CC BY
20
УДК 621.315.592
ДИАГНОСТИКА ГЕТЕРОСТРУКТУР РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДОВ В ПРОЦЕССЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО РОСТА. II. МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ МЕТОДА
ОТРАЖЕНИЯ И. П. Казаков, М.А. Базалсвский, В. В. Капасв, В. И. Цсхопт
Показано, что методы, отражения и, в особенности, анизотропного отражения, могут эффективно применяться, для, in situ, исследования и контроля процесса, выращивания, гетероструктур с толщиной слоев менее 10 монослоёв. Методом анизотропного отражения зарегистрировано изменение состава, слоев на, прямых ге-терогрангщах GaAs/AlAs активной области резонансно-туннельного диода с разрешением по толщине ~1 монослой непосредственно в процессе выращивания. Для, оценки качества сформированной активной области резонансно-туннельного диода применён метод сравнительной спектроскопии анизотропного отражения.
Ключевые слова: резонансно-туннельный диод, гетероструктура. молекуттярно-пучковая эпитаксия. спектроскопия анизотропного отражения. монослойное разрешение.
Введение. В последние 20 лет для исследований и контроля процессов эпитаксиаль-ного выращивания полупроводниковых гетероструктур (ГС) in situ всё большее распространение получают оптические методы. К ним относятся спектроскопия анизотропного отражения (АО или RAS reflection anisotropy spectroscopy) [1. 2]. рассеивание лазерного излучения, поверхностная фотоабсорбция, эллипсометрия. генерация второй гармоники. различные разновидности ИК-спектроскопии [3]. Однако все перечисленные методы, кроме АО. не могут использоваться в исследовании собственно поверхностных слоев из-за слабого взаимодействия фотонов с веществом, которое приводит к низкой
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
поверхностной чувствительности. Метод АО развивается особенно интенсивно в основном благодаря более высокой чувствительности к свойствам поверхности по сравнению с эллипсометрией. Для метода АО характерна хорошая аппаратная совместимость с установками эпитаксиального выращивания, т. к. как для проведения измерений требуется только одно оптическое окно в реакторе, расположенное под прямым углом зрения к поверхности подложки.
В технологии молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) метод АО хорошо дополняет широко используемый метод дифракции быстрых электронов (ДБЭ) благодаря следующим преимуществам:
субмонослойная чувствительность к химическим связям.
неразрутттающее воздействие на поверхность.
большая глубина зондирования.
электромагнитная помехоустойчивость.
Имеются сообщения о наблюдении монослойньтх (МС, у GaAs 1 МС 2.83 А) ос-цилляций сигнала АО. аналогичных осцилляциям интенсивности рефлексов ДБЭ [4]. Однако в целом метод АО применительно к выращиванию гетероструктур с ультратонкими слоями толщиной в несколько МС таких, как. например, гетероструктурьт резонансно-туннельных диодов (РТД). освоен недостаточно хорошо.
В настоящей работе методами оптического нормального отражения (НО) и АО исследовался процесс выращивания гетероструктур РТД на основе системы GaAs/AlAs. Как показано в данной работе (часть I [5]), прецизионный контроль в процессе формирования активной области РТД чрезвычайно важен, поскольку, например, отклонение толщины барьерного слоя AlAs на один МС приводит к изменению плотности пикового тока на вольт-амперньтх характеристиках (ВАХ) в 2 3 раза.
Эксперимент. Гетероструктурьт РТД (табл. 1) выращивались на подложках GaAs (001) методом МПЭ на установке Цна-25 (НИТИ. г. Рязань). Скорости роста слоев GaAs и AlAs равнялись 0.19 и 0.18 нм/с. соответственно.
На оптический порт установки Цна-25, к которому в процессе выращивания рабочая поверхность подложки располагалась фронтально, был установлен спектрометр EpiRAS IR ТТ фирмы Lay Тес. С помощью спектрометра EpiRAS IR ТТ регистрировались временные зависимости и спектры сигналов НО и АО от поверхности подложки в течение процесса выращивания гетероструктур РТД. Сигнал АО представлял собой относительную разность Аг/r сигналов отражения г—ц0] и Г[ц0] с линейной поляризацией
в двух направлениях кристаллической решётки [ 110] и [110], соответственно:
Ar/r = 2(г[_По] - r[iio])/(r[-iio] + Г[По]). (1)
Диаметр зондирующего светового пучка на подложке был около 6 мм. Температура поверхности измерялась в области падения зондирующего светового пучка пирометром, встроенным в спектрометр EpiRAS IR ТТ. Структура поверхности гетероструктур контролировалась также по картинам ДБЭ.
Таблица 1
Конфигурация, гетероструктуры РТД. Выделена активная, область
Номер слоя Состав слоя Толщина, нм Концентрация электронов, 1018 см_3
7 GaAs 500 1
6 GaAs 40 не легированный
5 AlAs 2.0 не легированный
4 GaAs 4.5 не легированный
3 AlAs 2.3 не легированный
2 GaAs 10 не легированный
1 GaAs 1000 i
Подложка GaAs (001)
Исследования структуры поверхности образцов после выращивания проводились на атомно-силовом микроскопе Solver Р47 фирмы XT-MDT. Измерения ВАХ проводились с помощью анализатора параметров полупроводников 4155С (4155С Semiconductor Parameter Analyzer) фирмы Agilent на образцах с вытравленными мезаструктурами площадью 6x6 мкм2 и контактными площадками.
Экспериментальные результаты. Выращивание активной области РТД контролировалось по временной зависимости сигнала отражения на длине волны А = 500 нм (рис. 1). На рис. 1 видно, что гетерограницьт между слоями GaAs и AlAs хорошо различимы им соответствуют изломы на кривых. Наклон отрезков графиков. соответству-ютцих различным слоям ГС, даёт информацию о скорости их роста. Видно, что наклон участка кривой второго барьера AlAs больше, чем первого.
На рис. 1 представлено семейство кривых отражения, рассчитанных для данных условий роста с помощью программы Analiz-R (фирма Lay Тес), где скорость роста первого барьера Задавалась ПО калибровочным данным, полученным из измерений слоёв
1.02-1
■эксперимент У(ОаАэ) = 0.188 нм/с У(А1Аз) = 0.158 нм/с
ОаАз \ А1Аэ ! ОаАэ ; А1Аз: СаАз
1.00-
0.98-
0.960.940.92-
0.90
0.88-
0.86-
0
20
40
60
80
100
Время, с
Рис. 1: Сигнал отражения (X = 500 нм) в процессе выращивания активной области ГС РТД № 415 (нижняя кривая) и результаты компьютерного моделирования (семейство верхних кривых сдвинуто для ясности вправо; на левом интервале Г/.'А1Ав" все кривые совпадают).
А1Ай толщиной 300 нм, и составляла 0.158 нм/с, а скорость роста второго барьера варьировалась в сторону увеличения. Программа АпаИг-К основана на моделях дисперсии и отражения для многослойных структур и использует широкую базу данных оптических констант для различных полупроводниковых соединений. Сравнение экспериментальных и расчётных данных показывает, что скорость роста второго барьера составляет около 0.2 нм/с, т.е. увеличилась на 27% по сравнению со скоростью роста первого барьера. Это изменение скорости роста мы связываем с переходным процессом в работе источника А1, возникающим в результате открывания заслонки при выращивании первого барьера А1Ай. Реакция регулятора температуры источника А1, направленная на компенсацию увеличения теплоотдачи излучением из-за открывания заслонки, происходит с задержкой по времени и повышение тока нагревателя происходит при росте КЯ и второго барьера РТД. Т.к. программа роста структуры задавалась по времени в предположении неизменной скорости роста слоёв, получалось, что толщина второго барьера была приблизительно на два монослоя больше задаваемой в программе. Скорость роста КЯ также не соответствует полученной при калибровках. Это является
хорошей иллюстрацией того, что метод отражения, позволяющий измерять мгновенные скорости роста ультратонких слоёв толщиной в несколько монослоёв, является весьма востребованным в технологии таких чувствительных к размерам структур, как РТД.
Рост активной области РТД (слои 3-5, табл. 1) контролировался и методом АО. На рис. 2 видно, что на кривой временной зависимости сигнала АО на гетерограницах наблюдаются скачки, которые вызваны изменением анизотропии при смене элемента третьей группы в составе слоёв: Са^А1^Са. Гетерограницы СаАй/А^й чётко разрешаются на кривых АО, несмотря на малую толщину слоёв активной области, составляющую единицы МС.
По наблюдениям картин ДБЭ реконструкция поверхности типа (2x4) оставалась неизменной при переходах СаАй^^Ай^СаАй. Т.к. симметрия поверхности от слоя к слою не менялась, наиболее вероятной причиной возникновения наблюдаемых скачков сигнала АО следует считать изменение состава на гетерограницах.
Рис. 2: Сигнал АО (X = 500 им) в процессе выращивания активной области РТД (табл. 1).
Как следует из рис. 2, скачок сигнала АО на прямых гетерограницах СаАй/АЬ^й происходил на толщине, равной 1-2 МС, что укладывается в представление об атомарно-гладкой поверхности раздела. Данные атомно-силовой микроскопии (рис. 3(а), (б)) также подтверждают, что поверхность слоёв СаАй в процессе выращивания гетерострук-туры была атомарно-гладкой.
(а)
И-т х, пт
Рис. 3: Изображение монослойных ростовых ступеней на поверхности ГС РТДполученное на атомно-силовом микроскопе (а) и профиль поверхности (б), полученный при сканировании вдоль показанной линии.
Спад сигнала АО на обратных гетерограницах А1Ай/СаАй гораздо более пологий, что не удаётся объяснить только увеличением их шероховатости. Необходимо учитывать два обстоятельства. Во-первых, возникает так называемая поверхностная КЯ СаАй, заключенная между границей раздела "поверхность - вакуум" и барьером А1Ай. Как показано в работе [6] состояния в КЯ модифицируются под воздействием деформации, возникающей в результате реконструкции поверхности [7], что даёт вклад в анизотропию. В более тонких поверхностных КЯ эта модификация проявляется сильнее, т.к. влияние поверхности возрастает. С увеличением толщины КЯ эффект ослабевает. Такое изменение анизотропии в процессе роста слоёв 4 и 6 (табл. 1) как раз и может происходить.
Во-вторых, сигнал АО во время роста слоя А1Ай имеет составляющую от, по крайней мере, ещё одной гетерограницы СаАй/А1Ай, т.к. расстояние между ними меньше глубины проникновения света, равной в СаАй примерно 100 нм при Л = 500 им. Влияние этого фактора, по-видимому, не слишком велико, т.к. формы сигналов АО от первого и второго барьеров А1Ай в целом достаточно схожи.
Следует подчеркнуть, что поверхностные КЯ мало исследовались методом АО. Эксперименты в основном проводились в статических условиях [6], когда рост структуры остановлен, а её температура снижена до комнатной. В единственной работе [8], кото-
рую удалось найти, исследовалось АО от поверхностной КЯ ямы А1Аз/СаАз во время роста. В диапазоне энергий 2.4-2.6 эВ, что соответствует нашей длине волны Л = 500 нм, наблюдался примерно такой же затянутый спад сигнала (~7 МС) в процессе роста слоя КЯ СаАэ, как и в наших экспериментах (~10 МС). Понятно, что по спаду сигнала АО резкость гетерограницьт А1Аз/СаАз можно будет оценить только после того, как вклад указанных вьтттте факторов удастся вычленить [9].
Рис. 4: Спектры анизотропного отражения, ГС с одиночными КЯ на, основе ОаАз/Ак.зОаолАз различной ширины [10] (здесь г - сигнал отражения) (а) и разностный спектр АО, полученный нами в процессе выращивания РТД при Т = 600 °С (б). Стрелкой отмечена особенность, возникшая, в результате формирования, активной области РТД.
Таким образом, можно заключить, что используемый метод оптического мониторинга позволяет регистрировать изменение состава на прямой гетерогранице СаАз/А1Аз с разрешением по толщине около 1 МС. Причины утттирения области изменения сигнала
АО при формировании обратной гетерограницьт А1Аз/СаАз в гетероструктурах типа РТД требуют дальнейшего изучения.
Как мы уже обсуждали, в структуре с КЯ анизотропия диэлектрической проницаемости на гетерогранице СаАз/А1Аз со стороны КЯ не компенсируется анизотропией от гетерограницьт "подложка СаАз/А1Аз" из-за модификации состояний на гетерогранице в КЯ. Поэтому сформированная ГС с КЯ может проявлять оптическую анизотропию, причём зависящую от степени ограничения, т.е. от ширины КЯ. Такие исследования были проведены в работе [10]. Как видно из рис. 4(а) положение спектральных особенностей АО сдвигается по энергии в зависимости от ширины КЯ.
Амплитуда сигнала отражает величину анизотропии, которая, помимо причины, указанной вьтттте. определяется ещё и разным строением прямой и обратной гетеро-границ и их качеством. Таким образом спектры АО содержат важную информацию о структуре КЯ. что мы планируем использовать в дальнейшей разработке методики мониторинга процесса выращивания гетероструктур РТД.
Нами проведены предварительные эксперименты, в которых в процессе выращивания РТД снимались спектры АО (рис. 4(6)). Измерения проводились без остановки процесса МПЭ перед началом формирования активной области РТД (спектр 1) и сразу после её выращивания при температуре подложки 600 °С (спектр 2). На рис. 4(6) показан разностный спектр АО. полученный вычитанием спектра 2 из спектра 1. Видно. что в области 1.7 эВ на разностном спектре имеется особенность, которую можно трактовать как результат формирования активной области РТД. Такого рода спектры помогут сделать необходимые выводы о качестве получаемой ГС при наличии необходимой базы экспериментальных данных. Очень ва^кно5 что данная информация поступает непосредственно в ходе технологического процесса МПЭ. При отработке технологии выращивания можно вырастить на одной подложке много ГС РТД. просто заращивая предыдущую ГС слоем СаАв. превышающим по толщине глубину проникновения зондирующего света.
Качество изготовленных из полученных ГС образцов РТД с мезами площадью 6x6 мкм2 было достаточно высоким. При комнатной температуре они обладали хорошо выраженной Х-образной ВАХ. Отношение "пик долина" и плотность пикового тока достигали значений 3.3 и 6.6 • 104 А/см2, соответственно [11], что вполне достаточно для практических применений и соответствует лучшим мировым достижениям для РТД на основе
Заключение. Показано, что методы отражения, и в особенности АО. могут эффективно применяться для in situ исследования и контроля процесса выращивания ГС с толщиной слоев менее 10 МС таких, как. например. РТД. Методом АО зарегистрировано изменение состава слоев на прямых гетерограницах GaAs/AlAs активной области РТД с разрешением по толщине ~1 МС непосредственно в процессе выращивания. Продемонстрирована возможность оценки качества активной области РТД после завершения её формирования методом сравнительной спектроскопии АО. По временным зависимостям сигнала НО определены реальные скорости роста слоёв активной области РТД.
Сообщение о результатах данной работы опубликовано в ежемесячном электронном бюллетене компании Lay Тес с важнейшими достижениями, полученными на аппаратуре производства Lay Тес [12]. что свидетельствует о мировом уровне полученных результатов.
Работа выполнена в рамках ФЦП (ГК Л"2 16.513.11.3079) и при поддержке РФФИ (гранты № 11-02-00432-а, 11-02-12133-офи-м).
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. Л. Берковиц. Л. Ф. Иванцов. В. А. Киселёв. И. В. Макаренко. Письма в ЖЭТФ
41(11), 453 (1985).
[2] D. Е. Aspnes, A. A. Studna, Phys. Rev. Lett. 54, 1956 (1985).
[3] Optical Characterization of epitaxial semiconductor layers, edited by G. Bauer and
W. Richter (Heidelberg, Springer-Verlag, 1996).
[4] J. P. Harbison, D. E. Aspnes, A. A. Studna, et al., Appl. Phys. Lett. 52(24), 2046
(1988).
[5] И. П. Казаков, M. А. Базалевский, В. В. Капаев, В. И. Цехоттт, Краткие сообщения
по физике ФИАН 39(10), 14 (2012).
[6] L. F. Lastras-Martinez, D. Ronnow, P. V. Santos, et al., Phys. Rev. В 64, 245303 (2001).
[7] J. P. Silveira, F. Briones, J. Cryst. Growth 201/202, 113 (1999).
[8] D. E. Aspnes, J. P. Harbison, A. A. Studna, et al., J. Vac. Sci. Technol. В 6(4), 1127
(1988).
[9] О. Hunderli, J.-T. Zettler, K. Haberland, Thin solid films 472(1-2), 261 (2005).
[10] Ye Xiaoling, Y. Chen, Xu Bo, et al., Journal of Applied Physics 27, 297 (2004).
[11] И. П. Казаков, E. В. Глазырин, С. А. Савинов и др., ФТП 44(11), 1489 (2010).
[12] Lay Tec, Newsletter Xo 75, March 2011 (Lay Tec, Berlin, 2011); www.laytec.de.
Поступила в редакцию 29 мая 2012 г.
