического исследования гетероперехо-.
дов и квантово-размерных структур показана эффективность метода
фотоотражения для диагностики таких структур и определения сле
дующих параметров (на примере AlxGa^xAs/GaAs):

-состава твердого раствора: от х=0 до х*0.5 в слоях толщиной 50 X и более;

-концентрации свободных носителей заряда: от І.8-І0^іе см"^в до 5'10^1в см~^в в слоях толщиной более 100 X;

-напряженности электрического поля на гетерограницах в диапазоне 20...750 кВ/см.

%GaAs показано, что послойного тсавления

2. На примере гетероструктур AlxGe^xA
метод фотоотражения совместно с методом

позволяет определять толщины эпитаксиалышх слоев, .а также профили распределения состава с разрешением по толщине до 50 X.

3. Обнаружен расщепление линии спектра $0 лазерных гете
роструктур Ini-xGaxAst-yPy/InP диапазона 1.3 мкм, что подтвер
ждает возможность спинодального распада этого твердого раствора.

4. В спектрах фотоотражения квантовых нитей In_xGa_t__xAs/ GaAs размером 100x400 1 обнаружен сдвиг энергий уровней размерного квантования на 13 мэВ по сравнению с исходной квантовой Ямой вследствие понижения размерности структуры. .

Практическая значимость работы:

1. Модернизирована экспериментальная установка и усовершенствована методика измерения спектров $0 полупроводниковых пластин и структур;

2. Разработана методика и программное обеспечение для определения энергетического спектра носителей заряда в полупроводниковых структурах с квантовыми ямами и сверхрешетками;

81 Разработаны методы диагностики важных для практического применения полупроводниковых материалов и структур, в том числе предназначенных для инжекционных лазеров диапазона 1.3 мкм и ИК-фотоприемников диапазона 8...10 мкм.

Научные положения, выносимые на защиту: ,

1„ Фотоотражение является сравнительно простым и эффектив-* ным методом диагностики тонких эпитаксиальных слоев и гетерр-структур.

Для системы AlxGai-xAs/GaAs, кроме определения состава х, возможно измерение концентрации свободных носителей заряда в диапазоне 1.8-10¹⁶...5^-10^1в см~³ и напряженности электрического поля на гетерогранице в диапазоне 20...750 кВ/см.

2. Метод фотоотражекия совместно с методом послойного анодного окисления позволяет определять толщины эпитаксиальных слоев, а также профили распределения состава с разрешением по толщине до 60 К.

3. Сдвиг линий 11Н и 11L в спектре $0 квантовых нитей InxGai_xAs/GaAs по сравнению с исходной квантовой ямой обусловлен энергетическим сдвигом уровней размерного квантования вследствие понижения размерности структуры.

Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: на I Российской конференции по физике полупроводников (г.Нижний Новгород, 1993), на XLV, XLVI, XLVII и XLVIII научно-технических конференциях про-

фессорско-преподавательского состава СПГЭТУ (І992-І995 гг.), на международном симпозиуме по физике и технологии наноструктур (С.-Петербург, 1994) и Российской конференции о участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94" (Москва, 1994).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 3 статьи и б тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы,включающего 117 наименований. Основная часть работы изложена на 109 страницах машинописного текста. Работа содержит 11 таблиц, 44 рисунка,