CC BY
13УДК 544.35.03 https://doi.org/10.33619/2414-2948/64/20
ПОЛУЧЕНИЕ ВАРИЗОННОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА Si1-xGex ИЗ ЖИДКОЙ ФАЗЫ
©Раззаков А. Ш., канд. физ.-мат. наук, Ургенчский государственный университет, г. Ургенч, Узбекистан, razzokov.a@bk.ru ©Латипова М. А., Ургенчский государственный университет, г. Ургенч, Узбекистан, latipova 1976@list.ru ©Кадиров А. Х., Ургенчский государственный университет, г. Ургенч, Узбекистан, alibek_qodirov89@mail.ru
GETTING VARIABLE-GAP SOLID SOLUTION Si1-xGex FROM A LIQUID PHASE
©Razzakov A., Ph.D., Urgench State University, Urgench, Uzbekistan, razzokov.a@bk.ru ©Latipova M., Urgench State University, Urgench, Uzbekistan, latipova_1976@list.ru
©Qodirov A., Urgench State University, Urgench, Uzbekistan, alibek_qodirov89@mail.ru
Аннотация. Приведены теоретические расчеты c использованием экспериментальных данных, а также результаты исследований зависимости состава растворов-расплавов (Sn + Ge + Si, Ga + Ge + Si) от температурного режима. Получены монокристаллические пленки варизонного твердого раствора Si1-Gex (0<x<1) на подложках Si <111> методом жидкофазной эпитаксии из ограниченного оловянного, галлиевого раствора-расплава. Найдены оптимальные технологические режимы роста, для получения кристаллических совершенных эпитаксиальных слоев и структур.
Abstract. Using experimental data, as well as using theoretical calculations, the results of studies of the composition of melt solutions (Sn + Ge + Si, Ga + Ge + Si) from temperature conditions are presented. Single-crystal films of a graded-gap solid solution Si1-xGex (0<x<1) on Si <111> substrates were obtained by liquid-phase epitaxy from a limited tin, gallium solution-melt. Optimal technological growth modes are found for obtaining crystalline perfect epitaxial layers and structures.
Ключевые слова: дислокация, эпитаксия, кластер, твердый раствор, кристаллизация.
Keywords: dislocation, epitaxy, cluster, solid solution, crystallization.
С целью совершенствования технологии получения высококачественных тонких слоев полупроводникового материала методом жидкофазной эпитаксии, с заданными электрофизическими и фотоэлектрическими свойствами, на такую дешевую подложку как кремний, является весьма актуальной.
Авторы [1-3] старались получить структурно совершенные эпитаксиальные слои
^ Ое - (812\ (Ge2)x(GaAs) у Si - К Ое - (Ов2 ) ГОаАя)
гетеропереходы 2^ху\ /у, 1-Х х \ 2А-х\ Jx,
^ х<Оех -ОаА на их основе. Для этого они исследовали технологические режимы
роста, электрические и фотоэлектрические свойства эпитаксиальных слоев ^1-х<Оех и их структур [4].
В процессе роста из жидкой фазы эпитаксиальных слоев ^1-х<Оех используются
£) ® 1
¿Td^HZZ^H Тип лицензии СС: Attribution 4.0 International (СС Bh 4.0)
Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice Т. 7. №3. 2021
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/64
кремниевые подложки, у которых параметр решетки и коэффициент термического расширения (КТР) близки к образующимся эпитаксиальным слоям. Подбирались разные методы и переменный варизонный состав твердого раствора, чтобы избежать дислокаций и микротрещин, а также частичных растворений подложек (при положении не до пересыщенного раствора к компонентам подложки) и т. д.
В этой работе, в результате исследований, использованы апробированные экспериментальные научные методы,, с помощью которых, получены экспериментальные
данные. Обычно, при выращивание твердого раствора Sii-x(Gex используются подложки с определенными наименьшими уклонами во время роста пленок из жидкой фазы, которые способствуют образованию эпитаксиальных слоев на поверхности. Любая поверхность твердого тела имеет определенную шероховатость, поэтому, поверхностная энергия распределяется неравномерно и влияет на выращивание твердого раствора на подложке, а также на образование дислокаций, которые связаны с такими технологическими параметрами, как: температура начала кристаллизации (Тнк), скорость роста (и), зазор между подложками (d), состав компонентов в растворе-расплаве, с ориентациями подложек и т. д.
Выращивание производилось из жидкой фазы. В качестве металла-растворителя использовали Pb, Sn. In иGa. Наиболее качественные слои выращивались при использовании Sn.
Подложками служили кремниевые шайбы диаметром 20 мм, с кристаллографической ориентацией (111) и (100), марки КДБ, с удельным сопротивлением 1^10 Ом-см.
Эпитаксиальные пленки на кремниевых подложках кристаллографической ориентации (111) росли хорошо, тогда как на подложках с ориентацией (100) росли очень плохо или вообще не росли.
Для выращивания варизонного твердого раствора Sil-x<Gex (0<x<1), нами был использован кварцевый реактор вертикального типа с горизонтально расположенными подложками на установке типа ЭПОС. Рост эпитаксиального слоя осуществлялся из ограниченного объема оловянного и галлиевого раствора-расплава, расположенного между двумя подложками в атмосфере, которые очищены палладием водорода, что дало возможность экономить количество расходуемого раствора-расплава. Сначала в реакторе создавался вакуум до остаточного давления 10-2 Pa, затем в течение 20 мин через реактор пропускался очищенный водород, и после этого начинался процесс нагревания. Когда температура доходила до необходимого значения, система переключалась в автоматический режим. В течение 40-60 min производилась гомогенизация раствора-расплава. Потом подложки на графитовом держателе приводились в контакт с раствором-расплавом, и после заполнения зазоров между подложками раствором-расплавом поднимались на 1cm выше уровня раствора. Рост эпитаксиальных слоев Sii-x(Gex в нужный момент прекращался сливом раствора-расплава с подложек, при помощи центрифуги [5].
Исследование химического состава поверхности и скола выращенных эпитаксиальных
слоев Sjl-xGe*, были проведены на рентгеновском микроанализаторе Jeol JSMLV-1059-Japan. Полученные растровые картины свидетельствовали о почти однородном распределении по поверхности эпитаксиального слоя, и о варизонности твердого раствора по толщине (Рисунок 1). Включения макроскопических дефектов и второй фазы в слоях пленки отсутствуют.
Тип лицензии СС: Attribution 4.0 International (СС BY 4.0)
201
Рисунок 1. Растровые картины 81 - Ое структур, снятые при помощи 1ео1 18МЬУ-1059-
1арап.
Во время выращивания при контакте подложка-раствор-расплав смачивание подложки со стороны раствора и диффузионные движения компонентов, образующих твердый раствор, способствуют росту эпитаксиальных слоев, это приведено нами в работе [6]. Это недостаточно для выращивания структурно совершенных эпитаксиальных слоев и
гетероструктур на их основе.
Проведя эксперименты, было выяснено: изменяя зазор между подложками 'М" (то есть изменяя объем раствора-расплава между подложками), при одинаковом режиме роста, выращенные эпитаксиальные слои на нижних и на верхних подложках не отличались друг от друга, с кристаллическими совершенностями на поверхности и на границе подложки-пленки до d<1,2 тт (Рисунок 2 а, б).
В условиях d>1,2 тт всегда у верхних подложек образуются толстые и более низкокачественные слои, чем у нижних, которые связаны с диффузионным и с конвекционным потоками компонентов в ограниченном растворе (если плотность растворяемых компонентов меньше плотности растворителя) [7].
Рисунок 2а. Зависимость толщины эпитаксиальных слоев (И) от величины зазора между подложками (ё): 1— на верхней, 2 — на нижней подложках, при температуре начала кристаллизации Тнк = 900 °С из оловянного раствора-расплава.
£) ® 1
¿Td^HZZ^H Тип лицензии СС: Attribution 4.0 International (СС Bh 4.0)
Рисунок 2б. Зависимость разницы толщины верхней и нижней подложки эпитаксиальных слоев (Ah), от зазора между подложками (d) при температуре начала кристаллизации Тнк = 900 °С из оловянного раствора-расплава.
Использовав формулу Эйнштейна-Смолуховского, нами теоретически рассчитано, что во время роста в растворе-расплаве, некоторые атомы успевают объединиться за счет процесса коагуляции (чем больше температура, тем больше число коагуляций) одинаковых компонентов раствора и образуют кластеры размером 1-10 nm. Эти кластеры составляют незначительную часть доли всех растворенных элементов. Ионы участвуя в процессе роста, с наименьшими концентрациями, чем в выращиваемых компонентах не разрушают монокристалличность варизонного твердого раствора [8]. Они, способствуют образованию дислокаций, как на границу подложки-пленки, так вдоль направления роста пленки, и ухудшают кристаллическую совершенность пленок и структур, соответственно — их электрофизические и фотоэлектрические свойства, являющиеся важнейшими параметрами в применении приборостроения.
Учитывая вышеуказанное, можем предположить, что атомы Si и Ge внутри раствора образуют достаточно малое число молекулярных или кластерных соединений, участвующих в кристаллообразовании, и доминируют в процессе увеличения плотности дислокаций. Особенно, на эпитаксиальных слоях пленки, выращенных на верхней подложке, что объясняется результатом силы Архимеда и тяжести, проявляется укрупнением кластера и является незначительной величиной. Хотя там доминирует диффузионный процесс атомов и молекул.
Скопление кластеров, на верхней поверхности растворов, вблизи подложек и беспорядочные диффузионные движения, способствуют их участию во время роста и соответственно образованию дислокаций.
Было исследовано морфология поверхности полученных пленок, с помощью металлографического микроскопа МИМ-8М. Подобран состав травителя (использовались смеси концентрированных плавиковой (HF), азотной (HNO3) и уксусной (CH3COOH) кислот в соотношениях 1чHF+3чHNOз+4чCHзCOOH). Для выявления дислокационных ямок травления на плоскости (111) образцы подвергали травлению в растворе, затем травитель разбавляли деионизованной водой и промывали. Для определения плотности дислокаций
£) ® 1
¿Td^HZZ^H Тип лицензии СС: Attribution 4.0 International (СС Bh 4.0)
Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice Т. 7. №3. 2021
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/64
(Nd), на каждом послойном образце было сделано 6-7 подсчетов.
Полученные экспериментальные данные показали, что плотность дислокаций (Nd)
выращенных полупроводниковых твердых растворов Sil-зависит от всех технологических параметров: от температуры роста, скорости принудительного охлаждения, ориентации и чистоты подложек, типа растворителя. Содержание кремния, начиная с
границы подложка-пленка - Sii-*Ge* вдоль направления роста уменьшается, соответственно содержание германия увеличивается и таким образом выращиваем варизонные эпитаксиальные слои, у которых ширина запрещенный зоны (AE) изменяется плавно, начиная от кремния (AEsi=1.12eV) заканчивая на германии AEGe=0.67eV).
Нами были получены, зеркальногладкие эпитаксиальные слои полупроводникового Si xGex
твердого раствора 1-x x и определены оптимальные режимы роста для выращивания
Si xGex
кристаллических совершенных 1-x x эпитаксиальных слоев из ограниченного оловянного и галлиевого раствора-расплава на монокристаллических подложках Si с ориентацией.
Список литературы:
1. Fadaly E. M., Dijkstra A., Sucker! J. R., Ziss D., van Tilburg M. A., Mao C., ... Bakkers E. P. Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys // Nature. 2020. V. 580. №7802. P. 205-209. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y
2. Jo K. W. et al. Impact of SiGe layer thickness in starting substrates on strained Ge-on-insulator pMOSFETs fabricated by Ge condensation method // Applied Physics Letters. 2019. V. 114. №6. P. 062101. https://doi.org/10.1063/L5068713
3. Saidov A. S., Usmonov S. N., Amonov K. A., Niyazov S., Khudayberdiyeva A. I. Photothermovoltaic Effect in p-Si- n-(Si 2) 1-x-y (Ge 2) x (ZnSe) y Structure // Applied Solar Energy. 2019. V. 55. №5. P. 265-268. https://doi.org/10.3103/S0003701X19050116
4. Тимофеев В. А. Морфология и структура поверхности на начальных стадиях роста пленок GeSi и GeSiSn на Si(100): дисс. ... физ.-мат. наук. Новосибирск, 2014. 171 с.
5. Сапаев Б., Саидов М. С., Саидов А. С., Каражанов С. Ж. Твердые растворы (C IV 2) 1-x (A III B V) x, полученные из ограниченного объема оловянного раствора-расплава // Физика и техника полупроводников. 2004. Т. 38. №11. С. 1285-1293.
6. Раззаков А. Ш., Курбанов Д. Ш. Зависимость дислокаций на твердом растворе Si1-xGex от температур роста на контактной фазе «твердое тело - жидкость» // РИАК-ХП-2020: Республиканская конференция. 2020. С. 275-277.
7. Боцелев С. П., Марончук И. Е., Марончук Ю. Е. Кристаллизация эпитаксиальных слоев AlGaAs из ограниченного объема раствора-расплава // Неорганические материалы. 1977. Т. 13. №5. С. 769-772.
8. Rudolph P., Jurisch M. Fundamental and technological aspects of Czochralski growth of high quality semi-insulating GaAs crystals // Crystal Growth Technology. 2003. P. 293-321. https://doi.org/10.1002/0470871687
References:
1. Fadaly, E. M., Dijkstra, A., Suckert, J. R., Ziss, D., van Tilburg, M. A., Mao, C., ... & Bakkers, E. P. (2020). Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys. Nature, 580(7802), 205-209. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y
Тип лицензии CC: Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)
204
Бюллетень науки и практики /Bulletin of Science and Practice Т. 7. №3. 2021
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/64
2. Jo, K. W., Kim, W. K., Takenaka, M., & Takagi, S. (2019). Impact of SiGe layer thickness in starting substrates on strained Ge-on-insulator pMOSFETs fabricated by Ge condensation method. Applied Physics Letters, 114(6), 062101. https://doi.org/10.1063/1.5068713
3. Saidov, A. S., Usmonov, S. N., Amonov, K. A., Niyazov, S., & Khudayberdiyeva, A. I. (2019). Photothermovoltaic Effect in p-Si- n-(Si 2) 1-x-y (Ge 2) x (ZnSe) y Structure. Applied Solar Energy, 55(5), 265-268. https://doi.org/10.3103/S0003701X19050116
4. Timofeev, V. A. (2014). Morfologiya i struktura poverkhnosti na nachal'nykh stadiyakh rosta plenok GeSi i GeSiSn na Si(100): Ph.D. diss. Novosibirsk, 171. (in Russian).
5. Sapaev, B., Saidov, M. S., Saidov, A. S., & Karazhanov, S. Zh. (2004). Tverdye rastvory (C IV 2) 1-x (A III B V) x, poluchennye iz ogranichennogo ob"ema olovyannogo rastvora-rasplava. Fizika i tekhnikapoluprovodnikov, 35(11), 1285-1293. (in Russian).
6. Razzakov, A. Sh., & Kurbanov, D. Sh. (2020). Zavisimost' dislokatsii na tverdom rastvore Si1-xGex ot temperatur rosta na kontaktnoi faze "tverdoe telo - zhidkost'". RIAK-XII-2020: Respublikanskaya konferentsiya, 275-2 77. (in Russian).
7. Botselev, S. P., Maronchuk, I. E., & Maronchuk, Yu. E. (1977). Kristallizatsiya epitaksial'nykh sloev AlGaAs iz ogranichennogo ob"ema rastvora-rasplava. Neorganicheskie materialy, 13(5), 769-772. (in Russian).
8. Rudolph, P., & Jurisch, M. (2003). Fundamental and technological aspects of Czochralski growth of high quality semi-insulating GaAs crystals. Crystal Growth Technology, 293-321. https://doi.org/10.1002/0470871687
Работа поступила Принята к публикации
в редакцию 17.02.2021 г. 22.02.2021 г.
Ссылка для цитирования:
Раззаков А. Ш., Латипова М. А., Кадиров А. Х. Получение варизонного твердого раствора Si1-xGex из жидкой фазы // Бюллетень науки и практики. 2021. Т. 7. №3. С. 200-205. https://doi .org/10.33619/2414-2948/64/20
Cite as (APA):
Razzakov, A., Latipova, M., & Qodirov, A. (2021). Getting Variable-gap Solid Solution Si1-xGex From a Liquid Phase. Bulletin of Science and Practice, 7(3), 200-205. (in Russian). https://doi .org/10.33619/2414-2948/64/20
£1 ® |
caHS^B Тип лицензии CC: Attribution 4.0 International (CC Bh 4.0)
