CC BY
95
УДК621.315.59+546.681
МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ СТРУКТУРНОГО СОВЕРШЕНСТВА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО GaAs ДИАМЕТРОМ 100 ММ
ОКСАНИЧ А.П., КОГДАСЬ М.Г.,
АНДРОСЮК М.С.____________________________
Экспериментально исследуется дислокационная структура монокристаллов GaAs (диаметром до 100 мм), выращенных методом Чохральского. Доказывается, что высокотемпературный отжиг приводит к снижению плотности дислокаций в 1,2-1,3 раза.
1. Введение
Арсенид галлия широко применяется в качестве оптического материала для линз и входных фильтров тепловизионных систем инфракрасной (ИК) техники. Функции этих систем включают регистр ацию и о бна-ружение объектов, сбор информации, аэро- и космическую навигацию, теплопеленгацию и т.д. Преимуществом систем тепловидения по сравнению с другими пассивными электронно-оптическими системами является их способность работать в любое время суток в неблагоприятных погодных условиях. Для эффективного применения приборов тепловидения требуются оптически совершенные образцы с минимальными световыми потерями, минимальным рассеянием ИК излучения и максимальной оптической однородностью, работающие в диапазоне длин волн 1,5-12 мкм.
Применение арсенида галлия для изготовления оптических элементов инфракрасной техники обусловливает необходимость детального изучения влияния на оптические свойства, в частности, на рассеяние, дефектов кристаллической решетки материала (прежде всего дислокаций и малоугловых границ), а также внутренних напряжений в кристаллах. Рассеяние ИК излучения в арсениде галлии является причинойумень-шения контраста изображения и может приводить к существенному ослаблению светового потока. Кроме того, для высококачественных монокристаллов арсенида галлия величина рассеяния в области прозрачности сопоставима с поглощением, а для коротковолновых участков диапазонов прозрачности -вблизи краев фундаментального поглощения - даже может превосходить поглощение.
2. Постановка задачи
Изучением дефектов, в частности дислокаций, в полупроводниках занимались интенсивно и плодотворно в 60-80 годах прошедшего столетия, опубликовано значительное число работ. На этом этапе были установлены основные свойства “чистых” дислокаций (т.е. дислокаций, почти не содержащих атомов примесей). Научились получать бездислокационный кремний и избегать генерации дислокаций в процес-
се. Новая волна интереса к дислокациям определяется несколькими причинами, основные из них: в ряде случаев дислокации в кристаллах необходимы; материал с наличием дефектов (в том числе и дислокациями) может быть существенно более дешевым в производстве, обладая относительно высокими техническими параметрами (свойствами).
Ранее проведенные теоретические разработки не смогли достаточным образом описать реальную дислокационную структуру монокристаллов: нет однозначной количественной связи напряжений и плотности дислокаций, не достаточно определена взаимосвязь влияния осевого и радиального температурных градиентов на дислокационную структуру, почти не рассмотрено влияние температурной обработки на дислокации и дислокационные дефекты. Создание новых технологий и совершенствование известных привело к существенному повышению структурного качества кристаллов, увеличению размеров выращиваемых кристаллов. Возникают новые применения материала с новыми свойствами. Все в целом ставит проблему изучения дислокаций и дислокационной структуры, их влияния на свойства арсенида галлия на новый уровень.
Целью данной работы является исследование условий возникновения дислокаций и дислокационных дефектов в монокристаллах арсенида галлия. В связи с этим были поставлены следующие основные задачи:
- исследование дислокационной структуры монокристаллов полуизолирующего арсенида галлия, применяемых в ИК оптике;
- исследование влияния высокотемпературного отжига на дислокационную структуру монокристаллов полуизолирующего арсенида галлия;
3. Исследование распределения плотности дислокаций в пластине GaAs диаметром 100 мм
Все дефекты, присутствующие в полупроводниках, можно разделить на несколько категорий по их размерам и форме: нульмерные, одномерные, плоские и объемные. Существует несколько типов точечных или нульмерных дефектов: вакансии и собственные межузельные атомы, примесные атомы в позициях замещения и в межузлиях (соответственно замещения и внедрения). Собственные точечные дефекты являются равновесными дефектами и становятся неравновесными, если вводятся облучением или закалкой. Собственные точечные дефекты имеют наименьшие по сравнению с другими дефектами размеры (порядка атомных размеров) и вызывают незначительные искажения в решетке. Поэтому эти дефекты очень трудно наблюдать непосредственно. Однако их присутствие может заметно влиять на атомные процессы диффузии, а следовательно и на процессы, зависящие от времени, например на преципитацию примесей. Преципитаты, в свою очередь, могут существенно изменить электрические свойства материала, а создаваемые ими локальные поля деформации -механические свойства материала [1].
Дислокации - одномерный дефект кристаллической решетки. Дислокационная линия не прерывается в кристалле, а всегда заканчивается на поверхностях раздела, которыми могут служить включения, границы зерен или поверхность кристалла. Таким образом, размеры дислокаций в одном измерении могут достигать размеров кристалла, а в другом - перпендикулярном к линии дислокации - находятся на атомном уровне. Дислокации играют значительную роль в процессах пластичности. Велико их влияние и на электрические свойства полупроводниковых материалов и структур. Взаимодействуя с собственными точечными дефектами и примесями, дислокации локально изменяют концентрацию последних. В свою очередь, это взаимодействие отражается на скорости перемещения дислокаций в процессе пластической деформации.
Выбор определенного метода для наблюдения того или иного дефекта определяется соотношением размеров дефектов и разрешающей способности метода и механизмом формирования контраста на дефектах, знание которого позволяет правильно интерпретировать результаты наблюдений и, следовательно, получать наиболее полную информацию о дефектах.
Методы визуализации дислокаций в полупроводниках могут быть классифицированы следующим образом:
1) выявление мест выхода дислокаций на поверхность кристалла с помощью избирательного травления и наблюдения в оптическом микроскопе;
2) наблюдение дислокаций в объеме кристалла:
- в инфракрасной области спектра,
- с помощью рентгеновских лучей,
- электронно-микроскопически на просвет,
- с помощью сканирующей электронной микроскопии в режиме наведенного тока.
Среди различных методов наблюдения дислокаций метод селективного травления и световой микроскопии нашел широкое применение вследствие своей простоты и доступности. Разрешение этого метода достигает ~0,5. мкм, что является вполне достаточным для наблюдения фигур травления на таких дефектах, как дислокации, дефекты упаковки, скопления кластеров точечных дефектов. Контраст на дефектах в световой микроскопии связан с изменением интенсивности отр аженного света от деталей поверхности, имеющих разный наклон в области фигур травления на дефектах, выявленных химическим избирательным травлением.
Метод оптической микроскопии позволяет надежно обнаружить дислокации, возникающие как при росте монокристаллов полупроводниковых материалов, так и при их обработке в процессе изготовления приборов. Установление однозначного соответствия между дислокациями и ямками тр авления дало возможность исследовать основные свойства дислокаций в полу-
проводниковых кристаллах, определяющие их поведение при механических и термодиффузионных обработках материала в процессе изготовления полупроводниковых приборов.
Исследование распределения плотности дислокаций проводилось на пластинах GaAs диаметром 100 мм. вырезанных из верхней, нижней и средней частей слитка, выращенных методом Чохральского в направлении (100).
Для выявления ямок травления были выбраны специальные полирующие и селективные тр авители. В качестве полирующего травителя использовали состав HF:HNO3:CH3COOH:KBr. В качестве селективного травителя применялся состав KOH:K3Fe(CH)6:H2O. Травление проводилось 5 мин. в кварцевом стакане при температуре 82°С.
Для наблюдения и регистрации изображений поверхности образцов использовался микроинтерферометр МИИ-4, снабженный видеокамерой, подключенной к ПЭВМ.
Измерения производились по всей поверхности пластины, по основным кристаллографическим направлениям с шагом 5мм.
Проведенные опыты показали, что результаты селективного травления GaAs заметно варьируют как от кристалла к кристаллу, так и при переполировках одного и того же образца. Нестабильность процесса обусловлена в первую очередь трудно контролируемыми изменениями температуры образца и состава растворов для химической полировки и травления. К числу артефактов относятся фигуры травления и релье ф поверхности, не связанные с дислокационной структурой материала, а также слияние дислокационных ямок травления между собой.
Полученные результаты измерений представлены на рис. 1-3.
Рис. 1. Распределение плотности дислокаций в пластине GaAs из нижней части слитка
Рис. 2. Распределение плотности дислокаций в пластине GaAs из средней части слитка
Рис. 3. Распределение плотности дислокаций в пластине GaAs из верхней части слитка
Как видно из рис. 1-3, в пластине, вырезанной из нижней части слитка (см. рис. 1), самая большая плотность дислокаций, которая достигает 2^105 см-2. В пластине, вырезанной из середины слитка (см. рис. 2), плотность дислокаций снижается почти в половину: 1,6«105 см-2. В пластине, вырезанной из верхней части слитка (см. рис. 3), самая низкая плотность дислокаций: 1,Ы05 см-2. Если сравнивать ее с плотностью дислокаций в нижней части слитка, то она снизилась почти в два раза.
Также из рис. 1-3 видно, что плотность дислокаций носит островковый характер. Островки распределены вдоль определенных кристаллографических направлений <001>, а вдоль направлений <011> плотность имеет достаточно малые значения.
РИ, 2014, № 4
Совокупность структурных дефектов в арсениде галлия в виде дислокаций приводит к локальным неоднородностям диэлектрической проницаемости (фотоупругости) и является источниками различных оптических аномалий.
Дислокации, образовывающиеся под воздействием термоупругих напряжений [2], которые, в свою очередь, являются следствием неоднородного распределения температур, являются основным источником оптических аномалий в GaAs. Снижение концентрации структурных дефектов при выращивании слитков GaAs большого диаметра возможно при автоматическом регулировании, прежде всего, температурных условий роста - температурных градиентов и переохлаждения в расплаве; контроле формы фронта кристаллизации, автоматическом поддерживании диаметра растущего слитка с большой точностью.
Также неравномерное распределение плотности дислокаций в пластинах GaAs большого диаметра приводит к двулучепреломлению, что для кубических монокристаллов означает проявление анизотропии показателя преломления, что подтверждается результатами наших исследований.
4. Исследование влияния высокотемпературного отжига на плотность дислокаций в пластинах GaAs, легированных хромом
В большинстве технологических процессов производства приборов на основе GaAs применяется термическая обработка. Известно, что такие меры приводят к изменениям в свойствах кристалла, вызванных процессами релаксации механических напряжений в них, созданию и перераспределению структурных дефектов в процессе термической обработки [3-5].
Это особенно актуально для пластин полуизолирующего арсенида галлия большого диаметра, для которого является гетерогенным распределение электрических характеристик и механических напряжений по диаметру [3].
Кристаллы полуизолирующего арсенида галлия помещались в специально разработанные вакуумные печи. Образцы размещались в кварцевом контейнере, который был установлен в кварцевой трубе, подключенной к вакуумной системе. После откачки до дав-ёа ёу ~ 10-2 Па производился отжиг при температуре 550°С на протяжении 30 минут.
Выбор режимов термического отжига обусловлен следующими соображениями. Во-первых, как было показано в [6], отжиги до температур ниже 600°С на протяжении времени t<3 часа не имеют существенного влияния на поверхность кристалла GaAs. При более высоких температурах отжига поверхность кристалла необходимо защищать слоем диэлектрика, чтобы предотвратить выход As из образца. Во-вторых, интервал температур 400 - 600°С является оптимальным с точки зрения существенного изменения свойств кристаллов GaAs, не только при долгосрочных отжигах [7], но и во время быстрого теплового отжига [8].
Результаты исследования дислокационной структуры после отжига показали уменьшение средней плотности дислокаций, но распределение дислокаций по сечению в этом случае оказалось неравномерным.
Высокотемпературный отжиг пластин GaAs привел к снижению плотности дислокаций в 1,2-1,3 раза (таблица). Максимальные оптические аномалии фиксировались в областях с максимальной плотностью дислокаций.
Образец Время отжига
20мин 30мин 40ми н
Верх слитка В105 см-2 0,9^ 105 см-2 0,8005 см-2
Средина слитка 1,4005 см-2 1,3005 см-2 1,2005 см-2
Низ слитка 1,9005 см-2 1,65Л05 см-2 1,5005 см-2
5. Выводы
1. Экспериментально исследована дислокационная структура монокристаллов GaAs (диаметром до 100 мм), выращенных методом Чохральского.
2. Получены экспериментальные данные по величине плотности дислокаций и распределению дислокаций по кристаллам GaAs.
3. Установлено, что высокотемпературный отжиг приводит к снижению плотности дислокаций в 1,2-1,3 раза.
Литература: 1. Концевой Ю. А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982. 240 с. 2. Jordan A. S., Caruso R., VonNeida A. R., Nielsen J. W. A comparative study of thermal stress induced dislocation generation in pulled GaAs, InP, and Si crystals // J. Appl. Phys. 1981. Vol. 52. P. 3331-3337. 3. Jin N. Y., Fan C., Lin D., Lin T. The effects of thermal annealing on defect configurations in SI-GaAs // Materials Letters. 1988. Vol. 7. № 73. P. 278-280. 4. IshiwaraH., T. Hoshino, Katahama H. Formation of strain-free GaAs-on-Si structures by
annealing under ultrahigh pressure // Materials Chemistry and Physics. 1995. Vol. 40. P. 225-229. 5. TaylorP. C., Bray P. J. Hyperfine interaction of adsorbed O2 ? with GaAs surface atoms // J. Appl. Phys. 2002. Vol. 90. P. 305-312. 6. Терлецкая Л. Л., Копыт Н. Х., Голубцов В. В. // Особенности улучшения структурно-чувствительных параметров сенсоров на основе гетерогенных дисперсных систем // Физика аэродисперсных систем. 2010. Вип. 47. С. 154-159. 7. Коршунов Ф. П., Богатырев Ю. В., Ластовский С. Б. и др. Радиационные эффекты в технологии полупроводниковых материалов и приборов // Актуальные проблемы физики твердого тела (ФТТ - 2003) : материалы Меж-дунар. науч. конф., (Минск, 4-6 ноября 2003 г.). Минск : Бел. наука, 2003. С. 332-364. 8. Atanassova E. D., Belyaev A. E., Konakova R. V. et. al. Effect of active actions on the properties of semiconductor materials and structuctures // Kharkiv: NTC «Inst. for Single Crystals», 2007. 216 p.
Поступила в редколлегию 25.12.2014
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Слипченко Н.И.
Оксанич Анатолий Петрович, д-р техн. наук, профессор, директор НИИ технологии полупроводников и информа-ционно-управляющих систем Кременчугского национального университета имени 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: [email protected]
Когдась Максим Г ригорьевич, канд. техн. наук, ст. преп. кафедры информационно-управляющих систем Кременчугского национального университета имени Михаила Остроградского. Научные интересы: автоматизация процессов управления производством полупроводниковых материаллов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Первомайская, 20, тел.: (05366) 30157. Email:
Андросюк Максим Степанович, ассист. кафедры инфор-мационно-управляющих систем Кременчугского национального университета имени Михаила Остроградского. Научные интересы: автоматизация процессов управления производством полупроводниковых материаллов. Адрес: Украина, 39600, Кременчуг, ул. Первомайская, 20, тел.: (05366) 30157. Email: [email protected]
