CC BY
65
УДК 621.315.592
М.І. КЛЮЙ, М.Г. КОГДАСЬ, А.І. ЛІПТУГА, В.Б. ЛОЗІНСЬКИЙ,
А.П. ОКСАНИЧ, С.Е. ПРИТЧИН
ВПЛИВ ТЕРМІЧНИХ ВІДПАЛІВ НА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛАСТИН НАПІВІЗОЛЮЮЧОГО АРСЕНІДУ ГАЛІЮ, ЛЕГОВАНИХ ТЕЛУРОМ
Досліджуються оптичні властивості пластин напівізолюючого арсеніду галію, легованого телуром до і після технологічних обробок. Особлива увага приділяється вивченню впливу термічного відпалу пластин на їх оптичні властивості в інфрачервоній області спектра. Відпали виконувались у вакуумі при температурі 550 оС протягом 30 хвилин. В результаті проведених досліджень встановлено, що завдяки застосуванню довготривалої (30 - 60 хвилин) обробки вихідних пластин в плазмі водню їх деградаційна стійкість покращується не тільки до дії високочастотних та мікрохвильових обробок, але і до дії довготривалого термічного відпалу.
Вступ
Арсенід галію є одним з базових матеріалів сучасної мікроелектроніки і широко застосовується у виробництві інтегральних мікросхем та приладів НВЧ- електроніки [1]. Високі значення показника заломлення та низьке поглинання в широкому спектральному діапазоні робить GaAs перспективним матеріалом сучасної інфрачервоної (ІЧ) оптики. Як підкладин-ки для інтегральних мікросхем та при виготовленні оптичних елементів ІЧ- оптики використовують напівізолюючий арсенід галію (АГНІ). В більшості технологічних процесів виготовлення приладів на основі GaAs застосовуються термічні обробки. Відомо, що такі обробки призводять до змін властивостей пластин, викликаних процесами релаксації механічних напружень в них, генерації та перерозподілу структурних дефектів у процесі термообробки [2-8]. Це є особливо актуальним для пластин АГНІ великого діаметра, для яких спостерігається неоднорідний розподіл електричних характеристик і механічних напружень по діаметру [2]. Те саме стосується плівок GaAs на Si [4-8], оскільки через відмінності в постійних гратки плівки і підкладинки в таких структурах виникають дислокації невідповідності. В зв’язку з цим для отримання ненапружених структур застосовуються спеціальні підходи, наприклад, відпал в умовах надвисокого тиску [4]. Для зменшення густини дислокацій в роботі [5] на Si підкладинку осаджувався буферний шар стехіометричного GaAs при підвищеній температурі.
В роботі [8] після швидкового термічного відпалу пластин GaAs при 825 оС не спостерігалось появи скупчень дефектів, на відміну від епітаксіальних плівок. Відпал пластин АГНІ в потоці Н2 при температурі 850оС протягом 7 годин призводить до суттєвого зменшення густини дислокацій, що спостерігалось методом просвічуючої електронної мікроскопії [3]. Крім відпалів у газовому середовищі також застосовується відпал у вакуумі. Так, в роботі [9] досліджувались властивості плівок GaAs, отриманих на Si підкладинках методом імпульсної лазерної абляції. Було встановлено, що вакуумний відпал змінює стехіометричний склад плівок, призводить до анігіляції дефектів та перетворює їх у комплекси. Крім умов обробок, на зміну властивостей АГНІ може впливати тип компенсуючої домішки [9].
Таким чином, питання впливу термічних обробок на GaAs є складним і потребує ретельного дослідження в кожному конкретному випадку залежно від типу зразків, технології і режимів відпалу. Тому метою даної роботи є дослідження впливу традиційного термічного відпалу на властивості пластин АГНІ, легованих телуром, на їх оптичні властивості в ІЧ області спектра та встановлення відповідних фізичних механізмів змін цих властивостей.
1. Експеримент
В роботі досліджувались пластини АГНІ з орієнтацією (100), леговані телуром з питомим
опором 1-107 Ом • см , які були вирощені методом Чохральского з рідинною герметизацією. Високочастотна (ВЧ) обробка зразків виконувалась в пламовому реакторі установки PE -
136
CVD (plasma - enhanced chemical vapor deposition) згідно з процедурою, описаною в [10]. Мікрохвильові (МХ) обробки виконувались на установці на основі магнетрона з питомою
вихідною потужністю 1,5 Вт / см2. Обробки проводились в робочій камері магнетрона на повітрі у вільному просторі на частоті 2,45 ГГц. Спектри пропускання та відбивання досліджуваних зразків вимірювались за допомогою Фур’є спектрометра Infralum FT-801 в спектральному діапазоні 5-15 мкм. Дослідження виконувались при кімнатній температурі. Пластини АГНІ відпалювались у спеціально розробленій вакуумній пічці. Зразки поміщались в кварцовий контейнер, який встановлювався в кварцову трубу, з’ єднану з вакуумною системою. Після відкачки до тиску ~10-2 Па виконувався відпал при температурі 550 оС протягом 30 хвилин.
Вибір режимів термічного відпалу обумовлений наступними міркуваннями. По-перше, як було показано в [11], відпали до температур нижче 600 оС протягом часу t<3 годин суттєво не впливають на стан поверхні пластини GaAs. При вищих температурах відпалу поверхню пластини необхідно захищати шаром діелектрика, щоб запобігти виходу As з об’єму зразка. По-друге, інтервал температур 400-600 оС є оптимальним з точки зору суттєвої модифікації властивостей пластин GaAs, причому не тільки при довготривалих відпалах [12], але і під час швидких термічних відпалів [13]. Зокрема, в [12] було показано, що відпал нейтронно-легованих пластин n-GaAs в інтервалі температур 400-600 оС , який виконувався в атмосфері водню або азоту протягом 1 години, викликав зниження питомого опору більш ніж на 6 порядків. Отже, пластина, яка після ядерного опромінення з точки зору питомого опору набувала фактично властивостей напівізолюючого матеріалу, після відпалів відновлювала свої властивості завдяки відпалу радіаційних дефектів.
2. Результати та обговорення
На рис.1 наведено спектри відбивання і пропускання вихідного і відпаленого зразка АГНІ, легованого Те.
Рис. 1. Спектри пропускання (суцільні лінії) та відбивання (пунктирні лінії) зразка №93/4: 3/4 - вихідний;
3/4-f - зразок 3/4 відпалений при 550 оС протягом 30 хвилин у вакуумі
Видно, що в результаті відпалу відбувається падіння пропускання в усьому дослідженому спектральному інтервалі. Цікаво відзначити, що в діапазоні 9-15 мкм падіння пропускання відбувається практично не селективно, тоді як в діапазоні 4-9 мкм формується чітко виражена асиметрична смуга поглинання з вираженим мінімумом при Я =5 мкм. Загалом, падіння пропускання в результаті відпалу обумовлено генерацією структурних дефектів внаслідок відпалу і релаксації механічних напружень в пластині [12, 15]. При цьому неселек-тивне падіння пропускання в довгохвильовій області спектра визначається, ймовірно, утворенням складних комплексів дефектів [3] і/або цілих дефектних зон. В той же час, широка асиметрична смуга поглинання може бути обумовлена утворенням ряду більш простих
137
дефектів, що формують відповідні рівні в забороненій зоні пластини як поблизу вершини валентної зони, так і близько дна зони провідності. Висновок про те, що таких рівнів може бути багато, підтверджується різко вираженою асиметрією смуг поглинання в області 4-9 мкм. Як показано в роботах [6, 7], такими дефектами можуть бути як дефекти, наявні в пластинах до відпалу і кількість яких зростає в результаті відпалу, так і ті, які генеруються,
починаючи з чітко визначеної температури відпалу. Дефектами першого типу є Ej (EC-
0,16 еВ), E2 (EC -0,21 еВ), які визначають так звану “minority zone”, та дефекти типу EL2, HM1 та HAS [6, 7]. Дефекти другого типу виникають тільки при температурах відпалу >525
0 K n-GaAs [6] і в p-GaAs [7]. Всі ці дослідження були виконані авторами [6, 7] методом DLTS (deep level transient spectroscopy). Деякі з дефектів, що спостерігались, були співставлені з відомими з літератури дефектними рівнями, в той час як інші залишились неідентиф-ікованими, що свідчить про дуже складну поведінку дефектної підсистеми пластин GaAs під час термічних відпалів.
Відзначимо, що коефіцієнт відбивання відпаленої пластини в області 4-6 мкм є практично незмінним, що свідчить про те, що падіння пропускання в цій області обумовлене виключно
об’ємними властивостями матеріалу. Плавне зростання R, починаючи з X =6 мкм на ~ 3% при X =8 мкм, і далі, неселективна його поведінка можуть свідчити про зміни оптичних властивостей приповерхневої області в результаті відпалу. З іншого боку, виходячи з динаміки зміни коефіцієнта відбивання при відпалі, очевидно, що реальне падіння пропускання зразка, обумовлене зростанням поглинання в об’ємі зразка, є суттєво меншим.
З представлених на рис. 2 результатів, отриманих для зразка АГНІ, який перед термічним відпалом пройшов складну багатостадійну високочастотну та мікрохвильову обробку, можна зробити такі висновки.
Рис. 2. Спектри пропускання (суцільні лінії) та відбивання (пунктирні лінії) зразка .№4: 4 - вихідний; 4-7 - зразок 4 після двостадійної ВЧ обробки загальною тривалістю 119 хв. + багатостадійної мікрохвильової обробки загальною тривалістю 10 хв.; 4-f - зразок 4-7, відпалений при 550 0 C протягом 30 хвилин
у вакуумі
Зразок перед відпалом характеризувався суттєво нижчим пропусканням і відбиванням (спектри 4-7 на рис. 2), порівняно з вихідним зразком. Після відпалу в області 8-16 мкм відбивання обох зразків відрізнялось не суттєво. В той же час, пропускання обробленого зразка (рис. 2 ,спектр 4-f) в цьому спектральному діапазоні виявилось суттєво меншим, ніж необробленого зразка (рис. 1, спектр 1-f). Цікаво відзначити, що відмінність в пропусканні є близькою до зменшення пропускання після ВЧ і МХ обробок (рис. 2, спектри 4 і 4-7). Це є додатковим підтвердженням правильності моделі, запропонованої для інтерпретації резуль-
138
татів робіт [11-12, 14], в яких відзначалась можливість формування дефектних комплексів в АГНІ внаслідок термічного розігріву пластини під дією ВЧ та МХ обробок. В той же час, практично однакове пропускання обох зразків після відпалу в області селективного поглинання (X =4-7 мкм) свідчить про незалежність процесів формування глибоких дефектних рівнів від вихідного стану пластини.
Зрозуміло, що різке погіршення пропускання пластини в області X =4-7 мкм є негативним явищем, якщо враховувати необхідність проведення термообробок в процесі виготовлення приладів на основі АГНІ або експлуатацію вже готових приладів в умовах достатньо високих температур. В зв’язку з цим пошук шляхів покращення стійкості пластин АГНІ до дії обробок, в тому числі термічних, є, безумовно, актуальним. В [10, 14] з цією метою було запропоновано використовувати плазмові обробки. В даній роботі ми розвинули цей підхід, запропонувавши використовувати більш довготривалі обробки в плазмі водню, порівняно з використаними в роботах [10, 14], аналогічно тому, як це було зроблено в [9] для покращення стійкості пластин АГНІ до дії ВЧ та МХ обробок. Отримані нами результати наведені на рис. 3, 4.
Як видно з рис. 3, кристал АГНІ, який був оброблений в плазмі водню протягом 30 хв., виявився більш стійким не тільки до дії ВЧ та МХ обробок, але і до довготривалого вакуумного відпалу не лише порівняно із зразком, що пройшов тільки ВЧ та МХ обробки,
Рис. 3. Спектри пропускання (суцільні лінії) та відбивання (пунктирні лінії) зразка N° 1: 1 - вихідний; 1-1 - зразок 1 після обробки в плазмі Н+ протягом 30 хв.; 1-7 - зразок 1-1 після двохстадійної ВЧ обробки загальною тривалістю 119 хв. + багатостадійної мікрохвильової обробки загальною тривалістю 10 хв.;
1-f - зразок 1-7, відпалений при 550 0 C протягом 30 хвилин у вакуумі
Дійсно, з рис.3 (спектр 1-f) видно, що пропускання даного зразка після відпалу в області 8-16 мкм практично збігається з пропусканням вихідного, необробленого зразка (рис. 3, спектр 3/4-f), та суттєво перевищує пропускання зразка, що пройшов до відпалу ВЧ і МХ
обробки (рис. 2, спектр 4-f). Більше того, в області X =4-8 мкм пропускання плазмово обробленого зразка після відпалу набагато перевищує пропускання навіть вихідного зразка відпаленої пластини. Це особливо проявляється в області мінімуму пропускання, де відповідні значення становлять ~ 33% для вихідного і ~ 42% для плазмово-обробленого зразка. Цей результат свідчить про можливість покращення стійкості АГНІ навіть до довготривалих термічних відпалів за рахунок застосування плазмових обробок, як це спостерігалось в [10, 14] по відношенню до ВЧ обробок, та швидкого термічного відпалу в [10, 11] до ВЧ та МХ обробок. Механізм такого впливу є подібним до того, який був запропонований нами раніше [10, 14], тобто прості дефекти, які генеруються в об’ємі пластини під час відпалу і внаслідок чого відбувається релаксація внутрішніх механічних напружень, рухаються в напрямку
139
поверхні, де можуть анігілювати з простими дефектами, створеними плазмовою обробкою. Руху дефектів сприяє градієнт механічних напружень між радіаційно-розупорядкованим поверхневим шаром і об’ємом. Результати, наведені на рис. 4, показують, що завдяки збільшенню часу плазмової обробки може бути покращена стійкість АГНІ навіть нижчої якості.
Рис. 4. Спектри пропускання (суцільні лінії) та відбивання (пунктирні лінії) зразка .№2: 2 - вихідний; 2-1 - зразок 1 після обробки в плазмі Н+ протягом 60 хв.; 2-7 - зразок 2-1 після двохстадійної ВЧ обробки загальною тривалістю 119 хв. + багатостадійної мікрохвильової обробки загальною тривалістю 10 хв.;
2-f - зразок 1-7, відпалений при 550 0 C протягом 30 хвилин у вакуумі
Дійсно, як видно з рис. 4 (спектр 2), даний вихідний зразок має суттєво нижче пропускання порівняно із вихідним зразком, спектри якого наведені на рис. 3 (спектр 1). Разом з тим, після всіх обробок, включаючи відпал, пропускання обох зразків було практично однаковим (рис. 3, 4, спектри 1-f, 2-f). Необхідно також відзначити, що спектри відбивання цих зразків після всіх обробок (рис. 3, 4, спектри 1-f, 2-f) є близькими до спектра відбивання вихідної пластини після відпалу (рис. 1, спектр 3/4-f) за виключенням області X =4-6 мкм. Відмінності в спектрах відбивання в цій області для зразків №3/4, 1 і 2 обумовлені змінами властивостей приповерхневого шару АГНІ під дією відпалу, оскільки завдяки вакуумним умовам відпалу і відсутності азоту формування шару GaN на поверхні (як це мало місце в [12]) можна виключити.
Висновки
1. Запропоновано механізм впливу термічного відпалу в вакуумі на оптичні властивості пластин АГНІ, легованих телуром, в ІЧ області спектра, який враховує процеси генерації структурних дефектів і релаксації внутрішніх механічних напружень.
2. Показано, що завдяки застосуванню довготривалих обробок в плазмі водню стійкість пластин напівізолюючого арсеніду галію до тривалих термічних обробок може бути суттєво покращена. Розглянуто механізм даного ефекту.
Список літератури: 1. Арсенид галлия в микроэлектронике / Под ред. Айспрука Н., Уиссмена У.-М.: Мир, 1988. 555 с. 2. Liu H., Sun W., Hao Q.[et al.] Effects of thermal annealing on the electrical properties of large diameter semi-insulating gallium arsenide // J. of alloys and compounds. 2009. V.475. P.923-925. 3. Jin N. Y., Fan C., Lin D. (T.L. Lin) The effects of thermal annealing on defect configurations in SI-GaAs. // Materials Letters.1988. V.7, № 73. P. 278-280. 4. Ishiwara H., Hoshino T., Katahama H. Formation of strain-free GaAs-on-Si structures by annealing under ultrahigh pressure // Materials Chemistry and Physics. 1995. V.40. P.225-229. 5. Taylor P.J., Jesser W.A., Benson J.D. Optoelectronic device performance on reduced
140
threading dislocation density GaAs/Si // J. Appl.Phys. 2001. V. 89. P. 4365-4375. 6. Nazir A. Naz, Umar S. Qurashi, M. Zafar Iqbal Thermal annealing study of as-grown n-type MOCVD GaAs // Physica B: CondensedMatter. 2007. V.401-402. P. 242-245. 7. Nazir A. Naz, Umar S. Qurashi, M. Zafar Iqbal Thermal annealing behaviour of deep levels in as-grown p-type MOCVD GaAs GaAs // Physica B. 2009. V. 404. P. 4977-4980. 8. Ардышев В.М., АрдышевМ.В., Хлудков С. С. Особенности электроактивации Si в монокристаллическом и эпитаксиальном GaAs при радиационном отжиге // ФТП. 2000. Т. 34, №1. С. 28-32. 9. Взаимодействие излучений с твердым телом: Материалы 9-й Междунар. конф., 20-22 сент. 2011 / редкол.: В.М. Анищик (отв. ред.) [и др.]. Минск: Изд. Центр БГУ, 2011. С. 306-308. 10. Клюй Н.И., ЛиптугаА.И., Лозинский В.Б., Оксанич А.П., Тербан В.А., Фомовский Ф.В. Влияние плазменных и ВЧ-обработок на оптические свойства полуизолирующего GaAs в ИК-области спектра // Технічна електродинаміка. 2012. С. 199-203. 11. 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. 12. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Ластовский С.Б., Марченко И.Г., Жданович Н.Е. Радиационные эффекты в технологии полупроводниковых материалов и приборов. Актуальные проблемы физики твердого тела ФТТ - 2003: Материалы Междунар. Науч. конф., 4-6 ноября 2003 / Минск, изд. Бел. наука, 2003. С. 332-364. 13. AtanassovaE.D., Belyaev A.E., KonakovaR. V. [et. al.]. Effect of active actions on the properties of semiconductor materials and structuctures. Kharkiv: NTC «Inst. for Single Crystals», 2007. 216 p. 14. Клюй Н.И., Липтуга А.И., Лозинский В.Б., Оксанич А.П., Тербан В.А., Фомовский Ф.В. Повышение деградационной стойкости кристаллов полуизолирующего арсенида галлия плазменными обработками // Письма в ЖТФ. 2012. Т. 3, №22. С.28-34.
Поступила в редколлегию 30.11.2013
Клюй Микола Іванович, д-р фіз. -мат. наук, професор, завідувач лабораторії нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії Інституту фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України. Наукові інтереси: напівпровідникова сонячна енергетика; тонкоплівкові структури; енергонакопичуючі прилади. Адреса: Україна, 03028, Київ, проспект Науки, 41, тел.: (044) 5256202. Email: [email protected].
Когдась Максим Г ригорович, аспірант кафедри інформаційно-управляючих систем КрНУ ім. М. Остроградського. Наукові інтереси: автоматизація процесів управління. Адреса: Україна, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366) 30157. E-mail: kogdasMax@yahoo. com.
Ліптуга Анатолій Іванович, канд. фіз.-мат. наук, ст.н.с., завідувач лабораторії резонаторних джерел ІЧ випромінювання Інституту фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України. Наукові інтереси: ІЧ та лазерна техніка. Адреса: Україна, 03028, Київ, проспект Науки, 41, тел.: (044) 5256361. Email: [email protected].
Лозінський Володимир Борисович, канд. техн. наук, старший науковий співробітник лабораторії нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії Інституту фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України. Наукові інтереси: дослідження впливу обробок на оптичні властивості напівпровідникових матеріалів і діелектричних плівок, сонячна енергетика. Адреса: Україна, 03028, Київ, проспект Науки, 41, тел.: (044) 5255278. Email: [email protected].
Оксанич Анатолій Петрович, д-р техн. наук, професор, директор НДІ технології напівпровідників та інформаційно-керуючих систем КрНУ ім. М. Остроградського. Наукові інтереси: методи та апаратура контролю напівпровідникових монокристалів. Адреса: Україна, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366) 30157. E-mail: [email protected]. Притчин Сергій Емильович, канд. техн. наук, доцент кафедри інформаційно-управляючих систем КрНУ ім. М. Остроградського. Наукові інтереси: автоматизація процесів управління. Адреса: Україна, 39600, Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел.: (05366) 30157. Email: pritchinse@ukr. net.
141
