CC BY
201
УДК 621.315.59+546.681
А.П. ОКСАНИЧ, М.Г. КОГДАСЬ, М.С. АНДРОСЮК
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛИТКОВ ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО GaAs БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
Рассматриваются вопросы усовершенствования метода, методики и аппаратуры исследования структурных и оптических характеристик слитков GaAs. Определяется распределение поглощения ИК-излучения по пластине GaAs диаметром 100мм и показывается, что в направлении <001> коэффициент поглощения отсутствует, а по направлению <011> возрастает, что обусловлено формированием аномальных оптических островков по данному направлению.
1. Введение
Арсенид галлия (GaAs) является важным полупроводником, третьим по масштабам использования в промышленности после кремния и германия. Применяется для создания сверхвысокочастотных интегральных схем, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов, фотоприёмников и детекторов ядерных излучений.
Некоторые электронные свойства СаАs превосходят свойства кремния. Арсенид галлия обладает более высокой подвижностью электронов, которая позволяет приборам работать на частотах до 250 ГГц.
Полупроводниковые приборы на основе GaAs генерируют меньше шума, чем кремниевые приборы на той же частоте. Из-за более высокой напряженности электрического поля пробоя в GaAs по сравнению с Si приборы из арсенида галлия могут работать при большей мощности. Эти свойства делают GaAs широко используемым в полупроводниковых лазерах, некоторых радарных системах. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия имеют более высокую радиационную стойкость, чем кремниевые, что обусловливает их использование в условиях радиационного излучения (например, в солнечных батареях, работающих в космосе).
По физическим характеристикам GaAs - более хрупкий и менее теплопроводный материал, чем кремний. Подложки из арсенида галлия гораздо сложнее для изготовления и примерно впятеро дороже, чем кремниевые, что ограничивает применение этого материала.
Приборы, созданные на основе легированного GaAs, обладают лучшими параметрами при высоких температурах, чем кремниевые, и лучшими параметрами на более высоких частотах, чем германиевые. GaAs, легированный хромом, используется в инфракрасной оптике. GaAs, легированный цинком или теллуром, применяют в производстве оптоэлектронных приборов [1].
Существуют три метода промышленного производства монокристаллов GaAs:
- метод Чохральского с жидкостной герметизацией расплава слоем борного ангидрида (Liquid Encapsulated Czochralski - LEC);
- метод горизонтальной направленной кристаллизации в вариантах «по Бриджмену» (Horizontal Bridgman - HB) или «кристаллизации в движущемся градиенте температуры» (Horizontal Gradient Freeze - HGF);
- метод вертикальной направленной кристаллизации в тех же двух модификациях (Vertical Bridgman - VB, Vertical Gradient Freeze - VGF).
Метод LEC остается одним из основных в производстве GaAs уже более 40 лет. Основной вариант технологии LEC - совмещенный процесс синтеза GaAs и выращивания монокристалла в установках высокого давления. Типичные значения диаметров выращиваемых слитков составляют 100 - 150 мм, появились также коммерческие кристаллы диаметром 200 мм [2].
30
Предприятия Украины, занятые производством GaAs, в основном используют для выращивания слитков метод Чохральского с жидкостной герметизацией расплава слоем борного ангидрида. При выращивании слитков арсенида галлия этим методом процесс осуществляется при достаточно больших осевых и радиальных градиентах температуры вблизи фронта кристаллизации. Это приводит к высокой плотности дислокаций, которая лежит в диапазоне от 1x104 до 2x105 см-2 в зависимости от диаметра слитка.
2. Постановка задачи
Использование GaAs для изготовления оптических элементов в ИК-разработках вызывает необходимость изучать влияние структурных несовершенств кристаллов на их оптические свойства (что наиболее важно дислокации и мелкие угловые зерна), а также внутреннего напряжения в них. Дефекты кристаллической решетки и внутренние напряжения в показателе преломления неоднородных оптических частиц уменьшают оптический коэффициент пропускания и увеличивают фракцию рассеянного излучения.
Наличие температурно-ростовых напряжений может привести к растрескиванию кристаллов как во время охлаждения (на завершающей стадии роста), так и при механической обработке. Эти эффекты наиболее ярко выражены для большого монокристалла GaAs (более чем 100 мм в диаметре), используемого для изготовления оптических передатчиков ИК-систем.
Температурные градиенты, которые провоцируют формирование дислокаций, определяются температурным распределением в растущем слитке, и для того чтобы создать оптимальные температурные условия роста, необходимо исследовать температурные поля роста кристалла и процесс формирования фронта кристаллизации.
Качественные зависимости плотности дислокаций от осевых и радиальных температурных градиентов в процессе кристаллизации известны, но во внимание нужно принять то, что структура дислокации растущего кристалла определяется полем температурного напряжения (температурного распределения) во всем диапазоне пластичности GaAs в довольно широком температурном интервале.
При решении многих практических проблем, в том числе и роста кристаллов, эффективно использовать подход, который заключается в анализе условий формирования структуры дислокаций, основанных на сравнении моделирования и расчёта термоупругого напряжения в системе с полученной путём эксперимента картиной распределения в выращенных кристаллах. Этот поход не может с высокой точностью дать количественное определение плотности дислокации в кристалле, но позволяет определить условия для того, чтобы получить слитки с низкими плотностями дислокаций, выполнить сравнительный анализ режимов роста и распознать отличия наиболее интенсивного формирования дислокаций в растущем кристалле, а также создает условия для целенаправленного изменения температурных условий роста.
3. Модернизация установки для определения внутренних напряжений
Простейшим устройством, позволяющим наблюдать картину наведенной оптической анизотропии, является плоский полярископ [3], состоящий (рис. 1) из источника света 1, поляризатора 2 и анализатора 3, между которыми помещается исследуемый объект 4. Такой полярископ позволяет визуально наблюдать картину двойного лучепреломления. В зависимости от значения угла а между осями поляризатора и анализатора различают плоский скрещенный полярископ, полярископ темного поля и параллельный (полярископ светлого поля).
1 V N
Рис. 1. Схема плоского полярископа
31
В случае скрещенного полярископа а = п /2 и интенсивность света за анализатором [4] будет равна
2 2 5
j+= sin22Р sin2 - ; (1)
в случае параллельного а = 0
2 2 5
JII = 1 - sin2 2вsin - . (2)
Здесь в - угол наклона главных площадок относительно поляризатора, а 5 - относительная разность фаз двух ортогонально поляризованных компонент излучения. Значение 5 связано с толщиной образца d и длиной волны X :
d . . dC ,
5 = 2ПХ(П2-П1) = ЇЛҐ52-51). (3)
Множители sin 2р в (1) и (2) предопределяет основной недостаток плоского полярископа: картина двойного лучепреломления искажается наложением картины изоклин [5]. Тем не менее, этот тип полярископа является незаменимым устройством при визуальном импульсном контроле качества полупроводниковых пластин [6]. Если же между измеряемой пластиной и анализатором ввести компенсатор 5 (см.рис. 1), то становится возможным и количественный контроль внутренних напряжений.
Непосредственный визуальный контроль внутренних напряжений в пластинах полупроводников не всегда возможен, так как большинство из них не прозрачны в видимой области спектра. Для визуализации картины двойного лучепреломления в ближней ИК-области спектра наиболее эффективным представляется использование телевизионной системы с ИК-видиконом.
Нами была разработана установка для измерения внутренних напряжений подобного типа (рис. 2). Рассмотрим ее устройство.
Рис.2. Структурная схема установки для измерения внутренних напряжений (1 - источник ИК-излучения, 2 - светофильтр, 3 - поляризатор, 4, 6 - длиннофокусное зеркало, 5 - образец GaAs диаметром 100 мм., 7 - анализатор, 8 - инфракрасный видикон, 9 - ТВ камера, 10 - ПК)
Излучение осветителя 1, пройдя через светофильтр 2, прозрачный в области волн X > 0,9 мкм, поляризуется поляризатором 3 и направляется зеркалом 4 на исследуемую пластину 5. Далее полученное ИК-излучение отражается от второго зеркала 6 и проходит через анализатор 7, попадает на поверхность фоточувствительного слоя ИК-видикона 8, полученное изображение обрабатывается видеокамерой и передается на ПК.
Исследование внутренних напряжений проводились на пластинах арсенида галлия диаметром 100 мм, выращенных в направлении [100], легированных хромом, с концентрацией
32
примесей 5 1014 см-3, удельным сопротивлением 107 Омсм. Пластины вырезаны перпендикулярно к направлению [100], по 2 пластины с краев слитка и по 5 пластин из средины слитка.
Каждая из пластин подвергалась двухсторонней алмазной полировке до толщины 1,2 мм.
Рентгеновским методом в плоскости пластины GaAs (100) определялись кристаллографические направления.
На рис. 3 показана картина двойного лучепреломления в пластине GaAs, сделаного с экрана монитора полярископа. Поляризационные призмы полярископа были установлены в скрещенное положение. На рисунке отчетливо виден так называемый «крест изоклин», обусловленный сомножителем sin 2в в соотношении (2). Наблюдаемая картина двулучепреломления позволяет сделать вывод о центральной симметрии полей напряжений в пластине, что обусловлено симметрией температурных полей технологических процессов, применяемых в технологии производства GaAs.
Для монокристаллов GaAs оптического применения существуют различные методы определения оптического качества. Основными параметрами являются оптическое пропускание Т, коэффициент отражения R и коэффициент поглощения а .
Спектры пропускания и отражения проводились на тех же образцах GaAs и измерялись с помощью Фурье спектрометра Infralum FT-801 в спектральном диапазоне 3-15 мкм. Исследования выполнялись при комнатной температуре по основным кристаллографическим направлениям по следующей схеме (рис. 4).
Точка А0 на рис. 4 - центр пластины, точки с индексом 1 - средина от цента пластины до ее края, точки с индексом 2 - расположены на расстоянии 10мм от края пластины. Диаметр отверстий 5мм.
Коэффициент поглощения определяется по выражению:
где R - коэффициент отражения; %; Т - коэффициент пропускания; %; h - толщина образца, мм.
На рис. 5-8 показаны рассчитанные нами по формуле (4) коэффициенты поглощения а основных кристаллографических направлений.
Как видно из рис. 5-8, оптические характеристики имеют неоднородность по площади пластины арсенида галлия, что связано, в первую очередь, с неоднородностью показателя преломления, который зависит от однородности механических характеристик в плоскости пластины. Оптическую неоднородность Да можно связать с дислокационной неоднородностью по площади пластины арсенида галлия.
(4)
[Oil]
[00
Рис. з. картина дьулучспрсломлснил в
пластине GaAs (100) диаметром 100мм
Рис. 4. Схема измерений спектров пропускания и отражения в пластинах GaAs (100) диаметром 100мм
33
Также на рис. 5 и 6 можно заметить, что коэффициент поглощения на краю пластины (точка b2) больше, чем в ее центре (точка А0). Это может быть обусловлено возникновением внутренних напряжений в данной области пластины.
Рис.5. Коэффициент поглощения а, рассчитанный по направлению [001] в пластине GaAs (100)
диаметром 100 мм
Рис.6. Коэффициент поглощения а, рассчитанный по направлению [010] в пластине GaAs (100)
диаметром 100мм
По направлениям [011] и [01 1 ] (см. рис.7, 8) значительное увеличение коэффициента поглощения отсутствует, так как в данной области внутренние напряжения уменьшаются или и вовсе отсутствуют.
4. Выводы
1. Разработана методика определения аномальных оптических областей, которая позволяет экспрессно контролировать оптические качества слитков арсенида галлия большого диаметра, применяемого в оптике.
2. Проведенные по предложенной методике исследования оптических характеристик пластины арсенида галлия ориентации (100) и диаметром 100 мм показали наличие в плоскости пластины оптических аномалий в виде локальных островков.
3. Уточнены научные данные о распределении поглощения ИК-излучения по пластине GaAs диаметром 100мм и показано, что в направлении <001> коэффициент поглощения отсутствует, а по направлению <011> возрастает, что обусловлено формированием аномальных оптических островков по данному направлению.
34
Рис.7. Коэффициент поглощения а, рассчитанный по направлению [011] в пластине GaAs (100)
диаметром 100мм
Рис.8. Коэффициент поглощения а, рассчитанный по направлению [01 1 ] в пластине GaAs (100)
диаметром 100 мм
Список литературы: 1. НаумовА.В. Обзор мирового рынка арсенида галлия // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2005. .№6. С.53-57. 2. Shenai-KhatkhateD. V. Environment, health and safety issues for sources used in MOVPE growth of compound semiconductors. / D. V. Shenai-Khatkhate, R. Goyette, R. L. DiCarlo and G. Dripps // Journal of Crystal Growth. 2004. Vol. 4. P. 816-821. 3. Метод фотоупругости: В 3 т. / Под общ. ред. Н.Л. Стрельчука. М.: Стройиздат, 1975. Т.2: Методы поляризационно упругих измерений. Динамическая фотоупругость. С. 14-45. 4. Chu T., YamadaM. Photoelastic measurement of chip-bonding induced strains by infrared polariscope // Indium Phosphide and Related Materials. 1998. P. 541 - 544. 5. FukuzawaM., YamadaM. Photoelastic characterization of Si wafers by scanning infrared polariscope // Journal of Crystal Growth. 2001. Vol. 229. P.22-25. 6. Fukuzawa M., Yamada M. Photoelastic characterization of Si wafers by scanning infrared polariscope // Journal of Crystal Growth. 2001. Vol. 229. P.22-25.
35
Поступила в редколлегию 25.08.2014 Оксанич Анатолий Петрович, д-р техн. наук, профессор, директр НИИ технологии полупроводников и информационно-управляющих систем Кременчугского национального университета им. Михаила Остроградского, зав. кафедрой информационно-управляющих систем. Научные интересы: методы и аппаратура контроля структурно-совершенных полупроводниковых монокристаллов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Первомайская, 20, тел.: (05366) 30157. Email: oksanich@kdu.edu.ua
Когдась Максим Григорович, канд. тех. наук, ст. преп. кафедры информационно-управля-ющих систем Кременчугского национального университета им. Михаила Остроградского. Научные интересы: автоматизация процессов управления производством полупроводниковых материаллов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Первомайская, 20, тел.: (05366) 30157. Email: kogdasMax@yahoo.com
Андросюк Максим Степанович, асист. кафедры информационно-управляющих систем Кременчугского национального университета им. Михаила Остроградского. Научные интересы: автоматизация процессов управления производством полупроводниковых мате-риаллов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Первомайская, 20, тел.: (05366) 30157. Email:
УДК 681.518:004.93.1’
В.В. МОСКАЛЕНКО, А.С. РЫЖОВА
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ С ОПТИМИЗАЦИЕЙ ПРОСТРАНСТВЕННОВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
В рамках информационно-экстремальной интеллектуальной технологии рассматривается способ оптимизации пространственно-временных параметров функционирования интеллектуальной системы поддержки принятия решений для управления нестационарным технологическим процессом. Определение границ квазистационарных интервалов наблюдения за технологическим процессом предлагается осуществлять на базе нормированных статистик числа попаданий признаков распознавания в свои поля контрольных допусков.
1. Введение
Основным путём повышения функциональной эффективности автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), функционирующими в условиях априорной неопределенности, является придание им свойства адаптивности на основе идей и методов машинного обучения и распознавания образов [1,2].
На практике в условиях нестационарности управляемого процесса его рабочий цикл делят на несколько временных интервалов, на каждом из которых производится обучение АСУТП [3,4]. Это позволяет уменьшить степень пересечения классов распознавания, характеризующих возможные функциональные состояния технологического процесса. Однако при этом неоптимальный выбор временных параметров обработки входных данных приводит к снижению функциональной эффективности машинного обучения. Например, при относительно больших временных интервалах могут существенно измениться начальные условия управляемого процесса, что приводит к уменьшению достоверности управляющих решений. А при неоправданном увеличении количества временных интервалов снижается оперативность обучения и статистическая устойчивость из-за отсутствия необходимого объема статистики для формирования репрезентативных обучающих выборок.
В работе предлагается информационно-экстремальный алгоритм обучения АСУТП с оптимизацией временных интервалов обработки информации для формирования управляющих воздействий на примере технологического процесса выращивания крупногабаритных сцинтилляционных монокристаллов из расплава.
2. Постановка задачи
Рассмотрим АСУТП, в состав которой входит обучающаяся система поддержки принятия решений (СППР). Пусть продолжительность технологического процесса разбита на r
36
