CC BY
26
УДК 538.911
DOI 10.20310/1810-0198-2016-21-3-903-905
СТРУКТУРНЫЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТИ (111) МОНОКРИСТАЛЛОВ GaAs, ПОДВЕРГНУТЫХ ИНФРАКРАСНОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ
© М.В. Бойцова, П.М. Кузнецов, В.А. Федоров
Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация,
e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru
Работа посвящена исследованию структурных и морфологических особенностей поверхности (111) монокристаллов GaAs при воздействии на нее электромагнитного излучения различного диапазона длин волн. Ключевые слова: полупроводниковые материалы; импульсное лазерное излучение; микротвердость; двойники отжига.
Арсенид галлия - полупроводниковый, третий по масштабам использования в промышленности после кремния и германия. Арсенид галлия имеет хорошие теплофизические характеристики, достаточно большую ширину запрещенной зоны (1,43 эВ), высокую подвижность электронов, что делает его востребованным в микроэлектронике.
В технологиях изготовления полупроводниковых элементов используется лазерное излучение [1-2], которое вызывает нагрев полупроводников. Применение GaAs связано с продвижением в область более высоких температур эксплуатации.
Цель: исследовать влияние отжига на состояние поверхности (111) монокристаллов GaAs и изменение механических свойств.
Для исследования термического воздействия на GaAs использовали электропечь SNOL 8,2/1100. Образцы нагревали до температур 200-1000 °C, с временной выдержкой в течение 1-30 мин. Механические свойства образцов оценивали путем измерения микротвердости на микротвердомере ПМТ-3М при нагрузке на индентор Р = 100 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
*
В 4 1 J
I О
JQ0 400 МО МО 900 1000
lY
Рис. 1. Зависимость средней микротвердости (Hv) образцов GaAs от температуры (t) отжига (в течение 5 мин.)
Образцы GaAs нагревали в печи; для каждого значения температуры отжига было проведено измерение микротвердости. На рис. 1 представлены результаты экспериментов. Из графика видно, что при температуре =800 °С происходит уменьшение микротвердости до 4 ГПа. При температуре 1000 °С микротвердость уменьшается до 2 ГПа.
Отмечено, что после теплового воздействия (отжига) происходят морфологические изменения поверхности монокристаллического GaAs.
На рис. 2 представлен вид образца после термического воздействия в течение 5 мин при температуре 1000 °С. На поверхности образуются светлые пересекающиеся полосы, длина и ширина которых увеличиваются в зависимости от времени выдержки в печи. Полосы по краям образцов образуются уже при температурах 200 °С. При времени выдержки 30 мин полосы покрывают всю поверхность.
\
Рис. 2. Образец: после отжига 5 мин. (1000 °С)
Наблюдаемые светлые полосы на поверхности GaAs после термического воздействия являются двойниками отжига. Их образование связано с концентра-
ISSN 1810-0198. Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки
торами механических напряжении, в роли которых могут выступать ступеньки скола и поверхностные дефекты.
Более детальное изображение плоскопараллельных полос представлено на рис. 3. Ширина полос увеличивается при увеличении времени термического воздействия.
Появление двойников отжига связано с переориентацией кристаллической решетки в энергетически более выгодное состояние. В месте пересечения двойников наблюдается появление трещин - каналов Розе [3] (рис. 3). Вскрытие трещин происходит по плоскостям спайности {100}, которые в двойнике и в матрице ориентированы различно по отношению к плоскости наблюдения (111).
Таблица 1
Рис. 3. Область пересечения двойников отжига
Элементный состав поверхностей, свободных от двойников и в области границ двойников в образцах ОаЛ8 (Готж = 1000 °С)
Вес.% Атом.% Вес.% Атом.%
Элемент Свободная Двойниковая
пове рхность поверхность
O 10,2 33,99 25,35 59,67
Ga 40 30,58 74,65 40,33
As 49,8 35,43 - -
Рис. 4. Трехмерное изображение поверхности в месте пересечения двойников отжига
Исследования рельефа в месте пересечения двойников с использованием зондовой лаборатории Ntegra-Aura показывает наличие двойниковой ступеньки и трещины в месте пересечения двойников [4-5] (рис. 4).
Исследование элементного состава светлых полос и свободных от них участков образцов GaAs выполнено на сканирующем электронном микроскопе Quanta 200 (табл. 1). Из полученных результатов видно, что в светлых полосах отсутствует мышьяк. В области двойника кристаллическая решетка ориентирована иначе, в связи с чем проявляет другие химические свойства в сравнении с поверхностью (111). При нагреве на поверхности (111) существуют окислы мышьяка и галлия, тогда как на поверхности двойника отжига только окислы галлия (Ga2O3). Мышьяк при этом полностью сублимирует (рис. 5).
ВЫВОДЫ
Таким образом, воздействие электромагнитного излучения инфракрасного диапазона длин волн приводит к необратимым изменениям поверхности (111) GaAs. Печной отжиг сопровождается формированием двойников отжига, пересечение которых приводит к зарождению трещин. Поверхность двойников отжига имеет иную кристаллографическую ориентацию, обладающую иными физическими свойствами, в частности, низкими значениями энергии сублимации.
Исходя из сказанного следует, что существует определенная допустимая температура нагрева монокристаллов GaAs, до которой сохраняются его полупроводниковые свойства.
Рис. 5. Окислы галлия, образующиеся на границах двойников (Тотж = 1000 °С)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Dowden J.M. The Mathematics of thermal modeling an introduction to the theory of laser material processing. Chapman & Hall/CRC, 2001. 291 p.
Tribel'skii Ml. Shape of the liquid-phase surface in melting of highly absorbing media by laser radiation // Sov. J. Quantum Electron. 1978. V. 8. P. 462-466.
Федоров В.А., Тялин Ю.И., Тялина В.А. Дислокационные механизмы разрушения двойникующихся материалов. М.: Машиностро-ние-1, 2004. 336 с.
Кузнецов П.М., Федоров В.А., Васильева С.В., Барышев Г.А. О некоторых механизмах воздействия лазерного излучения на металлы // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 1. С. 249-250. Федоров В.А., Кузнецов П.М., Бойцова М.В., Скородумов П.А., Агапов А.Н. Морфологические особенности поверхности GaAs, обусловленные лазерным и термическим воздействием // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2012. Т. 17. Вып. 1. С. 128-130.
1. Часть исследований проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием БелГУ «Диагностика структуры и свойств наноматериалов».
БЛАГОДАРНОСТИ:
2. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-41-03166 р-центр-а).
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDK 538.911
DOI 10.20310/1810-0198-2016-21-3-903-905
STRUCTURAL AND MORPHOLOGICAL SURFACE FEATURES (111) SINGLE CRYSTALS GaAs, EXPOSED INFRARED RADIATION
© M.V. Boytsova, P.M. Kuznetsov, V.A. Fedorov
Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru
The work deals with the structural and morphological characteristics of the surface (111) GaAs single crystals
when exposed to electromagnetic radiation it different range of wavelengths.
Key words: semiconductor materials; pulsed laser light; micro-hardness; annealing twins.
1. Dowden J.M. The Mathematics of thermal modeling an introduction to the theory of laser material processing. Chapman & Hall/CRC, 2001. 291 p.
2. Tribel'skii M.I. Shape of the liquid-phase surface in melting of highly absorbing media by laser radiation. Sov. J. Quantum Electron, 1978, vol. 8, pp. 462-466.
3. Fedorov V.A., Tyalin Yu.I., Tyalina V.A. Dislokatsionnye mekhanizmy razrusheniya dvoynikuyushchikhsya materialov. Moscow, Mashinostronie-1 Publ., 2004. 336 p.
4. Kuznetsov P.M., Fedorov V.A., Vasil'eva S.V., Baryshev G.A. O nekotorykh mekhanizmakh vozdeystviya lazernogo izlucheniya na metally. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. Tambov, 2010, vol. 15, no. 1, pp. 249-250.
5. Fedorov V.A., Kuznetsov P.M., Boytsova M.V., Skorodumov P.A., Agapov A.N. Morfologicheskie osobennosti poverkhnosti GaAs, obuslovlennye lazernym i termicheskim vozdeystviem. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki -Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. Tambov, 2012, vol. 17, no. 1, pp. 128-130.
GRATITUDE:
1. The part of research is fulfilled with the use of equipment of Centre of Collective Use of Scientific Equipment of Belgorod State University "Diagnostics of stractur and nanomaterials features".
2. The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (grnat no. 15-41-03166 p^emp-a).
Received 10 April 2016
Бойцова Маргарита Викторовна, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент департамента лечебного дела, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru
Boytsova Margarita Viktorovna, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Associate Professor of Medical Affairs Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru
Кузнецов Петр Михайлович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель департамента лечебного дела, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru
Kuznetsov Petr Mikhaylovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Lecturer of Medical Affairs Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru
Федоров Виктор Александрович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru
Fedorov Viktor Aleksandrovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor of Theoretical and Experimental Physics Department, e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru
REFERENCES
