Жидкофазная эпитаксия на подложках пористого фосфида индия Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

УДК 621.315.592:548.55

ЖИДКОФАЗНАЯ ЭПИТАКСИЯ НА ПОДЛОЖКАХ ПОРИСТОГО

ФОСФИДА ИНДИЯ

© 2003 г. Л.С. Лунин, И.Н. Арсентьев, В.И. Ратушный, М.В. Шишков

Для современной высокочастотной электроники характерны высокие требования к качеству используемых материалов [1,2]. Для решения этих задач в настоящее время разрабатываются методы, позволяющие улучшить параметры выращиваемых гетероструктур. Одним из них является эпитак-сиальное выращивание на «мягких» - пористых подложках полупроводников А3В5. Наличие пористого подслоя позволяет существенно снизить внутренние механические напряжения в получаемых структурах.

Ростовые процессы проводили в открытой системе в потоке водорода, очищенного диффузией через палладий. Для приготовления раствора-расплава использовали чистый 1п, поликристаллические нелегированные 1пР, 1пАб и ваАБ. В качестве подложек использовали монокристаллические пластины 1пР ориентации (100) со степенью легирования п = 1018 см 3. Пористый подслой на подложках формировали электрохимическим травлением в соответствии с методикой [3].

На рис. 1 представлен скол подложки со сформированной пористой структурой. Структура пористого подслоя, представляющего собой систему пор и перегородок, на данном образце четко выражена. Главное направление формирования пор ориентированно по нормали к поверхности. Хорошо различима сама ветвистая структура пор, видно, что плотность каналов обладает высокой равномерностью по всему сформированному подслою, а граница подслой - объем кристалла практически планарная. Геометрические размеры самих пор отличаются достаточной однородностью. Исследования, проведенные на силовом микроскопе, подтвердили данный факт и позволили определить примерный закон распределения размеров пор, показанный на рис. 1в.

Данные факты, позволяют говорить о пористом подслое, как о практически однородной системе поглощения механических напряжений и подтверждает возможность получения гетероструктур более высокого качества, по сравнению с традиционными для ЖФЭ структурами на монокристаллических подложках.

Исследования поверхности подложки со сформированным пористым подслоем показали, что исходная поверхность сингулярной грани практически утрачена, и произошло замещение ее системой вицинальных холмиков.

б

1 1 ? 1—с i -- 1

: : - : : г, о.е.

в

Рис. 1. Сформированный пористый подслой на подложке фосфида индия: а - граница раздела пористый подслой -объем кристалла; б - геометрические размеры пор (увеличено); в - закон распределения размеров пор

Такая структура поверхности с обилием элементарных ступеней приводит к тому, что рост эпитаксиаль-ного слоя на начальных стадиях происходит без формирования пространственно разделенных зародышей новой фазы, по механизму встраивания адсорбирующихся компонентов в уже имеющиеся на поверхности ступени роста, что снижает энергию активации процесса зародышеобразования. Однако это же приводит к увеличению плотности дефектов в слое, выращенном непосредственно на пористой подложке, что вызывает необходимость обязательного выращивания буферного слоя фосфида индия непосредственно на пористой подложке для синтеза качественной гетероструктуры.

Применение пористых подложек накладывает свои условия на оформление эксперимента. Для удаления из объема пористого подслоя продуктов, образовавшихся в результате электрохимического процесса формирования пор, необходимо введение дополнительной операции - низкотемпературного отжига. После формирования жидкой фазы и загрузки подложки и защитной пластины система продувалась водородом, нагревалась до 270 - 300 °С и выдерживалась при это температуре 2 часа.

На рис. 2. представлены сколы структур на пористых подложках с отжигом и без. Видно, что при отсутствии в процессе операции отжига происходит переформирование пор, изменение их геометрических размеров и исчезновение упорядоченности структуры, свойственной пористому слою. Тогда как, в отожженном образце структура пор не претерпела практически никаких изменений. Условия отжига подбирались из необходимости полной очистки пористой структуры, а также исходя из качества слоя.

Температура процесса подбиралась таким образом, чтобы с одной стороны обеспечить полное удаление продуктов из пор с максимальной эффективностью, а с другой не создать внутри пористого подслоя давления паров этих продуктов, приводящих к «распиранию» пор. По результатам опытных процессов было установлено, что оптимальная температура составляет 270 -300 °С. При наличии на установке вакуумной системы оптимальным является отжиг в вакууме. Время процесса, необходимое для очистки пор, при отжиге в потоке водорода составляет примерно 2 часа, в вакууме -достаточно выдержать час. Увеличение выдержки не приводит к существенному улучшению результата, а лишь возрастает степень разложения подложки. Для выявления особенностей поверхностных рекомбина-ционных процессов на поверхностях, ограничивающих каналы пор, были проведены фотолюминесцентные исследования пористых подложек без эпитакси-альных слоев. На рис. 3. представлен спектр ФЛ пористого и сплошного фосфида индия.

б

Рис. 2. Сколы эпитаксиальных структур, выращенных на пористых подложках: а - с низкотемпературным отжигом; б - без отжига

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 в, arc. sec.

Рис. 3. Фотолюминесцентный спектр и КДО пористого фосфида индия (77К)

Кривая спектра, отвечающая неотожженному образцу фосфида индия со сформированным пористым подслоем, носит шумовой характер. Данный факт, в совокупности с данными СЭМ (рис. 1), позволяет утверждать, что поверхность образца и объем пористого подслоя пассивированы продуктами электрохимического окисления.

Кривая спектра образца подвергнутого низкотемпературному отжигу имеет пик, лежащий в более низкоэнергетической области (около 1,26 - 1,27 эВ), чем сравнительный образец (сплошная подложка, Eg = 1,4 эВ). Этот пик отличается большой полушириной (106 мэВ) и достаточно высокой интенсивностью.

Значительное уменьшение энергии пика в случае его зона - зонного происхождения может объясняться наличием высокой плотности локализованных состояний в запрещённой зоне, за потолком Бу, сокращающей ширину запрещённой зоны пористого фосфида индия. Отсутствие основой полосы фотолюминесценции фосфида индия может быть объяснено поглощением излучения в объеме пористого подслоя и переизлучением через образовавшиеся уровни в запрещенной зоне [4].

Рентгеноструктурное исследование также выявило некоторые особенности, присущие самому пористому материалу. КДО пористого фосфида индия представлена на рис. 3. Кривая качания кроме узкого пика, обусловленного высоким кристаллическим совершенством монокристаллического материала подложки, имеет дополнительные побочные максимумы. Данное уширение спектра определяется интерференцией основного излучения от кристаллографических плоскостей и излучения от плоскостей, ограничивающих каналы пор.

Данные плоскости проявляют свойства частично поликристаллического материала, так как выдерживая в целом общую направленность и ориентированность, все же является результатом суперпозиции их движений по направлениям <111>А и <111 >В, а следовательно в некоторой степени разориентированы по отношению друг к другу и в целом к основным кристаллографическим направлениям.

Стоит отметить общую особенность жидкофаз-ной эпитаксии на пористых подложках: в силу того, что в пористом подслое удалено порядка 70% исходного материала, устойчивость межфазной границы расплав - подложка много меньше по сравнению со сплошным материалом. Таким образом, реализация исходного пересыщения жидкой фазы для предотвращения растрава пор приобретает особо важное значение.

Для подавления подрастворения подложек при контакте с расплавом и проникновения его в объем пористого материала первоначально насыщенный раствор-расплав переохлаждали на 7-10 °С. Массы навесок для получения необходимого пересыщения определяли в соответствии с эмпирическими соотно-

шениями [5], совпадающими с результатами анализа фазовых равновесий: для ОаТиЛБР

3584л

xGa = exp -

x (,70694х + 3,4624х2 - 8,7492х3 + 36,554х4 - 32,878х5)

хр = expj^- "T'Lr'jx 102 (13,305(1 - y)-4,7256(1 - y )2 +

+12,

417(1 - y)3 - 3,3953(1 - y)4)

xAs = exp - ^18-1|f3,8451x104xGa - 5,6805x106 (х^а )2

'Ga

+ 5,0985x 10

(xGa )3 - 2,6191x101* (xGa )4 ((Ga )6

+ 7,0231x 1011 (xGa) - 7,6075x 1012

для 1пР

= 1,76 x 103 expl -^

' T L

где х, у - состав твердой фазы, х^а, х£, х^ - состав

необходимой жидкой фазы, Ть - температура ликвидуса.

В силу необходимости применения буферного слоя при выращивании гетероструктуры вкратце рассмотрим свойства данных структур. Контроль качества выращиваемых структур осуществлялся по данным ФЛ. Характеристики эпитаксиальных слоев, выращенных в одинаковых технологических условиях на пористой и сплошной подложках, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры гомоэпитаксиальных слоев

Основная полоса спектра, эВ Полуширина основного пика, мэВ Дополнительная полоса спектра, эВ Толщина слоя, мкм

Сплошная 1,41 17,4 1,375 1,68

Пористая 1,41 16,2 1,373 2,01

Выращивание гетероструктур Оа1пЛ8Р/1пР и Оа1пАзР8Ь/1пР выявили следующие факты.

Фотографии СЭМ показали, что при росте непосредственно на пористом материале происходит нарушение планарности границы раздела подложка -эпитаксиальный слой. При эпитаксии на буферный слой планарность границы остается неизменной. На рис. 4 представлены сколы гетероструктур, выращенных на чистой подложке и с использованием буферного подслоя.

x

x

пределения внутренних напряжений в гетероструктуре приближается к обыкновенному, присущему сплошной подложке.

б

Рис. 4. Эпитаксиальные слои Оа1пЛ8РЛпР на пористых подложках: а - непосредственно; б) - с буферным слоем

Исследования фотолюминесценции в данной работе проводились для преднамеренно нелегированных эпитаксиальных слоев, поэтому на спектре всегда присутствовала только одна линия, соответствующая межзонным переходам. По мере увеличения величины рассогласования на гетерогранице увеличивалась также полуширина пиков люминесценции соответствующих образцов до 50 мэВ, а интенсивность падала. При эпитаксии на пористом материале данная тенденция носит более выраженный характер, так как растрав пор приводит к катастрофическому ухудшению качества слоя.

На рис. 5 показаны спектры фотолюминесценции (при 77 К) гетероструктуры Оа0,251п0.75Л80,57Р0,23/1пР, полученных на сплошной подложке, а также с буферным слоем разной толщины. В целом вид кривых на пористых подложках идентичен традиционным гете-роструктурам. Стоит отметить зависимость между толщиной буферного слоя и значением полуширины краевой полосы спектра: при толщине буферного слоя порядка 0,5 - 0,7 мкм наблюдается сужение спектров, а при увеличении толщины до 1,2 - 1,5 мкм качество слоя снижается. Данный факт говорит о том, что при толстых буферных слоях пористая прослойка перестает работать как демпферный элемент и характер рас-

Рис. 5. Спектр фотолюминесценции (Т=77 К) и КДО гетероструктуры Оа0)251п0.75Л80)57Р0,2з/1пР

Необычное уширение основного пика эпитакси-ального слоя, выращенного непосредственно на пористой подложку, не может быть объяснено с позиций наличия мелких акцепторных уровней, связанных с непредусмотренным легированием из газовой фазы продуктами электрохимического формирования подслоя [6], так как вещества, образующиеся при этом, физически не являются акцепторами. Скорее всего, это связано с наличием мелких подуровней в подложке, обусловленных порами.

Косвенным признаком, подтверждающим данное утверждение, служит то, что при увеличении толщины слоя до 3-4 мкм или при росте на буферном слое (толщина слоя, с которого снимается интегральная характеристика фотолюминесценции, составляет примерно 1 - 1,5 мкм) в спектрах такого уширения не регистрируется.

а

Таблица 2

Характеристики твердых растворов

Состав твердого раствора Толщина буферного слоя Сплошная подложка Пористая подложка

hv, эВ АЁ, мэВ Ad/d hv, эВ АЁ, мэВ Ad/d

Ga0,25In0,75As0,57P0,23 - 0,999 23 -2,66-10-3 0,992 23 —1,71 -10-3

0,5 0,999 18,2 0,996 16,6

1,2 1,001 18,9 0,998 18,2

Ga0,15In0,85As0,32P0,68 - 1,173 19,6 -3,9 10-3 1,17 22,5 -2,9-10-3

0,5 1,17 23,5 1,164 21,6

1,2 1,17 20,5 1,168 19,7

Ga0,13In0,87As0,25Sb0,02P0,73 - 1,168 25 3,6 10-3 1,162 26 2,1-10-3

Исследования кривых дифракционного отражения показали, что слои на пористом материале обладают более совершенной кристаллической структурой. Величины рассогласований для полученных образцов меньше, пики соответствующие эпитаксиальному слою имеют меньшую полуширину.

Рассогласование параметров решетки эпитакси-ального слоя на пористом материале и сплошном отличается примерно на 50 %, это говорит о том, что даже при очень хорошем качестве слоя применение пористых материалов позволяет дополнительно повысить качество получаемых слоев за счет рассеяния напряжений в объеме демпфирующего слоя. Что позволит повысить, например диапазон температур использования прибора.

Таким образом, применение пористого материала в качестве подложек позволяет улучшить характеристики выращиваемых ЖФЭ гетероструктур.

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

Физико-технический институт им. Иоффе, г. Санкт-Петербург 22 октября 2003 г.

Литература

1. АлферовЖ.И. // ФТП. 1998. т. 32. №1 с. 3-18

2. VLSI Electronics: Micro structure Science. Eds. Einspruch N.G., Wisselman W.R. v.11. (GaAs Microelectronics), Academic Press. Orlando - San Diego - New York -London - Toronto - Sydney - Tokyo. 1995.

3. Арсентьев И.Н., Вавилова Л.С., Лунин Л.С., Ратушный В.И., Шишков M.B. СВЧ диоды с барьером Шоттки на напористых подложках. Изв. ВУЗов. Сев. - Кавк. регион. техн. науки. - 2003. - № 2. - С.97-99.

4. Э.П. Домашевская, В.А. Терехов, В.М. Кашкаров, С.Ю. Турищев, С.Л. Молодцов, Д.В. Вялых, Д.А. Винокуров, В.П. Улин, С.Г. Конников, М.В. Шишков, И.Н. Арсентьев, И.С. Тарасов, Ж.И. Алферов. Синхротронные исследования электронно-энергетического спектра в наноструктурах типа А3В5. ФТП, 2003, т.37, №8, стр. 1017-1022.

5. KuphalE. //J. Crystal Growth. 1984. V.67. p. 441-457.

6. Schmuki P., Santinacci L., Djenzian T., Lockwood D.J. Pore formation on n-InP. Phys. Stat. Sol (a), 2000,v.182, №51, р. 51-61.