автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Процессы эпитаксиального выращивания ..егированных структур на основе соединений А3В5 и исследование их характеристик

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКЛДШЕЯ НАУК УКРАИНЫ ЙНСТШТ «ИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Спедпашзжроэанннй Ученый Совет KGI6 .25.0I

На правах рукописи

НГУЕН СУАН HTM

ПРОЦЕССЫ ЭПЙТАНСЙАЛЬНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ЕГИРОВАННЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ СОЗДШШЯ А3В5 И ЮСЛБЩОВАНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

{ 05.27. Об-Технология полупроводников и материалов электронной техники)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев-1994

Диссертация представлена рукопись*).

Работа выполнена в Институте физики ЩНИ Вьетнама (г.Х&ноп.) и .¡петитуте физики полупроводников HAH Украины Сг.Киев).

Научные рукрводитези: НГУДН ТЛАНЪ НП1,

доктор физико-математических наук

ЗАРУВШ ЛЕОШД 1!0С/.$0ШЧ, доктор физико-математических наук

Официальные оппонент.«; ВОЯТХВД ИГОРЬ ДЛНКЛ08ИЧ,

доктор технических иаук,профессор

КОНАКОВА РАИСА ВАСИЛЬЕВНА, доктор технических наук

Ведущая организация: НИИ "САТУРН" (г.Киев)

Защита состоится 1994г. в /J/ тъеов

на заседании Специализированного совета K0X6.25.CI пни Институте физики лолупрородников НДН Украины по адресу: 252028,г.Киев,проспект Hayки,45.

Отзывы на автопеферат в двух экземплярах, заве генные печат прост! высылааь по указанному ацоесу на имя ученого секретам Специализированного совета. •

Автореферат разослан »/<&" ^¿ЬЛ, 1994г.

Ученый секретарь Специализированного совета

ЕЕЛЯЕВ А.Е,

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широко используемые в современное электронике материалы на основе соединений А3 В5дают значительные преимущества по сравнению с элементарными пол/проводниками. Представляются возможности более широкого изменения фундаментальных параметров веществ, таких как сирина запрещенной гоны и глубина залегания примесных уровней, подвижность, фононный спектр. Возможность получения непрерывного ряда твердых растворов предоставляет уникальный метод плавного регулирования свойств монокристаллических веществ в широких пределах.

Однако, наряду с расширением возможностей получения материалов с напередзаданными свойствами, на практике возникают порой неразрешимые технологические проблемы, а трудозатраты резко возрастают. Это связано прежде всего с высокими температурами плав-пения и значительным давлением паров синтезируемых компонент при выращивании и легировании монокристаллов соединений А3В3.

Широкие возможности в разработке и производстве полупроводниковых структур на основе соединений открыли методы эпнтаксиаль-яого роста пленок. Но опять-таки эпитаксиалъная технология накладывает более жесткие требования на контроль и управляемость технологически ми операциями. Поэтому необходимо исследование всех сехкологическкх процессов и оптимизация всего технологического ¡ркха.

Для комплексного изучения процессов. Происходящих при зпи-гаксиальном наращивании многослойных структур на основе фосфида и фсенида галлия, в Ханойском институте физики в 1977 году была :оздака установка жидкофззной зпитаксии (2ЙЭ). Недостаточные знамя физико-технологических закономерностей при ЯИЭ поставили загачу исследования зависимостей между технологическими процессами I физическими характеристиками создаваемых изделий.

К важнейшим параметрам, отсутствие которых не позволяло оп- . химизировать технологический цикл, прежде всего относится непол-гость данных*по массопереносу в жидкой фазе, отсутствие количест-1енных соотношений между параметрами массопереноса и физическими :араметрами состояния раствор - расплава. Особенно важны данные о выращкванип слоев с предельной растворимостью легарупплх при-(есей для получения плёнок с хорошо развитыми примесными зонами. тсутствие этих знаний сдерживает прогресс технологии особо слсж-

ных структур и устройств с высокими эксплуатационными параметрами. Поэтому более полное изучение технологических процессов всегда актуально.

Дела работы состоит в комплексном изучении технологических процессов при апитаксиальном выращивании структур на основе фосфида в арсенкда галхия с различным уровней легирования. На основе изученных на всех этапах технологического процесса закономерностей, предстояла разработка эффективной воспроизводимой технологии производства красных и зеленых светодиодов, а также изготовление в едином технологическом цикле сильнолегированных структур, пригодных два термометрии низких температур.

Основные задачи:

1. Изучить кинетику ыассопереноса в жидкой фазе, морфологи» поверхности и влияние технологических параметров на дефектообразование.

2. Установить основные закономерности образования газовых пузырей в апитаксиальных слоях и найти способы их минимизации и полного устранения.

3. Исследовать влияние различных технологических операций на квантовую эффективность светодиодных структур и разработать рекомендации по повыгоняю эффективности.

4. Выяснить основные пределы легирования примесями донорного и акцепторного типа пленок й структур для получения хорош развитой проводимости в глубоких примесных зонах с малым магнитосопро-тивлеиием.

научная новизна работы;

1. Установлены основные закономерности влияния естественной конвекции на кинетику ыассопереноса при наращивании эпитаксиаль-ных слоев на горизонтальные и вертикальные подложки. Определены необходимые градиенты температуры вдоль подложек для устранения клинообраэности растущих пленок. В случае вертикальной подложки средний температурный градиент должен составлять около 2° С/см.

2. Экспериментально определены размеры и плотность газовых пузырей в апитаксиальных слоях фосфида галлия легированных азотом. Установлено, что их плотность пропорциональна концентрации нитрида галлия в расплаве. Определена равновесная константа реакции.

3. При легировании эпитаксналышх слоев азотом установлена область оптимальных давлений аммиака для получения зеленых свето-

ргодов с высокой эффективностью, которая составляет (0,5-1).10~э 1тм. При таких давлениях достигается предел растворимости азота жоло 1010 си'3, а слои имеет наиболее совершенную поверхность.

4. Установлены пределы концентраций основной и компенсирующей примесей для выращивания эпитаксиальных плевок и нитевидных кристаллов с малым магнитосопротивлением, проводимость в которых шределяется Ег и Ед переходами в глубоких примесных зонах.

5. Определены концентрационные зависимости анергии активации глубоких акцепторных центров в фосфиде галлия от концентрации )сновной и компенсирующей примеси.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. На основе предложенной методики выполнены коютественные щенки влияния естественной конвекции на тешеияу эпитаксиальных :лоев при их выращивании иэ раствора-расплава на горизонтальные и вертикальные подложки. Для вертикальной систем* роста определен {еобходпмый градиент температуры по высоте, ггазволяязй предотв-затить клинообразность роста.

2. Изучены причины, приводящие к образования кахронеоднород-гастей на поверхности роста эпитаксиальзых слоев. ' Основными факторами являются такие, как разориэнтацая подлоххи, неустойчивость фронта кристаллизации вследствие сересщения расплава на границе гвердой фазы, взаимодействие молекул газа с атомами расплава в фиповерхностном слое, образование газовых пузырей. Установлены ¡□отношения, связывающие размер и плотность пузырей с содержанием ¡риыесей в расплаве.

3. Анализ электрических и электролшинесцентных характеристик светодиодов ваРи ваАз:51 позволяет установить оптимальнее технологические условия при жидкефазном выращивании таких :труктур. Локальные пересыщения примесью . кремния для арсенида •аллия и азотом для фосфида галлия приводят к смез^нию максимума :пектра излучения и падению квантового выхода.

4. Создание специальных сильнолегированных структур с глубоким примесными зонами для применения в термометрии. Проводимость I таких структурах осуществляется путем перескока носителей между [римесными центрами в Ег и Ед зонах. При этом матнитосопротивле-11в тем ниже, чем короче расстояние прыжка между центрами.

Практическая значимость работы. -

1. Создана технологическая установка для хидкофазной эгти-аксии, позволяющая в едином технологическом цикле получать мко-

3 ч

гослойные структуры на основе соединений А В*1 и их твердых растворов. На установке исследованы технологические процессы, выявлены закономерности и связи между технологическими параметрами процессов и физическими характеристиками получаемых изделий.

2. Изучено влияние естественной конвекции на процесс наращивания эпитаксиальных слоев иг раствора-расплава на параллельные подложки. Определены и введены в технологический процесс необходимые градиенты температуры для предотвращения клинообразного роста слоя.

3. Исследованы технологические циклы изготовления красных и зеленых светодиодов и фотоэлементов на основе фосфида и . арсенида галлия, а также твердого раствора арсенидов галлия и алюминия. Осуществлены изменения технологического цикла, позволившие получить значительную экономив особо дефицитного материала галлия. Разработанный цикл изготовления красных светодиодов 6аР:2п внедрен во Вьетнаме в промышленном масштабе.

4. Разработаны специальные многослойные структуры на основе фосфида галлия, пригодные для криогенной термометрии в магнитных полях. Путем пергкомпенсации электронного слоя получен пленарный р-п-переход, который выполняет роль диэлектрического покрытия, защищающего поверхность от шунтирования. Исследованные термометрические характеристики подтвердили пригодность структур для практического использования.

Личный вклад автора в подученные результаты.

В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором лично и в соавторстве. Постановка задач и интерпретация результатов физических исследований проведены совместно с научными руководителями. Все экспериментальные образцы для исследований изготовлены диссертантом лично. Им разработана методика исследования образцов сложной конфигурации при низких температурах и выполнены все измерения. Компьютерная обработка результатов измерений и расчет всех параметров, приводимых в работе, также выполнены лично диссертантом. Ему.принадлежит равноправная с другими авторами роль в напечатанных работах.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в Институте физики Национального Центра Научных Исследований СРВ (г. Ханой), на семинаре Отделения физики реальных кристаллов Института физики полупроводников НАН Украины (г.. Киев), на Втором республиканском сове-

щании по электронной микроскопии (г. Ханой).

Публикации. По материалам диссертации выполнено 9 каргах работ, одна из ннх - авторское свидетельство СРВ. Список этих работ приведен в конце автореферата.

Внедрение результатов работы. Результаты работы, используются на промышленных предприятиях г. Ханоя, а также использовались в темах и проектах, выполняемых отделом N 20 Института физики полупроводников НАН Украины.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов и списка литературы. Она содержит страниц, включая рисунков и список литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, указаны цель и задачи исследования, кратко описано содержание диссертации по разделам.

В первом разделе изложен сбэор данных литературы, посвященных изучению процесса эпитаксиальиого наращивания легированных структур на основе соединений А3В5. В настоящее время физические процессы, происходя^:© в жидкой фазе, являются актуальным вопросом физики кристаллизации из раствора. В связи с этим приведен анализ работ, посвященных изучении пересыщенного состояния раствора-расплава и его влияние на особенность и кинетику кристаллизации, на морфологию кристалла и дефектообразование, а также на устойчивость пленарной границы раздела жидкой и твердой фаз в процессе Е1Э. Обсуждены вопросы, связанные с условием массопере-носа в растворе-расплаве при ЕФЭ, с влиянием естественной конвекции на скорость роста и, следовательно, на толщину эпитаксиалышх слоев в различных системах наращивания. Изложены известные данные литературы по морфологии поверхности и структурному совершенству эпитаксиальных слоев, легированию при КЗЭ и поведению некоторых примесей, широко используемых для изготовления приборов на основе полупроводниковых соединений А3В5. Описано аппаратурное оформление процесса ЖФЭ и практическое применение метода ШЭ в технологии изготовления полупроводниковых приборов.

Из приведенных данных следует, что для получения приборов с келательнымл и надежными свойствами и для улучшения экономических показателей технологии их изготовления имеется ряд вопросов, тре-

о

Сущих решений. Для этого необходимо изучить процессы, которые происходят как на поверхности кристаллизации, так и в жидкой фазе, выяснить влияние различных технологических параметров на механизм дефектообразования в эпитаксиальных слоях, найти способы экономии дефицитных и дорогих материалов.

Второй раздел посвящен исследованию кинетики массопереноса в жидкой фазе, изучению морфологии поверхности и механизмов дефектообразования в эпитаксиальных слоях соединений А1Е5.

Предложена упрощенная схема для количественной оценки влияния естественной конвекции на толщину эпитаксиальных слоев при выращивании из ограниченного раствора-расплава.Система (За-Р является хорошим объектом для этой цели. Вследствие большой разности удельного веса (ЗаР и металла-растворителя 6а, естественная конвекция проявляется очень сильно даже в случае разбавленного раствора и тонкого слоя раствора-расплава.

Проведено теоретическое рассмотрение в случае эпитаксиально-го роста на двух параллельных горизонтальных подложках, одна из которых находится над изотермическим раствором, а другая - под этим раствором. При отсутствии конвекции перенос растворенного вещества на кристаллизующую поверхность происходит лишь за счет диффузии. Толщины эпитаксиальных слоев на обеих подлодках в этом случае равны

ь»<1) = - -Й- (1 - -ш*1}

где °< - скорость охлаждения, ш - наклон линии Ликвидуса, с -концентрация растворенного вещества, 0 - коэффициент диффузии растворенного вещества в жидкой фазе, 1. - толщина слоя раствора-расплава для каждой подложки.

В практике, вследствие осаждения растворенного вещества на поверхности кристаллизации, слой раствора вблизи подложек обедняется, что приводит к возникновению конвекции в верхней половине и на части нижней половины раствора. При этом эффективные глубины раствора для верхней и нижней подложек и, следовательно, толщины верхнего и нижнего слоев различаются друг от друга и равны:

ь Ь»Ео) Г , ( 1ЛЪ ) 1 Са -ЮЙ-1 I 1 Ш \

ц = "Ч Ь-го ) Г , _ ( ) 1 "с» тс. [ 301 ]

соответственно, (/„

Чг. . . г /*

где

^о — 2

5.76 Р/ V \_г V 0 ' \ 2ш V /

К - ускорение силы тяжести, V - кинематическая вязкость растЕО-ра-расплава, /3 - коэффициент, характеризующий изменение объема раствора-расплава при единичном изменении концентрации.

При наличии конвекции для большинства соединений А'й5 толщина верхнего слоя будет больше,-а толщина нижнего слоя будет меньше толщины слоя, получаемого в случае диффузионного роста, но их средние толщины одинаковы. Поэтому в случае ограниченного раствора конвекция изменяет только эффективные глубины раствора и как следствие - массоперенос к верхней и нижней подложкам.

В случае роста из ограниченного раствора с одной горизонтальной подложкой над раствором конвекция, если сна происходит, не изменяет толщину слоя, потому что э^ектирная глубина раствора не изменяется. "Но ситуация будет совсем другой в случае роста из полуограниченного раствора, йсследованная схема может применяться также для других случаев эштакс-лального роста, если кристалл-источник находится на поверхности раствора или когда корка закристаллизовавшегося материала образуется на этой поверхности при охлаждении.

В случае роста на вертикальной подложке' градиент растворенного вещества вдоль горизонтальной оси всегда образуется в изотермическом растворе, что приводит к тенденции конвекции. Диффузионный пограничный слой остается по соседству с поверхностью кристаллизации и имеет толщину<5^.Следовательно, поток растворенного вещества на поверхность кристаллизации уменьшается по закону у" /2, что приводит к росту клинообразных слоев. В этом случае толщина эпитаксиальных слоев определяется выражением:

Му.г) = н"* « ь < м - ьУ зор

2с. ш аГ»

где Н - высота подложки.

Для предотвращения клинообразного роста необходимо использовать средний градиент температуры Оч - 2йСлт/п вдоль подложки. Для типичного условия роста соединений АЭВ5 ((ЗаР, 6аАз, ...) 6 =

- 1-3" С/см.

Экспериментальные исследования показали хорошее согласие с теорией. Полученные результаты непосредственно применялись в наших экспериментах наращивания эпитаксиальных слоев ОаР, БаАз и <За1хА1лА5.

В данном разделе большое внимание уделялось исследованию механизма дефектообразования и морфологии поверхности эпитаксиальных слоев. Рассмотрено образование газовых пузырей на поверхности подложки при ЖФЭ соединений А5В5 на основе модели гетерогенного зародашеобразования. Проведен термодинамический анализ для систем 6а-М и (За-й!, выбранных в качестве примера. Образование газовых пузырей в атом случае связано с выделением летучих примесей в газовую фазу по следующим реакциям:

ОаЫ(т) ^ +

гп(*) — 2п[г)

Временная эволюция размера пузырей, образованных на подложке и захваченных растущим эпитаксиальным слоем, зависит от кинетики взаимодействия между летучими примесями и галлиеьым раствором-расплавом, определяющим давление газа в выращиваемой системе, а также от коэффициента диффузии примесей в жидкой фазе. Показано, что критический и равновесный радиусы газовых пузырей пропорциональны обратной величине квадрата содержания ОаН в растворе для случая легирования азотом, а для случая легирования цинком -обратной величине концентрации цинка.

Проведены экспериментальные исследования образования пузырей при Х89 6аР и (ЗаАз. Размер пузырей, захваченных эпитаксиальным слоем, согласуется с результатами расчета. Кроме того, получена экспериментальная зависимость плотности газовых пузырей от содержания примеси в растворе по закону И~С. В случае легирования азотом наблюдали другие дефекты, связанные с ухудшением качества поверхности подложки вследствие взаимодействия молекулярного азота с атомами галлия в приповерхностном слое подложки. Плотность этих дефектов увеличивается с возрастанием содержания (ЗаИ в растворе. На основании полученных результатов сделан вывод, что для предотвращения образования газовых включений при выращивании эпитаксиальных слоев соединений А3В5 необходимо уменьшать содержание 6аМ ниже уровня 0,05 X вес., а содержание 7х\ - 3 X ат.

Другим вопросом, изложенным в этом разделе, является морфо-

логия поверхности. Поверхность наших эпитаксиальных слоев часто характеризуется ступенчатыми или волнообразными неровностями. Экспериментальные исследования показали, что они сопровождают неоднородности распределения примесей и по площади и по толщине эпитаксиальных слоев. В нашем случае особенность поверхностных неровностей может объясняться комбинацией ряда факторов: механизмом роста (двумерный или трехмерный), кристаллографической ориентацией подложки, неустойчивостью кристаллизующей поверхности, которая зависит от типа и концентрации примеси в растворе. Предложены общие методы предотвращения поверхностного рельефа путем обеспечения точной ориентации подложки, уменьшения концентрации примеси в растворе (если возможно) и скорости охлаждения для того, чтобы действующий массоперенос успевал выравнивать состав в растворе.

Е третьем разделе изложены результаты исследований влияния технологических факторов на физические свойства эпитаксиальных структур на основе соединений А}В5.

Одной из причин значительного разброса рекомбинационных параметров светодиодов GaAs : Si из одной пластинки является концентрационная неоднородность в этих структурах. Хаотическое распределение неоднородности концентрации и степени компенсации слоя по толщине и площади вызвано именно высоким содержанием Si в растворе и флуктуацией температуры во время роста. Высокое содержание Si увеличивает неустойчивость поверхности раздела жидкой и твердой фаз, что.приводит к неоднородности распределения примесей и по толщине и по площади слоя. Стабильность температуры играет важную роль особенно в случае легирования амфотерным кремнием, положение которого в узлах решетки GaAs сильно влияет на его электрическое поведение. Влияние нестабильности температуры особенно сильно в области температуры инверсии типа проводимости, где даже малые ее колебания будут сильно изменять характер распределения Si по подрешеткам SaAs, а также стехиометрию и степень дефектности кристалла.

Экспериментальные исследования зависимости разброса энергии максимума спектра и усредненного квантового выхода ЭЛ излучения светодиодов GaAs : Si от концентрации Si в жидкой фазе показали,

etc.

что с возрастанием выше 0,2 % содержания Si эти разбросы увеличиваются. При рассмотрении зависимости квантового выхода и коэффициента инжекции электронов от градиента концентрации акцепторов

обнаружена нелинейная связь между квантовым выходом и коэффициен том инлекции. Вероятно, что происходит образование сильно легированных прослоек в структуре, которые обычно способствуют процессу кошлексообразования различных остаточных примесей и дефектов решетки кристалла с кремнием в процессе роста слоя. В р-гультате этого образуются дополнительные центры безызлучательной рекомбинации. Для уменьшения влияния нестабильности температуры проведены эксперименты эпитаксиального выращивания с увеличением скорости охлаждения от 1 до 5° С/мин. Полученные результаты показали, что разброс энергии максимума спектра уменьшается в 3-4 раэа, а квантовый еыход увеличивается в 2-3 раза.

Таим образом, результаты исследований показывают, что улучшить параметры инфракрасных светодиодов GaAs : Si можно путем выбора содержания Si в жидкой фазе на уровне 0,2 Z ерс. и скорости охлаждения 5° С/мин.

В последующей части раздела приведены результаты исследования влияния легирования азотом на электрические и оптические свойства зеленых светодиодов GaP : N. Для определения оптимального уровня легирования азотом проведены эксперименты, в которых парциальное давление аммиака изменилось в интервале (0,5-5). 10"3 атм. Рассмотрения вольт-амперной, ампер-яркостной характеристик и структурного совершенства эпитаксиальных слоев показали, что образцы. полученные при парциальном давлении аммиака (0,5-1).10"3 атм., имеют нормальные I-V, L-I характеристики и низкую плотность дефектов. В то же время образцы, полученные при парциальном давлении аммиака (2-5).10"3 атм., имеют особенные I - V, L - I характеристики. Причем качество эпитаксиальных слоев заметно ухудшается. Подробный анализ I-V и L-I характеристик свидетельствует о том, что у сильно легированных азотом структур образуются дополнительные Сезыалучательные центры рекомбинации и каналы проводимости. Они излучают только при высоком уровне инжекции. Их средний квантовый выход очень низкий.

При исследовании спектра DLTS зеленых светодиодов GaP:М наблюдали центры Т7 с уровнем энергии Е - 0,8 эВ, обусловленные дефектами типа PGa .Эти дефекты появляются при наличии большого механического напряжения в эпитаксиальных структурах, вызванного легированием, температурой роста или механическими напряжениями при изготовлении светодиодов. Концентрация центров Т7 для различных образцов находится в интервале 1012 - 104 см-3 . Они имеют

-14 ■)

сечение захвата дырок 5.10 см и, следовательно, являются эффективными безызлучательными центрами рекомбинации в п-области диодов ОаР:М. Кроме того, обнаружены глубокие центры, обусловленные примесыо Ге или содержащими N1 примесными комплексами. В нашем случае введение примесей и N1 в эпитаксиальные слои, вероятно, происходит в процессе химической обработки подложки ОаР.

Четвертый раздел посвящен изучению эпитаксиальной технологии изготовления некоторых оптоэлектрических приборов. В этих технологических циклах применялись наши результаты исследований, которые изложены Еыше. Именно использовался способ двойной Ж1Э для изготовления красных светодирдов (ЗаР:гп,О, техника перекомпенса-Ц1!и раствора-расплава цннком иэ газовой фазы и техника диффузии цинка для формирования р-п перехода в структуре зеленых свегодио-дов :N. Для получения фотоэлементов на основе гетероструктур (ЗаАэ - ба1.хА1лАз использовалась технология изготовления высокоэффективных инфракрасных источников на основе баАг, легированного кремнием. Одним из важных преимуществ этих технологических циклов является экономия галлия - дефицитного и дорогого материала. В настоящее время технологический цикл изготовления красных свето-диодов баР-.гп введен во Вьетнаме в производство в промышленном масштабе.

В пятом разделе приведены результаты исследования применения (ЗаР для термометрии и создания для этого специальных структур. Обсуждены перспективы использования (ЗаР как термометрического материала.

Результаты исследования термометрических характеристик нитевидных кристаллов (ЗаР в области криогенных температур показали, что при высоком температурном коэффициенте сопротивления он обладает малым магнитосопротивлением (МС). Экспериментальные оценки для исследованных образцов дают погрешность в измерении температуры не более 0,3 Г. при Т = 20 К в магнитном поле 1,5 Тл. Для выбора технологического цикла изготовления термометрических структур проведен анализ различных методов получения материала БаР с точки зрения технологичности и структурного совершенства.

Описана эпитаксиальная технология изготовления термометрических структур на основе (ЗаР для низкотемпературной области. Выбирая технологические параметры большое внимание уделялось обеспечению однородности распределения примесей в эпитаксиальных слоях (уменьшение температуры наращивания, сокращение температур-

1Т

ного интервала роста, использование невысокой скорости охлаждения). Структура термочувствительных элементов состоит из подложки п-БаР, эпитаксиального буферного слоя п-типа и активной области р-бар, легированной цинком и серой в качестве основной и компенсирующей примесей.

Исследованы низкотемпературные электрические характеристики полученных пленок 6аР в комнатно-гелиевом интервале температур. Б зависимости от концентрации примеси и степени компенсации у исследованных образцов БаР : гп, Б проявляются все известные механизмы примесной проводимости, такие как Е2-, Е3- проводимость и проводимость с переменной длиной прыжка. Это дзет возможность изготовлять различные термометрические структуры (ЗаР, работоспособные либо в узком диапазоне температуры с еысоким температурным коэффициентом сопротивления, либо в широком диапазоне до сверхнизких температур.

Экспериментальная оценка однородности удельного сопротивления пленок на образцах с размерами 15 х 15 мм2 показала, что при комнатной температуре разброс сопротивления не превышает 0,5 X. Это дает хорошее согласие при корректном сравнении теории с экспериментом для зависимости энергии эктивации цинка в полученных пленках от концентрации основной примеси и степени компенсации.

Результаты измерения МС для исследованных образцов при Т=300, 77 и 4,2 К в полях до 1,5 Тл показали, что они обладают малым МС (Д£ / 5 < 0,2 2 при Т » 300 К). Это можно объяснить низкой величиной подвижности дырок, которая, как следует из хол-ловских измерений, составляет 30-60 см2/В.с. При переходе к прыжковой проводимости МС несколько увеличивается из-за уменьшения перекрытия волновых функций локализованных носителей в магнитном поле. Однако вследствие высокого уровня легирования прыжковое МС в нашем случае остается небольшим < 3,3 7. при Т = 77 К).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена упрощенная схема для количественной оценки влияния естественной конвекции на толщину зпитаксиалькых слоев при выращивании из ограниченного раствора-расплава с параллельными горизонтальными и вертикальными подложками. Установлено, что в случае горизонтальных подложек толщина слоев определяется эффекта

тивной толщиной раствора, которая отличается для верхней и нилиьй подложек и зависит от интенсивности конвекции. Для вертикальной системы роста получено выражение, описывающее изменение толщины слоя вдоль подложки и рассчитан вертикальный градиент температуры, необходимый для предотвращения клинообразного роста.

2. Показано, что образование газовых пузырей при наращивании апитаксиальных слоев, соединений А3В5, легированных летучими при-месяыи, связано с выделением этих примесей в газовую фазу. Установлено, что временная эволюция размера пузырей зависит от кинетики взаимодействия между летучими приыесями и галлиевым раствором- расплавом, а также от коэффициента диффузии примесей в жидкой фазе. Получены соотношения, связывающие размер и плотность газовых пузырей с содержанием примеси в растворе-расплаве. Предложен метод предотвращения образования газовых включений при выращивании апитаксиальных слоев соединений А3В5.

3. Установлено, что образование неровностей на поверхности апитаксиальных слоев является результатом одновременного действия ряда факторов: механизма роста, разориентации подложки и неустойчивости поверхности раздела жидкой и твердой фаз. Показано, что причина образования дополнительных дефектов при легировании апитаксиальных слоев азотом связывается с ухудшением качества поверхности подложки вследствие взаимодействия молекулярного азота с атомами галлия в приповерхностном слое.

4. Еыяснено, что причина концентрационной неоднородности в распределении примеси при большом содержании кремния в растворе арсенида галлия и флуктуации температуры являются основными причинами смещения максимума спектра излучения и разброса квантового выхода светодиодов ВаАз: .

5. Показано, что высокий уровень легирования азотом приводит к заметному ухудшению электрических и электролюминесцентных характеристик светодиодов 6аР : N вследствие образования дополнительных безызлучательных центров рекомбинации и каналов проводимости.

6. Разработана зпитаксиальная технология изготовления, светодиодов и фотоэлементов на основе соединений А3 В5 и их твердых растворов. Эта технология позволяет выпускать приборы с высокой эффективностью и существенно улучшить экономические показатели технологического процесса.

.7. Созданы специальные структуры на основе сильнолегирован-

ного фосфида галлия, пригодные для криогенной термометрии. В них оценены необходимые пределы легирования и компенсирования для получения хорошо развитой проводимости 2 Ег- и Е3-еонах.

8. Показана перспективность применения структур на основе фосфида галлия для реэистивной термометрии в магнитных полях вследствие укороченных прыжков носителей между глубокими акцепторными центрами. Для этих центров установлена концентрационная зависимость знергии активации от основной и компенсирующей примеси.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Авторское сувидетельство No 84-48-013. (Вьетнам). - 3 февр. 1986 г.

2. Nguyen Thanh Nghi, Dao Due Khang, Duong Anh Tuan, Nguyen Xuan Nghia, Nguyen Thl Qui Hai. The influence of Natural Convection on the toss Transfer kinetics in LPE growth // Cryst. Res. Techno]-1987. - V. 22, N 3. - P. 309-319 (Англия).

3. Nguyen Thanh Nghi, Duong Anh Tuan, Nguyen Xuan Nghia, Nguyen Thi Qui Hai, Dao Due Khang. Gaseous Bubble formation during III-V LPE growth // Proc. NCSR Vietnam. - 1990. - V. 2. -P. 99-104 (Hanoi).

4. Nguyen Thi Qui Hai, Nguyen Thanh Nghi, Ho Thi Phuong, Duong Anh Tuan, Dao Duo Khang, Nguyen Xuan Nghia. Исследование морфологии поверхности и структурного совершенства эпитаксиальных пленок GaP // 2-ое респ. совещ. по электронной микроскопии. - Ханой, 1985. - Р. 18-21.

5. Nguyen Xuan Nghia, Nguyen Thanh Nghi, Nguyen Thi Qui Hai, Duong Anh Tuan, Dao Duo Khang. Оптимизация параметров инфракрасных светодиодов GaAs : Si // Tap Chi Vat Ly. - 1985. - V. 10, N 2. - P. 20-24 (Ханой).

6. Nguyen Thi Qui Hai, Dao Due Khang, Nguyen Xuan Nghia, Duong Anh Tuan, Nguyen Thanh Nghi, Krispin P. Исследование электрических и оптических свойств зеленых светодиодов 6аР : N, изготовленных методом жидкофазной эпитаксин // Тар Chi Vat Ly. -1987. - V. 12, N 4. - P. 28-32 (Ханой).

7. Nguyen Thanh Nghi, Nguyen Thl Qui Hai, Nguyen Xuan Nghia, Dao Duo Khang, Duong Anh Tuan, Dang Quoc Dung. Изготовление фотоэлементов на основе гетероструктур GaAs - Оа A1 As и их хзрз1:те-

ристики // Тар Chi Vat Ly. - 1990. - V. 15, N 1. - P. 23-28 (Ханой).

8. Еайнберг B.B., Варшава С.С., Зарубин Л.И., Нгуен Суан Нгиа, Островский П.И. Термометрические характеристики нитевидных кристаллов GaP в области криогенных температур // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1994. - Вып. 28 (Киев).

9. Вайнберг В.В., Зарубин Л.И., Нгуен Суан Нгиа, Нгуен Тхань Нги. Низкотемпературные электрические характеристики легированных пленок GaP. Будет опубликовано (Киев).