CC BY
63
МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА
Вестн. Ом. ун-та. 2009. № 2. С. 132-136.
УДК 621.315.592
Н.А. Давлеткильдеев, М.М. Нукенов, Н.В. Сологуб
Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского
ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ЛЕГИРОВАНИЯ НА СОСТАВ И СТРУКТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ МИКРОДЕФЕКТОВ В №-ОаАв
В работе исследовались монокристаллы ваАє, легированные теллуром (ОаАє:Те), с
0 17 18 3
концентрацией свободных носителей заряда п =5-10 ^5-10 см" (соответствующей концентрации примеси), выращенные методом Чохральского.
Ключевые слова: арсенид галлия, сильное легирование, микродефекты, атомносиловая микроскопия, рентгеновская дифракция, фазовый состав.
Несмотря на накопленный богатый экспериментальный материал, вопрос о природе микродефектов, наблюдаемых в сильно легированных кристаллах полупроводниковых соединений AШBV, до сих пор остается нерешенным.
Согласно результатам электронно-микроскопических исследований, основными типами микродефектов в кристаллах полупроводниковых соединений AIIIBV являются: 1) относительно крупные (размером 0,1-1 мкм) дефекты упаковки, как однослойные, так и многослойные;
2) мелкие (размером от нескольких единиц до десятков нанометров) призматические дислокационные петли, как полные, так и частичные;
3) мелкие частицы выделений, расположенные обычно в площади дефекта упаковки или на дислокационной петле, ограничивающей его. Точно не установлено, из каких атомов - собственных или примесных - состоят внедренные слои дефектов упаковки и связанные с ними частицы выделений. По вопросу о природе наблюдаемых микродефектов и о возможных механизмах их образования в литературе имеются различные, порой весьма противоречивые мнения [1].
Большинство авторов полагают, что состав внедренных слоев и частиц выделений в ОаАБ, легированном элементами VI группы (Те, Бе, Б), близок к фазе Оа2(Те, Бе, Б)з [1]. Об этом свидетельствуют результаты анализа дифракционного контраста на электронно-микроскопических изображениях микродефектов. Однако прямые данные о составе микродефектов отсутствуют, поскольку на микродифракто-граммах не удавалось наблюдать дополнительных рефлексов, связанных с ними.
Настоящая статья посвящена исследованию фазового состава и структурных параметров микродефектов в монокристаллах ОаАБ при различных уровнях легированния теллуром.
В работе исследовались монокристаллы ОаАБ, легированные теллуром (ОаАв:Те), с концентрацией свободных носителей заряда
© Н.А. Давлеткильдеев, М.М. Нукенов, Н.В. Сологуб, 2009
По=5-1017^5-1018 см-3 (соответствующей концентрации примеси), выращенные методом Чохральского из расплава стехиометрического состава из-под слоя флюса в направлении <100>.
Исследуемые образцы вырезались из слитка в виде дисков толщиной 2 мм и специально ориентировались вдоль плоскости (100). Отклонение поверхности образцов от плоскости (100) составляло не более 1°. После ориентации поверхность образцов подвергалась стандартной обработке.
Выявление микродефектов на поверхности монокристаллов GaAs:Te производилось методом избирательного химического травления в разбавленном растворе Сиртла при дополнительном освещении (метод DSL-травления) [2]. Травление образцов осуществлялось в растворе состава HF:CrÜ3:H2O (1:5:6) в течение 5 минут при освещении галоге-новой лампой [2].
Морфология поверхности образцов и отдельных фигур травления исследовалась методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондо-вом микроскопе Solver PRO в полукон-тактном режиме сканирования на воздухе, с использованием зондового датчика NSG10.
Исследование фазового состава и структурных параметров микродефектов проводилось методом рентгенодифракционного анализа на дифрактометре Shimadzu XRD-6000 с использованием CuKa-излучения.
На рисунке 1 представлены обзорные АСМ-изображения поверхности образцов с различными концентрациями свободных носителей заряда, которые демонстрируют характерные изменения дефектной структуры монокристаллов GaAs:Te с ростом уровня легирования. Анализ АСМ-изображений показывает, что все фигуры травления являются бугорками. Крупные протяженные фигуры травления представляют собой возвышение (бугорок), поверхность которого покрыта отдельными мелкими бугорками (микробугорками). Мелкие фигуры травления являются одиночными микробугорками.
а
О 10 20 30 40 50
pm
б
0 10 20 30 40 50
lim
в
0 10 20 30 40 50
lim
Рис. 1. АСМ-изображение фигур травления на поверхности монокристаллов 0аАБ:Те с различной концентрацией свободных носителей заряда: а - 1018 см-3, б - 1.5-1018 см-3, в - 2,51018 см-3
С ростом уровня легирования размеры бугорков и микробугорков уменьшаются (рис. 1). Особенностью распределения фигур травления на поверхности образца с концентрацией и0=1018 см-3 явля-
ется отсутствие отдельных микробугорков на расстоянии около 10-15 мкм вокруг бугорка (рис. 1а). С увеличением уровня легирования размеры зон обеднения микробугорками уменьшаются (рис. 1 б, в).
Согласно выводам авторов методики выявления дефектов методом ОБЬ-трав-ления [2], крупные фигуры травления (бугорки, покрытые микробугорками) образуются в местах выхода дислокаций на поверхность кристалла. Ростовые дислокации в исследуемом материале имеют сложную конфигурацию, напоминающую клубок, окруженный облаком дислокационных петель Франка, залегающих в плоскости (111). Дислокационные петли Франка ограничивают дефекты упаковки внедренного типа, состоящие из одного или нескольких внедренных слоев [3]. Комплексный дефект, содержащий ростовую дислокацию и дислокационные петли, имеет характерные размеры 2^6 мкм [2], что хорошо согласуется с размерами крупных фигур травления на АСМ-изображениях (рис. 1). Кроме того, плотность крупных фигур травления по порядку величины соответствует плотности ростовых дислокаций в исследуемом материале [4].
Мелкие фигуры травления (микробугорки) образуются в местах выхода на поверхность одиночных дислокационных петель Франка. Поперечные размеры микробугорков (0,2^1 мкм) соответствуют характерным размерам дислокационных петель, приведенным в литературе [1-3; 5; 6]. Величина плотности микробугорков согласуется с величиной плотности дислокационных петель, полученной в работах [3; 6].
Таким образом, в исследуемых кристаллах выявляются лишь микродефекты одного типа - дефекты упаковки внедренного типа, окруженные дислокационными петлями Франка. Микродефекты типа мелких призматических дислокационных петель в исследуемых образцах не наблюдались, поскольку их формирование происходит при концентрациях примеси, превышающих 8-1018 см-3 [6; 7]. Мелкие частицы выделений по причине малости размера и расположения внутри дефектов упаковки данным методом не выявляются.
Для анализа фазового состава и структурных параметров микродефектов проведена регистрация рентгенов-
ских дифрактограмм в области углов, соответствующих отражениям от плоскостей (200) и (400) матрицы ОаАБ и предполагаемой фазы Оа2Те3. На рисунке 2 представлены фрагменты дифрак-тограмм монокристаллов ОаАв:Те в области указанных углов. На вставках показаны обнаруженные рентгеновские линии от плоскостей (200) и (400) фазы Оа2Те3, что подтверждает присутствие указанной фазы в монокристаллах ОаАв:Те.
а
26, deg
б
26, с!е§
Рис. 2. Типичные дифрактограммы монокристаллов GaAs:Te в области отражения от плоскостей (200) (а) и (400) (б) GaAs: на вставках показаны рентгеновские линии от плоскостей (200) и (400) фазы Ga2Teз
На основе сопоставления интегральных интенсивностей отражения от фазы и матрицы проведена оценка относительного объемного содержания Оа2Те3. На рисунке 3 представлена концентрационная зависимость объемного содержания фазы Оа2Те3. Содержание фазы по порядку величины соответствует содержанию Те в исследуемых образцах. При концентрациях По>1,15-1018 см-3 наблюдается нарушение монотонного роста объемного содержания фазы Оа2Те3 с увеличением концентрации
свободных носителей заряда, в то время как плотность микродефектов, определенная на основе анализа АСМ-изо-бражений, растет во всем исследуемом концентрационном интервале (рис. 3). Следует отметить, что вклад в рентгеновское отражение от фазы ОагТвз дают не только выявляемые ОБЬ-травлением микродефекты типа дефектов упаковки, но и невыявляемые мелкие частицы выделений, расположенные в площади дефекта упаковки или на дислокационной петле, ограничивающей его. Согласно данным электронномикроскопических исследований [1; 3; 6], плотность частиц выделений на порядок превышает плотность дефектов упаковки, с ростом уровня легирования плотность и тех, и других пропорционально увеличивается. Поэтому уменьшение объемной доли фазы Оа2Те3 при По>1,15-1018 см-3 не может быть связано с уменьшением плотности микродефектов.
1 *
Рис. 3. Концентрационная зависимость относительного объемного содержания фазы Ga2Teз и плотности микродефектов в монокристаллах GaAs:Te
Анализ факторов физического уши-рения рентгеновских линий показал, что ширина линий отражения от фазы Оа2Те3 обусловлена в основном малостью областей когерентного рассеяния (ОКР). На основе уравнения Шерера была проведена оценка размеров ОКР. На рисунке 4 представлены концентрационные зависимости размеров ОКР и периода решетки фазы Оа2Те3.
Рис. 4. Концентрационная зависимость размеров ОКР и периода решетки фазы Ga2Te3 в монокристаллах GaAs:Te
Наблюдается немонотонная концентрационная зависимость размеров ОКР фазы Оа2Те3, характеризуемая в начале ростом, а затем уменьшением размеров ОКР. Средний размер ОКР при различных концентрациях составляет порядка 1000 А, что в два раза превышает средний размер частиц выделений, полученный из анализа электронно-микроскопических изображений [3; 6; 8]. Причиной данного несоответствия размеров ОКР может быть малая интенсивность и, соответственно, узость рентгеновских линий от фазы Оа2Те3.
Период решетки фазы Оа2Те3 с ростом концентрации примеси в ОаАБ претерпевает незначительные изменения, лежащие в пределах ошибки определения, за исключением области больших концентраций, где он несколько уменьшается.
Комплекс полученных результато можно объяснить следующим образом. Несоответствие увеличения плотности микродефектов резкому снижению содержания фазы Оа2Те3 при Дэ>1,15-1018 см-3 свидетельствует о разориентации кристаллитов фазы относительно матрицы ОаАБ. Это может быть обусловлено интенсивным локальным пересыщением объема ОаАБ вокруг микродефектов вакансиями, образующимися в процессе формирования и роста внедренного слоя. На эту же причину указывают авторы работы [6] при объяснении отличия экспериментально наблюдаемого параметра несоответствия решеток ОаАБ и Оа2Те3 от расчетного при анализе муарового контраста на электронномикроскопических изображениях. Этой
«0, cm
"0, cm
же причиной обусловлено уменьшение размеров ОКР с ростом уровня легирования. Локальное пересыщение вакансиями и, соответственно, сокращение количества свободных атомов для достройки решетки препятствует дальнейшему росту внедренного слоя. При этом рост объемного содержания фазы Оа2Те3 в основном обеспечивается увеличением плотности микродефектов.
Таким образом, получены следующие основные результаты:
■ методом избирательного ОБЬ-трав-ления выявлены микродефекты структуры монокристаллов ОаАв:Те;
■ на основе сравнительного анализа литературных данных по электронной микроскопии и данных по морфологии фигур травления, полученных методом атомно-силовой микроскопии, установлено соответствие фигур травления микродефектам кристаллической структуры монокристаллов ОаАв:Те - дислокационным петлям Франка, ограничивающим дефекты упаковки внедрения;
■ методом рентгенодифракционного анализа обнаружено присутствие в монокристаллах ОаАв:Те фазы Оа2Те3. На основе анализа дифрактограмм определены относительное объемное содержание, размеры ОКР и период ре-
шетки фазы Ga2Te3, получены немонотонные концентрационные зависимости этих параметров;
■ немонотонное поведение концентрационных зависимостей объемного содержания и структурных параметров фазы Ga2Te3 объясняется локальным пересыщением объема арсенида галлия вокруг микродефектов вакансиями, образующимися в процессе роста внедренного слоя.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. Структур-
ные дефекты в монокристаллах полупроводников. M.: Металлургия, 1984. С. 233.
[2] Weyher J.L., J. van de Ven // J. Cryst. Growth.
1986. V. 78. P. 191.
[3] Моргулис Л.М., Освенский В.Б., Мильвидский М.Г // ФТТ. 1974. Т. 16. С. 223.
[4] Богданова В.А., Давлеткильдеев Н.А., Нукенов М. М., Семиколенова Н.А. // ФТТ. 2008. Т. 50. С. 236.
[5] Laister D., Jenkins G.M. // J. Mater. Sci. 1968.
V. 3. P. 584.
[6] Моргулис Л.М., Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1974. Т. 38. С. 1447.
[7] Verner V.D., Maksimov S.K., Nichugovskii D.K. //
Phys. Stat. Sol. (a). 1976. V. 33. Р. 755.
[8] Hutchinson P.W., Dobson P.S. // Phil. Mag. 1974. V. 30. P. 65.
