Введение к работе
Актуальность темы
Уменьшение плотности дислокаций и рост диаметров кристаллов, локальные неоднородности распределения точечных дефектов (ТД) приобретают все более важное значение из-за растущего спроса полупроводниковой промышленности на однородные, совершенные подложки арсенида и фосфида галлия для производства различных приборов. Получение монокристаллов полупроводников соединений А В с заданной концентрацией, структурным состоянием и распределением по объему кристалла сложной композиции ТД - проблема далекая от разрешения. Еще менее изучены процессы ассоциации ТД, происходящие в растущих, термообрабатываемых и облученных кристаллах. Нарушение идеальности монокристаллов, вызванное ассоциациями ТД различного размера, формы и типа (дислокационные петли, неоднородности с размытой границей, зародыши стабильных и метастабильных образований при распаде твердых растворов, пересыщенных собственными компонентами или примесями) можно определить общим понятием - микродефекты (МД). Очевидна взаимосвязь между концентрацией собственных точечных дефектов вблизи температуры плавления, степенью легирования и характером отклонения состава кристаллизующейся фазы от стехиометрии, скоростью охлаждения и образованием МД, так как при конечной скорости охлаждения возникает пересыщение точечными дефектами. Механизмы структурных превращений, конкуренция между образованием МД и аннигиляцией точечных дефектов, а также пути управления этими процессами среди соединений А В наиболее полно изучены для соединения GaAs. Схожесть условий роста промышленного GaP и GaAs, выращенного из раствора-расплава с избытком галлия дает возможность установить состав МД в GaP и попытаться предложить механизмы дефектообразования и степень общности механизмов образования МД.
Основная цель работы: развитие метода диффузного рассеяния рентгеновских лучей для исследования разных этапов распада неравновесных твердых растворов полупроводников; выявление закономерностей образования МД и предложение моделей структурных превращений на основе характеризации микродефектов, в монокристаллах GaAs и GaP разного состава и после разных термообработок, для выяснения механизмов образования МД и способов управления процессами формирования структуры в монокристаллах, используемых в твердотельной микроэлектронике.
Для достижения поставленных в работе целей необходимо было решить следующие задачи:
1. Рассчитать области гомогенности изучаемых соединений AJBJ и температурные
зависимости равновесных концентраций собственных точечных дефектов (СТД) вблизи температуры плавления и при последующем охлаждении; установить экспериментальную связь с
их количеством и типом МД, образующихся в кристалле при посткристаллизационном охлаждении.
Провести модельные расчеты распределения диффузного рассеяния рентгеновских лучей (ДРРЛ) на микродефектах различной симметрии поля смещений. Сопоставить экспериментальные распределения ДРРЛ и смоделированные.
На основе экспериментальных данных и термодинамического анализа возможности образования различных флюктуации состава предложить механизм структурных превращений СТД в МД.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Выявлены особенности структурных превращений МД при охлаждении кристаллов GaAs(Si), выращенных методом вертикальной направленной кристаллизации (ВНК). В кристаллах образуются два типа МД: высокотемпературные выделения избыточного As и МД, образующиеся при выпадении Si. Размеры и количество последних зависит от скорости охлаждения кристаллов или термообработок.
На основе впервые проведенных исследований ДРРЛ на МД в монокристаллах нелегированного GaP, выращенного методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава (ЧЖГР) и в монокристаллах GaAs, выращенного из раствора-расплава с избытком галлия, при Т ~ 950-1000 С, показана связь между распадом неравновесных растворов замещения на основе соединений А В и одновременным образованием МД межузельного и вакансионного типов. В частности, показано, что в кристаллах ЧЖГР-GaP, в которых основным типом дефектов являются
1 О Q
вакансии фосфора (-2x10 см" ), тем не менее, при охлаждении образуются МД с положительной мощностью. Предложена схема, объясняющая этот эффект.
Впервые рентгеноструктурными методами исследованы МД в монокристаллах ЧЖГР-GaP(S) и 4/KTP-GaP(Zn). Сделана попытка объяснить различие во влиянии S и Zn на основе анализа трехкомпонентной диаграммы фазовых равновесий. Предложена модель структурного раствора для объяснения аномального уменьшения периода решетки в монокристаллах, легированных серой.
Впервые использован анализ распределения бора в BHK-GaAs(Si) для характеризации особенностей формирования дислокационной структуры этих монокристаллов.
Впервые оценена чувствительность метода ДРРЛ и показана возможность отследить по картине распределения интенсивности ДРРЛ в монокристаллах полупроводников разные этапы процесса распада неравновесных твердых растворов.
Практическая значимость результатов работы.
1. Совокупность структурных методов, используемых в работе, может применяться для
оценки стехиометрии монокристаллов, определения состава МД в процессе роста и диагностики
процессов распада собственных и примесных компонентов при посткристаллизационном охлаждении.
Полученные экспериментальные закономерности формирования дефектной структуры монокристаллов могут быть использованы в технологии выращивания монокристаллов и при изготовления приборов.
Возможность количественной оценки содержания бора по результатам измерений величины периода решетки BHK-GaAs(Si), а также возможность управлять величиной периода, путем изменения количества флюса В2О3. Распределение периода решетки вдоль радиуса пластины можно использовать в качестве индикатора формы фронта кристаллизации.
Научные результаты, выносимые на защиту:
Сочетание метода Бонда и ДРРЛ является эффективным способом контроля эволюции реальной структуры нестехиометрических монокристаллов А В в зависимости от условий роста. В частности, можно проследить различные этапы формирования МД в процессе распада неравновесных твердых растворов.
Механизм распада неравновесных растворов вычитания на основе соединений А В и образования МД с положительной и отрицательной мощностью.
Зависимость плотности и характера распределения дислокаций в BHK-GaAs от формы фронта кристаллизации, выявляемой по экспериментальному профилю распределения концентрации бора.
4. Образование МД в BHK-GaAs и структурные превращения при постростовом
охлаждении кристаллов.
5. Механизм политропии серы в GaP.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на:
V Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования наноматериалов и наносистем (РСНЭ НАНО-2005), Москва, Институт кристаллографии РАН, 14-19 ноября 2005.
XII Национальная конференция по росту кристаллов (НКРК-2006), Москва, Институт кристаллографии РАН, 23-27 октября 2006.
Девятая научная конференция «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (GaAs - 2006), Томск, 3-5 октября 2006.
Третья Международная конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21 века», Черноголовка, 21-24 ноября 2006.
VI Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ-2007) - Москва, Институт кристаллографии РАН, 12-17 ноября 2007. Публикации
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ. Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы, состоящего из 126 наименований. Общий объем диссертации 143 страницы, включая 29 рисунков и 7 таблиц.
