CC BY
42
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 621. 315.592
ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИОННО-ЛУЧЕВОГО ОСАЖДЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ А3В5
© 2011 г. А.В. Благин*, И.А. Сысоев**, М.Л. Лунина**, Д.А. Гусев*, И.С. Шошиашвили*
*Волгодонский институт Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
**Южный научный центр РАН, лаборатория солнечной энергетики, Ставрополь
*Institute of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute), Volgodonsk
** South Scientific Center RAS, Stavropol
Процесс образования пленки в результате ионно-лучевого осаждения представлен как базовый элемент технологии получения наноструктур нового типа - островковых многокомпонентных ультратонких слоев. Обсуждаются конструкция технологической установки и особенности формирования нано-размерных плёнок твердого раствора GaInPAs. Приведены результаты электронно-микроскопического анализа и исследования фотолюминесцентных свойств полученных структур.
Ключевые слова: наноразмерные структуры; ионно-лучевое осаждение; методика синтеза.
The process of forming a film as a result of iono-beam sedimentation is represented as the base element of the technology of getting nanostructures of the new type - islet multicomponents ultrathin layers. The construction of the technological installation and the peculiarities of forming nanosised films of the tough solution of GaInPAs are being discussed. The results of electronic-microscopic analysis and investigating photoluminicent properties of the structures gained are given.
Keywords: nanosised structures; iono-beam sedimentation; technique of synthesis.
Спектр возможностей формирования полупроводниковых наноструктур пока весьма ограничен. Наиболее распространенными и эффективными методами являются молекулярно-пучковая эпитаксия и газофазная эпитаксия на основе гидридов металлоорганиче-ских соединений, однако стоимость этих технологий довольна высока. Перспективным решением, на наш взгляд, в настоящее время является технология ионно-лучевого осаждения. Согласно предварительному анализу, она гораздо дешевле по сравнению с молеку-лярно-пучковой и МОС-гидридной эпитаксией; ее возможности довольно широки и недостаточно изучены [1]. С помощью ионно-лучевого осаждения (ИЛО) можно получать как металлические пленки, так и диэлектрические слои, и полупроводниковые эпитак-сиальные пленки в одной технологической камере, что в итоге значительно увеличивает количество годных изделий и уменьшает время технологического процесса.
Установка ионно-лучевого осаждения
Сущность метода заключается в распылении исходной мишени направленным ионным пучком и последующим осаждением распыленных частиц на нагретой до определенной температуры соответствующей подложке. Преимуществами технологии ИЛО
по сравнению с традиционными методами эпитакси-ального выращивания (жидкофазная, газофазная эпи-таксия) являются меньшая температура роста, экономичный расход распыляемых материалов и возможность получения слоев различных полупроводниковых структур. Особенности методики технологии ИЛО были рассмотрены в работе [2].
Для реализации технологии ИЛО в лаборатории физики полупроводников ЮРГТУ (НПИ) и в лаборатории солнечной энергетики ЮНЦ РАН была разработана и сконструирована технологическая установка, отвечающая необходимым требованиям (рис. 1). Установка представляет собой систему, включающую: герметичную рабочую камеру, ионный источник, вакуумное оборудование, силовые блоки, нагревательное устройство, устройство регулировки и контроля температуры.
Установка функционирует следующим образом: после загрузки исходной шихты и осаждаемых подложек в технологические кассеты, вакуумная камера герметизируется и производится откачка до высокого вакуума порядка 10-3 Па. Далее осуществляется ионная очистка поверхности распыляемого полупроводникового материала (мишени). По окончанию процесса очистки устанавливается требуемая температура нагрева напыляемой подложки. После этого ячейка с
соответствующей мишенью кассеты-источника совмещается с подложкой и осуществляется процесс ионно-лучевого осаждения полупроводниковых плёнок.
Рис. 1. Общий вид установки ионно-лучевого осаждения
Технологическая оснастка располагается внутри рабочей камеры (рис. 2) и включает в себя: кассету-источник, кассету с осаждаемыми подложками, ионный источник, нагреватель, охладитель, два специальных штока.
10
рабочей камере. В конструкции устройства предусмотрена возможность изменения угла наклона. Это связано с особенностями процесса распыления [3]. Ионный источник смонтирован в верхней части камеры непосредственно над кассетой-источником. На задней крышке установки расположен охладитель, который необходим для ограничения распространения тепла по объему рабочей камеры. Нагревательный элемент смонтирован в специальном углублении охладителя.
Ионный источник и система управления
В рассматриваемой установке используется источник ионов КЛАН-23М, обеспечивающий получение широкоапертурных моноэнергетичных пучков ионов инертных и химически активных газов.
Максимальный ионный ток пучка 20 мА, диапазон регулирования энергии ионов в пучке от 150 эВ до 1500 эВ. Для подачи напряжения к отдельным узлам и элементам ионного источника и обеспечения его функционирования с заданными параметрами служит система электропитания СЕФ-23М. Принципиальная схема источника ионов КЛАН-23М и системы электропитания СЕФ-23М приведена на рис. 3. Для подачи рабочего газа к ионному источнику используется система газоподачи [4].
1 2
3
4
5
6
12
Рис. 2. Схематическое изображение рабочей камеры. 1 -охладитель; 2 - теплоизолятор; 3 - кассета с напыляемыми подложками; 4 - ионный источник; 5 - ограничительный экран; 6 - кассета-источник; 7 - входной патрубок охладителя; 8 - разъем для подключения нагревателя; 9 - нагреватель; 10 - выходной патрубок охладителя; 11 - шток;
12 - фланец откачки рабочего объема
Обе кассеты закреплены на соответствующих штоках по отдельности. Штоки соединены подвижной перемычкой, что позволяет вращать обе кассеты независимо друг от друга, меняя соответствующие источники и осаждаемые подложки в ходе технологического процесса. Таким образом, в одном цикле можно производить выращивание на нескольких подложках последовательно или получать в едином цикле многослойные полупроводниковые структуры, а также пленки металлов или диэлектриков. В конструкции кассеты-источника специально предусмотрен ограничительный экран, чтобы ограничить распыление по
Рис. 3. Принципиальная схема источника ионов КЛАН-23М и системы электропитания СЕФ-23М [4]: БПК - блок полого катода, БПР - блок питания разряда, БИП - блок ионного пучка, БУЭ - Блок ускоряющего электрода; 1 - электрод-«стартер», 2 - холодный полый катод, 3 - выходной электрод, 4 - анод, 5 - газоразрядная камера, 6 - ионно-оптическая
система
Методика синтеза наноразмерных структур на основе соединений А3В5
Для получения наноразмерных структур А3В5 методом ионно-лучевого осаждения использовались исходные компоненты в твердой фазе. В качестве «рабочего» соединения был выбран твердый раствор фосфида-арсенида индия - галлия состава Gao,4Ino,lPo,4Aso,l. Бинарные соединения взвешивались на высокоточных аналитических весах в соответст-
9
вующих долях, общая масса шихты составляла 10 г. Исходные компоненты измельчались до порошкообразного состояния однородной фракции (размер зерен ~ 0,5 мм), тщательно перемешивались и спрессовывались. Готовая шихта помещалась в ячейку кассеты-источника, ориентированную под углом 45° по отношению к подложке.
В качестве подложки использовалась пластина высокочистого арсенида галлия (АГЧО) ориентации (100) с концентрацией носителей заряда порядка 21017 см-3 диаметром 35 мм. Подложки после предварительной очистки помещались в кассету, где затем создавался вакуум (остаточное давление 610-3 Па), включался нагреватель, с помощью которого достигалась необходимая температура подложки, и осуществлялся процесс синтеза полупроводниковых наноструктур.
Приведем параметры процесса ионной очистки мишени: температура подложки Тподл. = 400 °С; время очистки /очист = 30 мин; напряжение на блоке управляющего электрода иБУЭ = 200 В; напряжение на блоке ионного пучка иБИП = 180 В; напряжение и ток на блоке разряда иБПР = 55 В, /БПР = 0,45 А. По окончании процесса ионной очистки распыляемая мишень совмещалась с подложкой, и начинался собственно процесс ИЛО твердого раствора GaJn^P^As^. Режимы осаждения рассмотрены ниже. Условия осаждения: Тподл. = 550 oC, t = 4 мин., давление остаточных газов в ростовой камере P = 910-3 Па. Параметры ионного пучка в процессе ИЛО: напряжение на блоке управляющего электрода иБУЭ = 200 В, /БУЭ = 0,1 мА; напряжение и ток на блоке ионного пучка иБИП = = 1000 В, /БИП = 45 мА; напряжение и ток на блоке разряда иБРП = 56 В, /БРП = 0,8 А, напряжение и ток на блоке полого катода иБПК = 320 В, 1БПК = 0,4 А.
Результаты экспериментальных исследований
На рис. 4 и 5 приведены фотографии скола и поверхности эпитаксиальной пленки GaJn^P^As^ /GaAs (изображение получено на рентгеновском энергодисперсионном микроанализаторе EDAX Genesis).
Рис. 5. Изображение поверхности пленки GaInPAs\GaAs, сделанное на растровом электронном микроскопе
Вид поверхности образца свидетельствует о наличии равномерной эпитаксиальной пленки толщиной около 800 нм, с четкой гетерограницей. На поверхности пленки присутствует массив островков с характерными латеральными размерами от 18 до 25 нм, средней высотой 10 нм и плотностью 1,91010 см2. Данные были получены из анализа электронно-микроскопических изображений.
Как правило, на геометрические размеры островков существенно влияют условия получения их изображения методами электронной микроскопии, поэтому фигуры поверхности только качественно отображают их распределение по латеральному размеру и высоте. Однако анализ указанных фигур позволяет оценить качество полученных наноструктур как пригодное с точки зрения приборного использования.
Для оценки среднего объема островков можно использовать положение максимума ФЛ, т.е. энергию локализации электронно-дырочных пар Еехс. Спектр ФЛ выращенных островковых пленок приведен на рис. 6.
Рис. 4. Изображение скола GaInPAs\GaAs, сделанное на растровом электронном микроскопе
Рис. 6. Спектр фотолюминесценции квантовых точек островковых структур GaInPAs, выращенных методом ионно-лучевого осаждения
Энергия локализации зависит как от объема, так и от формы наноразмерного объекта. Выращивание наноструктур при температуре 550 оС приводит к коротковолновому сдвигу спектра ФЛ, т.е. можно сказать, что островки имеют приблизительно пирамидальную форму.
На рис. 7 представлены результаты исследования состава полученных пленок.
Результаты рентгеновского микроанализа свидетельствуют о том, что состав выращенной эпитакси-альной пленки соответствует составу источника.
Выводы
Метод ионно-лучевого осаждения полупроводниковых структур А3В5 можно признать перспективным в сфере технологий электронной техники. На его основе возможно получение наноразмерных структур полупроводниковых соединений А3В5, которые можно использовать для изготовления различного класса полупроводниковых приборов. Учитывая невысокую относительно традиционных методов стоимость предлагаемой методики, ее можно считать привлекательной на рынке современных технологий.
а
Element Wt% At%
PK 00.23 00.53
InL 00.92 00.58
GaK 49.47 51.27
AsK 49.38 47.62
Matrix Correction ZAF
б
Рис. 7. Результаты рентгеновского энергодисперсионного микроанализа: а - графическое изображение элементного относительной концентрации компонентов; б - элементный
состав
Поступила в редакцию
Литература
1. Сысоев И.А. Эпитаксия твердых растворов А3В5 с микро-и наноструктурой в поле температурного градиента: дис. ... д-ра техн. наук. Ставрополь, 2010. 262 с.
2. Сысоев И.А., Письменский М.В. Принципиальная конструкция ионного источника установки ионно-лучевого осаждения // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. Приложение № 9. С. 180 - 183.
3. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. М., 1984.
4. Технологический источник КЛАН-23М. Система электропитания СЕФ-23М. Система газоподачи. Техническое описание. Инструкция по эксплуатации / утв. Л.А. Гончаров; №217-2009. ОО НПК «Платар». М., 2009. 31 с.
6 июня 2011 г.
Благин Анатолий Вячеславович - д-р физ.-мат. наук, профессор, кафедра общей и прикладной физики, Вол-годонский институт Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. (8639) 27-83-87. E-mail: bla_gin@mail.ru
Сысоев Игорь Александрович - д-р техн. наук, доцент, зав. лабораторией солнечной энергетики, Южный центр РАН, г. Ставрополь. Тел. 8-919-89-16- 540.
Лунина Марина Леонидовна - канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, лаборатория солнечной энергетики, Южный центр РАН, г. Ставрополь. Тел. 8-928-755-41-21.
Гусев Дмитрий Александрович - аспирант, Волгодонский институт Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8-951-496-77-30.
Шошиашвили Ирина Сергеевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра общей и прикладной физики, Волгодон-ский институт Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Blagin Anatoly Vjacheslavovich - Doctor of Phys.-Math. Sciences, professor, Institute of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8639) 27-83-87. E-mail: bla_gin@mail.ru
Sysoyev Igor Alexandrovich - Doctor of Technical Sciences, assistant professor, South Scientific Center RAS, Stavropol. Ph. 8-919-89-16- 540.
Lunina Mariya Leonidovna - Candidate of Physico-Mathematical Sciences, South Scientific Center RAS, Stavropol. Ph. 8-928-755-41-21.
Gusev Dmitriy Alexandrovich - post-graduate student, Institute of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-951496-77-30.
Shoshiashvili Irina Sergeevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Institute of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
