автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка InSb/GaAs( 100)-гетероструктур для фотоприемных устройств инфракрасного диапазона

на правах рукописи «Для служебного пользования» Экз. №.

Илюшин Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА 1п5Ь/Оа Аб( 100)-ГЕТЕРОСТРУКТУР ДЛЯ ФОТОПРИЕМ] 1ЫХ УСТРОЙСТВ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и паноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Новосибирск 1999 г.

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете.

Научный руководитель:

кандитат физико-математических наук, доцент Величко А.А.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Скок Э.М.

Доктор технических наук Чесноков В.В.

Ведущая организация: Институт неорганической химии СО РАН, г. Новосибирск.

Защита состоится 21 декабря 1999 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета К063.34.04 по техническим наукам при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск - 92, пр. К. Маркса 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан 19 ноября 1999г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук Берлинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Для регистрации излучения в видимой области спектра широко используются монолитные матричные фотоприемные устройства (ФПУ), изготовленные на основе приборов с переносом заряда. Это стало возможным в связи с разработкой кремниевой технологии "металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)". Важной задачей современной оптоэлектроники является создание подобных высокоэффективных устройств, работающих в инфракрасном (ИК) диапазоне. Возможные варианты конструктивного исполнения таких ФПУ определяются низким тепловым контрастом РЖ-изображения в сочетании с недостаточно высоким уровнем развития МДП - технологии узкозонных полупроводников.

Использование эффекта примесного поглощения в кремнии позволяет обеспечить монолитную интеграцию матрицы фотоприемников и схемы обработки, однако, в тех случаях, когда требуются предельные значения обнаружителыюй способности ФПУ, предпочтительнее использовать эффект собственного поглощения в узкозонных полупроводниках. В настоящее время такие ФПУ изготовляют по гибридной технологии, при этом матрица фотоприемников соединяется с кремниевой схемой обработки путем обратного монтажа при помощи индиевых столбов. Поскольку ввод излучения в гибридную структуру возможен только с тыльной стороны фотоприемной матрицы, значительная часть светового потока поглощается в подложке, не достигая фотоприемников. Для ослабления поглощения толщину подложки уменьшают травлением. К недостаткам такого решения относятся снижение механической прочности конструкции и неоднородность процесса травления по площади структуры. Другой подход заключается в использовании сильно легированных подложек с фотоприемными элементами в нелегированном эпитаксиальном слое, однако, в этом случае снижение собственного поглощения за счет сдвига Мосса-Бурштейна компенсируется увеличением поглощения на свободных носителях.

Более существенное уменьшение поглощения может быть достигнуто при использовании гетероэпитаксиальпых пленок фоточувствительных полупроводников с малой шириной запрещенной зоны, выращенных на подложках из широкозонных полупроводников, таких как ОаАй или Б]. Основная проблема изготовления таких гетероструктур связана с большим несоответствием параметров кристаллических решеток пленки и подложки, приводящем к высокой плотности дефектов структуры вблизи границы раздела. Так, для структур 1пА5/СаАз(100) и 1л8Ь/ОаА5(ЮО), фоточувствительных в диапазоне длин волн 3-5 мкм, рассогласование кристаллических

решеток пленки и подложки составляет 7% в первом случае и 12% - во втором. Высокая плотность дефектов приводит к ухудшению электрофизических параметров пленок, прежде всего к уменьшению времени жизни неосновных носителей заряда.

Вследствие очевидных недостатков, присущих гибридным ФПУ, разработка новых технологий или освоение новых материалов, позволяющих перейти к монолитным устройствам, имеет важное практическое значение. Для создания монолитных ИК-ФПУ представляются перспективными многослойные гстероэпитаксиальныс структуры типа "полупроводник-диэлектрик-полупроводник" на основе пленок фторидов щелочноземельных металлов (ФЩЗМ) и пленок соединений А3В5 или Бг Полупроводниковые и диэлектрические пленки в таких структурах могут быть точно согласованы по параметрам кристаллических решеток, сильно различаясь при этом по своим электрофизическим свойствам. Это дает дополнительные преимущества при проектировании приборных устройств.

Цель диссертационной работы заключалась в создании новых типов гетероструктур для матричных фотоприемных устройств инфракрасного диапазона методом МЛЭ на основе соединений А3В5 и фторидов щелочноземельных металлов.

Для достижения указанной цели в работе предполагалось решить следующие задачи:

1. На основе вакуумно-технологического модуля "Ангара" создать установку для получения гетероэпитаксиапьных полупроводниковых структур и структур типа "полупроводник - диэлектрик - полупроводник".

2. Отработать режимы выращивания пленок 1пБЬ на подложках ОаАз(ЮО) методом молекулярно-лучевой эпитаксии, изучить закономерности дефектообразования.

3. Провести анализ влияния пространственного распределения структурных дефектов на электрофизические параметры приповерхностных слоев эпитаксиальных структур 1п8Ь/СтаАк(100). Разработать конструкции гетероструктур, позволяющие уменьшить негативное влияние дефектов кристаллической решетки на приборные характеристики ФПУ.

4. Изучить закономерности дефектообразования в гетероструктурах " полупроводник - диэлектрик - полупроводник" и разработать конструкции гетероструктур для ФПУ.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальная зависимость типа и количества структурных дефектов в гетероэпитаксиальных пленках 1п8Ь/ОаАБ(100) от особенно-

стей зарождения пленок на начальной стадии роста.

2. Качественная модель механизмов термогенерации в гетероэпи-таксиальных пленках, учитывающая пространственное распределение структурных дефектов по объему пленки.

3. Конструкции ФПУ с барьерными слоями, предназначенными для уменьшения влияния областей гетероэпитаксиальных пленок с высокой плотностью структурных дефектов на работу приборов, расположенных в приповерхностных областях пленок. Результаты экспериментальных исследований по изучению влияния легированных слоев в гетероэпитаксиальных пленках ТпЗЬЛЗаАБООО) на время жизни неосновных носителей.

4. Конструкции интегральных ИК ФПУ в монолитном исполнении на основе многослойных структур "полупроводник - диэлектрик - полупроводник", включающих пленки фторидов щелочноземельных металлов и пленки соединений А3В5 или Результаты экспериментальных исследований свойств таких структур.

Научная новизна работы.

1. Впервые проведено исследование дефектообразования при гетеро-эпитаксии методом МЛЭ пленок 1п8Ь/ОаАз( 100) для широкого диапазона условий роста на начальной стадии. Показано, что в пленках 1п5Ь/СаАз(100) тип дефектов и их распределение по объему пленки существенно зависят от условий проведения начальной стадии роста.

2. Установлена возможность использования эпитаксии в твердой фазе для получения гетероэпитаксиальных пленок 1п8Ь/ОаА5(100), не содержащих деформационных дефектов упаковки.

3. Определена зависимость плотности прорастающих дислокаций в 1пА5/СаА8(100) и ТпБЬ/ОаАэООО) от толщины.

4 Сделаны опенки плотностей генерационных токов в гетерострук-турах с использованием модели пространственного распределения генера-ционно-рекомбинационных уровней. Предложены физические методы блокирования генерационных токов, обусловленных наличием прорастающих дислокаций. Методы основаны на использовании потенциальных барьеров для неосновных носителей. Исследовано влияние легированных слоев в структурах 1п8Ь/ОаАз(ЮО), отделяющих локализованную вблизи границы раздела "пленка - подложка" область с высокой плотностью прорастающих дислокаций, на время жизни неосновных носителей заряда в приповерхностной области.

5. Отработаны режимы выращивания структур СаР2/СаА5/СаР2/СаА5(100) и (Са,5г)Р2/СаА5/(Са,5г)Р2/Са1У81'(111). Установлены закономерности дефектообразования в таких структурах. На основе полученных результатов разработаны научно-обоснованные конст-

рукцни монолитных ФПУ и методы их изготовления.

Практическая ценность работы.

Разработан комплекс аппаратуры и технология выращивания гете-роэпитаксиальных пленок 1п8Ь/ОаА5(ЮО) методом МЛЭ

На основе стеклоуглерода СУ-2300 разработаны оригинальные конструкции молекулярных источников, отличающиеся высокой надежностью, экономичностью и обеспечивающие высокое качество опитакси-альных диэлектрических и полупроводниковых пленок.

Разработана методика выращивания пленок 1п5Ь/ОаА5(1(Ю) не содержащих деформационных дефектов упаковки.

Предложены и реализованы конструкции гетероструктур [пБЬ/ОаЛ^ с высокими значениями времени жизни неосновных носителей.

Разработана технология изготовления многослойных структур "полупроводник-диэлектрик-полупроводник", (Са,8г)172/ОаА8/(Са,8г)ЬУСа!У £¡(111), методом МЛЭ.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:

I Международной конференции по эпитаксиальному росту кристаллов (Будапешт, Венгрия, 1990г); VII Международной конференции но микроэлектронике (Минск, 1990); XI Всесоюзной научно-технической конференции по фотоэлектронным приборам (Ленинград, 1990); Международной конференции им. Попова (Новосибирск, 1998); Российской научно-технической конференции по информатике и проблемам телекоммуникаций (Новосибирск, 1999).

По материалам диссертационной работы соискателем в соавторстве опубликовано 14 работ: в их числе 6 докладов на конференциях, 4 статьи, 4 патента и авторских свидетельства. Результаты исследований и разработок изложены в 3 отчетах по НИР.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения с выводами. Она содержит 147 страниц, включая 36 рисунков, 10 таблиц и список литературы, состоящий из 147 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные задачи работы и защищаемые положения, показана научная новизна и практическая ценность решаемых задач, дана краткая аннотация диссертационной работы.

Первая глава является обзорной. В ней представлены основные

сведения о матричных ФПУ инфракрасного диапазона длин волн. Рассмотрена возможность использования гетероэпитаксиальных пленок узкозонных полупроводников для повышение эффективности ввода излучения со стороны подложки. Приведены особенности выращивания структур 1п5Ь/ОаА5(ЮО)и 1пЛх/'СаА5(100) методом МЛЭ.

В первой главе также представлены сведения об особенностях зарождения и роста эпитаксиальных пленок в случае большого несоответствия параметров кристаллических решеток пленки и подложки, рассмотрены механизмы дефектообразования, основные типы дефектов и их распределение по объему пленок. Приведена модель, объясняющая влияние дислокаций па время жизни неосновных носителей заряда.

По второй главе дано описание установки МЛЭ и ее модернизации. Приведены данные масс-спектрометрических измерений, показывающие, что применение стеклоуглерода СУ-2300 позволяет значительно снизить загрязнения, вносимые тиглем в молекулярный пучок при сублимировании фторидов щелочноземельных металлов. Показана возможность использования тиглей из стеклоуглерода наряду с тиглями из пиролитического нитрида бора для формирования пучков Оа, 1п, Аб, БЬ при эпитаксии соединений А3В5.

Рассмотрены методы исследования структурных и электрофизических параметров гетероэпитаксиальных пленок.

Третья глава посвящена выращиванию гетероструктур 1пАз/ОаА5(ЮО) и 1п5Ь/ОаА5(ЮО) методом МЛЭ и исследованию их свойств. Рост контролировался при помощью дифракции быстрых электронов (ДБЭ) на отражение. Для гетероструктур 1п8Ь/ОаА.ч исследовано влияние особенностей зарождения пленок на количество дефектов структуры и их распределение по толщине эпитаксиалыюй пленки. Использовалось три различных способа выращивания структур.

Первый способ включал три стадии роста:

1 стадия. После выращивания буферного слоя подложка охлаждалась до комнатной температуры. Молекулярные источники индия и сурьмы выводились на режимы, соответствующие скорости роста Я = 0.2 мкм/час и отношению давлений в пучках Б!^ и 1п равному 1.1. При этих условиях производилось осаждение аморфной пленки 1п8Ь толщиной 2,5 нм. После прекращения осаждения пленка подвергалась кристаллизации при 7; ~300°С.

2 стадия: На этом этапе проводился эпитаксиальный рост 1пБЬ при Т, = 370°С и тех же величинах молекулярных потоков 1п и БЬ^, что и на первой стадии. При суммарной толщине слоя 80 нм наблюдалась исключительно отчетливая дифракционная картина от сверхструктуры (%,2х^'2)45°(]00).

1Ф,

3 стадия: Величины молекулярных потоков In и Sb4 увеличивались в 10 раз, и производилось доращивание эпитаксиального слоя InSb до толщины 4-6 мкм при Тх =420"С. Во время роста наблюдалась сверхструктура "псевдо-(1хЗ)".

Второй способ включал только вторую и третью стадии технологического процесса (см. способ 1). В начальный момент энитаксии наблюдалась суперпозиция двух дифракционных картин: от сверхструктуры (2x2) буферного слоя GaAs и точечных рефлексов от пленки InSb. К моменту окончания второй стадии наблюдались рефлексы от ПСС (V2x%/2)45°(I00).

Третий способ. Проводилась только третья стадия роста. Полное сглаживание поверхности достигаюсь при толщине пленки 100 нм.

В гетерограницах всех исследованных образцов залегают дислокации Ломера, образуя квазирегулярную квадратную сетку. Среднее расстояние между ДН соответствует ожидаемой величине при полной аккомодации несоответствия между решетками InSb и GaAs.

Во всех исследованных образцах наблюдаются также прорастающие дислокации. Плотность их зависит от способа роста и составляет 108 см"2 для способа №1 и уменьшается более чем на порядок для способа №3. Способу №2 соответствует плотность прорастающих дислокаций 5107 см"2. Микрофотографии приповерхностных областей трех образцов, выращенных в соответствии со способами 1-3, приведены на рис.1(а-с), соответственно.

Помимо прорастающих дислокаций в образцах №2 и №3 наблюдаются ламели деформационных микродвойников (МД). При этом в образце № 3 их плотность максимальна и равна 106см"2. блюдались.

InSb

РисЛ(а-с).

В образце №1 МД не на-

Таким образом, изменение начальной стадии роста приводит к существенному изменению как количества, так и типа дефектов в объеме эпитаксиалыюго слоя. Поскольку подвижность дислокаций и вероятность их аннигиляции зависят от температуры, то следует ожидать, что наименьшее количество прорастающих дислокаций останется в образцах, выращенных при наиболее высоких температурах на начальной стадии роста, независимо от температуры роста на последующих этапах. Это и наблюдается в эксперименте. Понижение Ts от 420°С до 200°С приводит к возрастанию плотности прорастающих дислокаций примерно в 15 раз. Па рис.2 показано как изменяется плотность прорастающих дислокаций Nos по мере увеличения толщины пленки. Видно, что процесс аннигиляции наиболее интенсивно идет на начальной стадии роста и, поэтому, условия эпитаксии (в частности 7'v) будут влиять на Nns- Различие величин N[>s в образцах 1-3 является количественным отличием, обусловленным условиями роста.

Качественным отличием является отсутствие деформационных микродвойников при использовании твердофазной эпитаксии на начальном этапе роста (образец №1). Известно, что при больших значениях параметра рассогласования кристаллических решеток (f /*) в процессе релаксации гетероэпитаксиальных напряжений могут участвовать не только полные, по и частичные дислокации, например дислокации Шокли. При этом образование частичных дислокаций и, как следствие, формирование дефектов упаковки и микродвойников энергетически выгодно лишь до тех пор, пока уровень остаточных напряжений в пленке не понизится до значений, меньших /*, после чего дальнейшая релаксация напряжений будет осуществляться полными дислокациями.

Поскольку величина остаточных напряжений обратно пропорциональна толщине пленки, то при превышении некоторого значения толщины /?* будет наблюдаться смена доминирующего типа ДН: частичных на полные. В нашем случае это значение h* лежит в интервале 1-2 им (более точная оценка затруднена из-за отсутствия точных данных о величине энергии дефекта упаковки в InSb). Таким образом, при обычной эпитаксии InSb на GaAs мы будем наблюдать как частичные ДН и связанные с ними МД, так и полные ДН (образцы 1 и 2). В случае твердофазной эпи-

Рис.2

таксии исходная толщина аморфной пленки составляла 2,5 нм, что больше, чем h*. После рекристаллизации такой аморфной пленки введение частичных дислокаций.является уже энергетически не выгодным, гак как резко возрастает доля поверхностной энергии, связанной с образованием дефектов упаковки (площадь дефекта упаковки пропорциональна толщине пленки) Поэтому процесс пластичной деформации рекристаллизованнон

_ . пленки будет осуществляться iojilko путем скольжения полных /щелока-_

ций, что мы и имеем для образца №1. Важно отметить, что выбранная толщина аморфной пленки 25А является оптимальной. Увеличение ее приводит к образованию поликристаллических включений, а уменьшение - к образованию микродвойников.

Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлена зависимость плотности дефектов структуры в гетероэпитаксиальных пленках InSb от технологических режимов роста. Показано, что, варьируя режимы роста начальной стадии, можно на порядки менять плотность дислокаций или двойников

В четвертой главе рассмотрено влияние дефектов структуры в гетероэпитаксиальных пленках InSb и InAs на время жизни неравновесных носителей.

Матрицы ФПУ чаще всего формируют из р+-п-диодов или МДП-' структур. Излучение, попадая в область пространственного заряда (ОПЗ) МДП-структуры или обратно смещенного р+-п-перехода, генерирует неосновные носители, которые накапливаясь в ОПЗ, изменяют зарядовое состояние ячейки. Заряд в ОПЗ накапливается также за счет темповых токов прибора, среди которых в узкозонных полупроводниках важнейшим является ток термогенерации. Высокий темп генерационно-рекомбинационных процессов является основным фактором, препятствующим использованию гетероэпитаксиальных структур InSb/GaAs и InAs/GaAs в конструкциях матричных ФПУ.

В свою очередь ток термогенерации определяется генерацией на поверхностных состояниях или состояниях границы раздела "диэлектрик-полупроводник", генерацией в ОПЗ и генерацией в электронейтральной части структуры, из которой генерированные носители диффундируют в ОПЗ. Основным механизмом темновой генерации является генерация через локальные энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны полупроводника. Эти генерационные уровни образованы точечными и структурными дефектами в полупроводниковом материале. Каждый из компонентов генерационного тока зависит от времени жизни неосновных носителей заряда, являющегося важнейшей характеристикой полупроводникового материала, определяющей в конечном итоге время накопления, чувствительность и обнаружительную способность ФПУ.

При одновременном существовании нескольких механизмов рекомбинации общее время жизни неравновесных носителей заряда определяется выражением

I Т;-,ф -I TR I //Т.ЗД-+ У/tav

В узкозонных полупроводниках время жизни при излучательных переходах тк составляет (0,5-1 )мкс. Рекомбинации на локальных центрах в гомоэпитаксиальпых пленках InAs и InSb соответствуют приблизительно такие же значения г.«,. Измерения эффективного времени жизни неравновесных носителей в гетерэпитаксиалышх пленках СВЧ-методом дают значения (20-30)нс. Учитывая приведенные выше значения хц и г», можно сделать вывод, что малые значения тэФ определяются дислокационной составляющей времени жизни rCs. В предположении, что дислокации создают энергетические состояния в запрещенной зоне полупроводника, их электрическая активность может быть описана в терминах модели Шокли -Рида.

Анализ темповых токов в гетероэпитаксиальных структурах осложняется необходимостью учитывать пространственное распределение гене-рационно-рекомбинационных центров. Как видно на рис.2 плотность прорастающих дислокаций уменьшается при удалении от границы раздела. В первом приближении Nus где х - ось координат, направленная от ге-терограницы к поверхности. На гетерогранице NDS ~10|2см"2, а у поверхности пленки толщиной 4-6 мкм Nos ~107см"2.

Связь времени жизни с плотностью дислокаций определяется простой моделью, известной из литературы [1 ]:

% « гр 4 ■ (к3 Dp Non) -Nos'.

где Dr - коэффициент диффузии неосновных носителей, А - численный коэффициент. Эта зависимость подтверждена экспериментально для слиточного Ge и для гетероэпитаксиальных пленок GaAs/Si [2].

Расчеты показывают, что в электронейтралыгой части фотоприемной структуры темповой генерационный ток вблизи гетерограницы превышает генерационный ток в ОПЗ. Важно отметить, что большинство генерационных процессов, таких как генерация в ОПЗ, генерация через поверхностные состояния и туннельная генерация зона-зона являются самогасящими, то есть темп генерации снижается по мере заполнения ОПЗ дырками. В то же время термогенерация в электронейтральной части от зарядового состояния ОПЗ не зависит и, поэтому, ее роль еще больше возрастает. Несмотря на то, что основной источник термогенерации /„ находится на удалении b = 2-3 мкм от ОПЗ, часть дырок достигнет ОПЗ вследствие диффу-

зии. При диффузионной длине дырок = 1-Ю"1 см:

I (опз) - К,ехр(- Ы 1Р) - О.Н /,,

Заметим, что снижение полного темнового тока путем простого увеличения толщины эпитаксиального слоя не приемлемо, так как при этом уменьшается не только темповой ток, но и ток дырок ¡1, генерируемых при поглощении фотонов вблизи ГР "иленка-нодложка".

Для снижения темновых токов, необходимо исключить диффузию неосновных носителей из дефектной области к поверхности пленки. В этом отношении полезным может быть п'-легирование пленки вблизи ГР. Существенно, что использование сильно легированных слоев позволяет также обеспечить прозрачность дефектной области за счет эффект Мосса-Бурштейна

С целью экспериментальной проверки зависимости тр от плотности дислокации, а также для выяснения возможности получения в приповерхностной области пленок Ь^ЬАЗаАз значений тр не ниже 100 не, в рамках диссертационной работы были проведены измерения локальных значений времен жизни с использованием фотомагнитного эффекта (ФМЭ). Эта методика позволяет измерять рекомбинационные и диффузионные парамег-ры материала. Измерения показали, что время жизни неосновных носителей изменяется по толщине пленки, а дополнительное легирование дефектной области вблизи ГР позволяет увеличить время жизни у поверхности. Так, для пленок толщиной И = 6 мкм, характеризующихся интегральным по толщине временем жизни т3 ~ 30 не, время жизни у поверхности т„ь = 300 не, а время жизни у ГР тп5 < 0.1 не. Отметим, что хотя параметры структур ¡пБЬ/ОаАз не были оптимизированы, по величинам времен жизни в приповерхностной области пленок эти структуры удовлетворяют требованиям, предъявляемым к структурам для производства матричных ФПУ. Отметим также наличие нормальной модуляции МДП-структур Ме-8Ю2-[п5Ь/СаА5(100).

Несмотря на то, что время жизни неосновных носителей в приповерхностной области пленок является достаточно большим, параметры фотоприемников в приборных структурах могут быть недостаточно высокими, вследствие диффузии в область пространственного заряда термогене-рированных носителей из дефектной области вблизи границы раздела "пленка-подложка".

Анализ генерационно-рекомбинадионных процессов в гетерострук-турах с градиентами рекомбинационных центров позволил предложить

оригинальные конструкции приборных структур, в которых области световой генерации неосновных носителей и интерфейсные области с повышенной плотностью дефектов, пространственно разделены. В таких структурах диффузия неосновных носителей из дефектной области блокируется с помощью потенциальных барьеров. Зонная диаграмма одной из таких структур приведена на рис.3. Неосновные носители, диффундируя к ОПЗ, попадают в потенциальную яму между двумя п+-областями. Высота потенциального барьера зависит от уровня легирования и для ЬпАб и 1пБЬ может составлять 0,1-0,2 эВ. При рабочей температуре ФПУ ЮОК этот барьер практически не прозрачен для дырок.

Пятая глава посвящена фторидам щелочноземельных металлов и гетероэпитаксиальным структурам "фторид-полупроводник". Приведены о результаты экспериментов по выращиванию многослойных композиций СаР2/ОаА5/Са1-уОаА5(ЮО) и (Са,8г)Р2/ОаАй/(Са,8г)Р2/СаР2/5К111) методом МЛЭ в замкнутом технологическом цикле, описаны имеющиеся в них дефекты. Установлена возможность применения пленок ФЩЗМ для создания просветляющих покрытий, предложены варианты использования многослойных эпитаксиальных структур "полупроводник - диэлектрик - полупроводник" в качестве основы конструкций оптоэлектронных интегральных схем различного назначения.

Рост пленок контролировался с помощью метода дифракции быстрых электронов на отражение. Начальной стадии эпитаксии СаР2 на СаА5(100) сопутствовал интенсивный диффузный фон на экране дифрак-гометра, наиболее сильный в случае использования подложек без буферного слоя. В обоих случаях наблюдалась точечная картина дифракции, то есть пленки росли монокристаллическими, по механизму Фольмера-Вебера.

Анализ выращенных структур СаГ2/СгаАх( 100) методом ВРЭМ показал, что б пленках СаР2 не выявляются прорастающие дислокации, двойники и другие дефекты кристаллической структуры, однако вблизи границы раздела "полупроводник-диэлектрик" имеется неоднородная по толщине разупорядоченная область (РО). Среднее значение толщины разупо-

Рис.З.

рядочепной области- 1-2 им, рис.4. Основной причиной образования РО, вероятнее всего является одновременное существование на гетерогранице нескольких конфигураций связей между атомами Са, Аб, Р. Другой возможной причиной образования РО является рассогласование параметров кристаллических решеток СаК2 и СаАэ.

С целью опрсдслсниятшишшя-разупоря-доченного слоя на электрические свойства диэлектрика и границы раздела производились измерения напряженности поля пробоя Еп/>, удельного сопротивления р и плотности поверхностных состояний Л',,. Для всех структур Ещг (1-3)10Л В/см, р= 1013 Ом см. Последний параметр не удалось определить для структур без буферного слоя вследствие нестабильности вольт-фарадных характеристик. При наличии буферного слоя =110исм"2.

Для уменьшения толщины разупорядо-ченного слоя целесообразно увеличить температуру эпитаксии и вместо СаР2 использовать твердый раствор (Са,8г)Р2, согласованный по параметру решетки с ОаАв. Поскольку при увеличении температуры роста существует опасность деструкции ОаАэ подложки, для уменьшения толщины РО можно использовать импульсный термический отжиг. Для всех гетерограниц анализировались картины дифракции электронов на просвет. Установлено, что во всех случаях выполняется эпитак-сиальное соотношение (100)СаР2/( 1ОО^аАБ. Величина параметра рассогласования решеток/, определенная по взаимному расположению рефлексов от СаР2 и ОаАя равна 3.6%, что согласуется с теоретическим значением 3,7% для этой гетеропары при комнатной температуре.

В многослойных структурах СаР2/СаА5/СаР2/СаА5( 100) пленки ОаАь выращивались при минимальных значениях у, еще обеспечивающих стабилизацию поверхности мышьяком, при температуре 550°С и скорости роста 1мкм/час. Соответствующие условия для слоев СаГ2 были: 500-550°С и 0,5мкм/час. Толщины слоев СаР2 составляли 0,1 мкм, слоев ваАз - 0,5мкм.

Образцы для структурных исследований, проводившихся методами ПЭМ и ВРЭМ, препарировались таким образом, чтобы прозрачная область фольг (100) всегда представляла собой бикристалл СаРг-ОаАз. Были изучены 3 типа тонких фольг, содержащих границы раздела "полупроводник-диэлектрик", пронумерованные от подложки к поверхности как ГР1-ГРЗ.

Рис.4.

Для всех гетерогралиц анализировались картины дифракции электронов на просвет. Установлено, что во всех случаях выполняется эпитак-сиальное соотношение (100)CaF2/(100)GaAs. Величина параметра рассогласования решеток /j определенная по взаимному расположению рефлексов от CaF2 и GaAs равна 3.6%, что согласуется с теоретическим значением 3,7% для этой гетеропары при комнатной температуре. Этот факт, указывающий на практически полное отсутствие упругой деформации сопрягаемых слоев, подтверждается и результатами ПЭМ-анализа: в структуре первого слоя CaFj, выращенного на буферном слое GaAs, не выявлено дислокаций, дефектов упаковки и микродвойников. На фотографиях участков фольги, содержащих гетерограницу, наблюдается параллельный муар с периодом 5,6+0,5 им для рефлексов 220, что соответствует/^ 3.6%. Это свидетельствует о том, что изображение ГР1, получено в условиях точной брэгговской дифракции от неискаженных плоскостей бикристал-ла Подобная картина типична и для гетерограницы ГРЗ.

На изображениях ГР1 и ГРЗ CalVGaAs в условиях слабого пучка не обнаружено дифракционного контраста, который можно было бы связать с периодическими искажениями, характерными для сетки ДН. Более детальные исследования поперечного среза ГР1 методом ВРЭМ не позволили однозначно ответить на вопрос о ДН вследствие наличия РО, подобной имеющейся на рис.4. Удалось установить только, что в областях, где кристаллическая решетка деструктурирована, имеются локальные рассогласования плоскостей атомов {111}. ПЭМ-изображение ГР2 поперечного среза четырехслойной структуры представлено на рис.5. На микрофотографии видна пирамида роста с боковыми гранями, образованными плоскостями {111}. Наличие пирамид на поверхности СаР2 приводит к многочисленным дефектам в эпитаксиалыюм слое GaAs. Анализ изображений показывает, что в нем формируются дефекты упаковки, микродвойники и прорастающие дислокации с плотностью вблизи ГР 107 см"2. Границы двойников представляют собой плоскости (111). Важно отметить, что плотность дефектов резко убывает с увеличением толщины эпитаксиального слоя GaAs.

Поперечные срезы структур (Cao^Sro 57)F2/GaAs/(Ca0.n.Sro 57)F2/CaF2/ Si(l 11) исследовались методом ПЭМ. Микрофотографии представлены на рис.6. Толщины всех фторидных пленок - 0,1 мкм, пленок GaAs - 0,5 мкм.

Рис.5.

Все границы раздела являются атомарно - гладкими, что согласуется с

двумерным механизмом роста Ф1ЦЗМ при ориентации поверхности подложки (111). В пленках фторидов не обнаруживаются дефекты, в том числе вблизи границы раздела (Cao4:iSro.57)F2/CaF2.

Вид и плотность дефектов в эпи-таксиальном слое GaAs определяется в~ первую очередь ориентацией подложки и морфологией поверхности диэлектрика! Пирамиды роста, наблюдавшиеся при росте СаГ2 на GaAs(lOO), в данном случае отсутствуют. Отметим еще одно отличие структур с ориентацией поверхности (100) от структур с ориентацией поверхности (111). В первом случае основными дефектами в слоях GaAs являются микродвойники. рис 6 плотность которых быстро убывает

при удалении от ГР. Во втором случае в слоях GaAs помимо микродвойников присутствуют зерна субмикронных размеров, проявляющиеся на фотографиях поперечных срезов в виде контрастных областей вблизи ГР и находящиеся, вероятно, в двойниковой позиции. Об этом свидетельствуют в частности дополнительные рефлексы на экране дифрактометра, наблюдавшиеся во время эпитаксии.

Измерения электрофизических параметров структур (C?k) 45S1« 57)F2/GaAs/(Cao 41Si"(i 57)F2/CaF2/Si( 111) показали, что верхняя гете-рограница "диэлектрик - полупроводник" несколько уступает по своим параметрам гетерогранице системы CaF2/GaAs(100). Возможно, это связано с недостаточно совершенной морфологией поверхности GaAs(lll), проявляющейся даже при гомоэпитаксиальном росте. Измерения проведены на частоте 1 МГц при 7=ЗООК. Для этих структур А'„= 4.610псм"2, (?„--3.210"см~2 и W.„ = I.7-10"cm"2, (7и=4.7Ю10см"2, соответственно.

Ниже рассмотрены предполагаемые варианты использования гетеро-эпитаксиальных структур полупроводник - диэлектрик - полупроводник на основе пленок ФЩЗМ. В первой конструкции на кремниевой подложке, содержащей схему обработки, последовательно выращиваются диэлектрические слои CaF2, (Ca,Sr)F2 и полупроводниковые фоточувствительные слои GaAs, I11 As или GaAs, InSb. На обратной стороне подложки осаждается просветляющий слой CaF2. Все слои структуры выращиваются в одной установке в замкнутом технолог ическом цикле. Это должно обеспечить

Рис.7.

низкие значения плотности поверхностных состоянии, высокии процент выхода годных изделий, снижение стоимости конструкции ФПУ и увеличение надежности.

В другой конструкции, схематично представленной на рис.7, схема обработки изготовляется в эпитаксиальном слое кремния структуры 81/СаР2/51. В этом случае использование структуры типа "кремний на ФЩЗМ" позволяет увеличить радиационную стойкость схемы обработки, ее быстродействие и надежность.

1 - просветляющий слой; 2 - кремниевая подложка; 3 - диэлектрический слой СаРг; 4 - транзистор с электродами 7, 5, 12; 6 - подзатворный диэлектрик; 8 - эпитаксиальный слой (ВаДг,Са)р2; 9 - слой фоточувствительного полупроводника, в котором сформирован фотоэлемент; 10 - защитный диэлектрик; 11 - электрод фотоэлемента.

Для приведенных конструкций характерен один недостаток - высокая дефектность полупроводниковых пленок в гетероэпитаксиальных структурах 1пАБ/С}аАя, 1п8Ь/СаАз, а также ОаАз/(Са,Бг)р2, приводящая к снижению времени жизни неосновных носителей заряда и увеличению темновой генерации. Методы уменьшения темповых токов, предложенные в главе 4, лишь частично решают эту проблему.

Исследования гетероэпитаксиальных структур "полупроводник -диэлектрик-полупроводник" позволили установить, что дефектообразо-вание в полупроводниковых пленках таких структур определяется в основном только качеством рис g поверхности и кристал-

лическим совершенством диэлектрических слоев и, при определенных условиях, практически не за-

висит от выбора подложки. Это позволяет предложить конструкцию ФПУ, в которой подложка из фоточувствительного материала является основой многослойной структуры 51/СаР2/ВаРУ1пАз. В такой конструкции схема обработки изготовляется в относительно дефектном гетероэпигаксиальном полупроводниковом слое, а фотоприемные элементы - в более совершенном гомоэпитаксиальном, рис8. Эпитаксия на поверхности структуры СаР2/(Са,8г,Ва)Р2/1пА5 и все процессы формирования схемы обработки в нем проводятся с использованием импулБснош иI жига:-

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработаны и созданы оригинальные конструкции молекулярных источников с использованием стеклоуглерода СУ-2300, обладающие высокой надежностью и экономичностью и обеспечивающие получение высококачественных эпитаксиальных полупроводниковых и диэлектрических пленок.

2. Экспериментально установлена зависимость типа и количества структурных дефектов в гетероэпитаксиальных пленках 1п8Ь/СаА5(100) от особенностей зарождения пленок. Показана возможность использования эгштаксии в твердой фазе для получения гетероэпитаксиальных пленок 1п8Ь/СаАз(100) не содержащих деформационных дефектов упаковки.

3. Предложена качественная модель расчета плотности генерационного тока в гетероструктурах, основанная на учете пространственного распределения генерационно-рекомбинационных уровней. Разработаны методы блокировки генерационных токов, обусловленных наличием прорастающих дислокаций. Методы основаны на использовании потенциальных барьеров для неосновных носителей.

4. Получено экспериментальное подтверждение возможности использования легированных слоев в гетероструктурах 1п8ЬЛЗаАБ(100) для увеличения времени жизни неосновных носителей заряда в приповерхностных областях эпитаксиальных пленок.

5 Несмотря на различие параметров кристаллических решеток и коэффициентов термического расширения полупроводников и ФЩЗМ в ге-теросистемах "полупроводник - диэлектрик-полупроводник" отсутствуют напряжения. Механизм релаксации напряжений вероятно связан с наличием разупорядоченной области вблизи границы раздела "полупроводник-диэлектрик", причина образования которой может заключаться в одновременном существовании нескольких конфигураций химических связей.

6. На основе установленных закономерностей формирования многослойных структур полупроводник - диэлектрик - полупроводник" предложены варианты конструкций ФПУ с использованием пленок ФЩЗМ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Величко A.A., Илюшин В.А., Сорокин А.И., Ноак С.К. Источник для молекулярно-лучевой эпитаксии - Авторское свидетельство N. 1704490.

2. Величко A.A., Илюшин В.А. Способ получения гетероэпитакси-альных структур InSb/GaAs.- Патент N.2063094. Бюл. N18 (27.06.1996).

3. Величко A.A., Гутаковский A.A., Илюшин В.А. Дефектообразо-вание в гетероструктурах InSb/GaAs. - Информатика и проблемы телекоммуникаций. Российская научно-техническая конференция. Новосибирск, 21-21 апреля 1999г.

4. Величко A.A., Илюшин В.А., Окомельченко.- Отчет НИР "Резец 5-33", НИИ "Восток", Новосибирск, 1989г, ДСП.

5. Величко A.A., Илюшин В.А. Электрофизические и структурные свойства гетероэпитаксиапьных слоев InSb/GaAs, полученных методом МЛЭ. - Тезисы докладов XI всесоюзной научно-технической конференции по фотоэлектронным приборам, Ленинград, сентябрь 1990, с.46-48, ДСП.

6. Величко A.A., Илюшин В.А. Электрофизические свойства пленок антимонида индия, полученных из молекулярных пучков. -Электронная промышленность, 1993, N.8, с.48-50.

7. Величко A.A., Илюшин В.А. Механизмы роста, структура и электрофизические свойства гетероэпитаксиальных слоев арсе-нида индия, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. - Обзоры по электронной технике, серия 6 (материалы), вып.9(1574), 1990г., М., ЦНИИ "Электроника".

8. Величко A.A., Илюшин В.А., Окомельченко. - Отчет НИР "Рокот" К3049(ДСП), НИИ "Восток", Новосибирск, 1989г.

9. Величко A.A., Илюшин В.А. Технология получения и свойства гетероэпитаксиальных слоев InAs на широкозонных подложках GaAs и GaSb. - Тезисы докладов X I всесоюзной научно-технической конференции по фотоэлектронным приборам, Ленинград, сентябрь 1990, с.45-46, ДСП.

10. Величко A.A., Илюшин В.А. Гетероэпитаксиальные слои InSb с высоким временем жизни. - Международная конференция им. Попова, Новосибирск, сентябрь 1990, с.45-46.

11. Величко A.A., Илюшин В.А. Полупроводниковая гетероэпитак-сиальная структура для фотоприемной ячейки. Патент N.2065224, Бюл. N.22 (10.08.96).

12. Величко А.А., Илюшин В.А. Полупроводниковая гетероэпитак-сиальная структура с высоким временем жизни. Патент N.2045106, Бюл. N.27 (27.09.95).

13. Величко А.А., Илюшин В.А., Окомельчснко И.А. Получение фторида кальция электронно-молекулярным распылением. -Электронная промышленность, 1994, N.6, с.38-39.

14. Величко А.А., Залабасов О.А., Иванов В.Б., Илюшин В.А., Ноак С.К., Спутай С В. Ориентированный рост"СаР;Гна~нолупровод--никовых подложках. - Полупроводниковая тензометрия, Новосибирск, НЭТИ, 1991, с.59-63.

15. Величко А.А., Гутаковский А.К., Илюшин В.А., Ноак С.К., Пин-тус С.М., Карасев В.Ю. Особенности структуры многослойной гетеросистемы CaF2/GaAs, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии. -7-я международная конференция по микроэлектронике. Тезисы докладов, Минск, АН СССР, 16-18 октября 1990, т.2, с.79-81.

16. Velichko A.A., Gutakovski А.К., Ilyushin V.A., Noak S.K., Pintus S.M. Interface structure of CaF2/GaAs epitaxial system. - 1-st International conference on epitaxial cristal growth, Budapest, Hungary, April 1-7 1990, p.190-192.

17. Величко А.А., Илюшин В.А., Окомельченко И.А. и др. Научно-

технический отчет о НИР "Субстрат", НИИ "Восток", Новосибирск, 1991г. (ДСП)

Цитируемая литература:

1. Yamaguchi М., Amano С. Efficiency calculations of thin films GaAs solar cells on Si substrates. -J. Appl. Phys., 1985, v.58, p.3601.

2. Ahrenkiel R.K., Al-Jassim M.M., Keyes В., Dunlavy D., Jones K.M., Vernon S.M., Dixon T.M.. Minority carrier lifetime of GaAs on Si. -J. Electrochem. Soc., 1990, v.137, N.12, с 996-1000.