Наиболее важные параметры эпитаксиальных слоёв

ü Состав и химическая однородность слоёв

ü Структурное совершенство

ü Толщина слоёв

ü Морфология поверхности

I. В процессе ЖФЭ большое внимание уделяется исходному составу.

С₀ – исходный состав жидкой фазы при Т₃

При получении многокомпонентных твёрдых растворов из жидкой фазы возникают ограничения, связанныё с наличием областей расслаивания в жидкой фазе.

Чем ниже температура, тем больше пространство занимает область несмешиваемости.

Однородность состава.

При ЖФЭ осуществляется изотермическими вариантами. Причиной возникновения неоднородности состава при ЖФЭ является образование переходных слоёв в результате подрастворения подложки, вызванного отсутствием термодинамического равновесия контактирующих фаз.

А_1-х СВ_х/ АВ

Наличие переходных слоёв во многих случаях нежелательно. Для предотвращения процесса подплавления подложки целесообразно использовать переохлаждённые растворы, чтобы движущие силы кристаллизации превосходили движущие силы растворения.

Основные источники дефектов в пленках. К ним относятся следующие:

1. Дефекты подложки. Слой может наследовать дислокации подложки.

2. Дислокации несоответствия.

3. Малоугловые границы, образующиеся при срастании стабильных крупных зародышей, имеющих различную ориентацию.

4. Дефекты упаковки, возникающие при коалесценции зародышей.

Причина их возникновения — несоответствие решеток зародышей, связанное с нарушением порядка чередования атомных плоскостей при слиянии стабильных зародышей по сравнению с ненарушенным монокристаллом. Дефекты упаковки могут возникать и в месте контакта зародыша и подложки.

5. Дислокации, возникающие из-за эффектов пластической деформации растущей пленки. После коалесценции зародышей и образования сплошной пленки механизм возникновения дислокаций несоответствия перестает действовать. Вместе с тем с ростом толщины пленки в связи с уменьшением доли несоответствия, компенсируемой за счет упругой деформации, напряжение, при котором начинается пластическая деформация, уменьшается, что ведет к возрастанию плотности дислокаций.

6. В случае сильно легированных подложек дефекты в эпитаксиальных слоях могут вызываться выделениями и предвыделениями второй фазы в подложке.

7. Загрязнения поверхности подложки также могут приводить к образованию дефектов в эпитаксиальном слое.

Основной вид дефектов – дислокация.

Источники образования:

Прорастание дислокаций из подложки

Образование дислокаций под действием напряжений, вызванных рассогласованием периодов решёток (ε_∆а)

Образование дислокаций, вызванных различием коэффициентов термического расширения (ε_∆α)

Образование дислокаций, вызванных неоднородностями составов эпитаксиальных слоёв (ε_∆С)

В гомоэпитаксиальных структурах основной источник – подложка.

N_D=10³-10⁴ cм^-2

В гетероэпитаксиальных структурах

N_D=10⁶-10⁷ см^-2, расстояние между дислокациями соизмеримо с диффузионной длиной носителей заряда и дислокации оказывают влияние на характеристики материала

σ=σ_∆а+σ_∆α+σ_∆С В результате действия ε_∆а образуются дислокации несоответствия. Эта составляющая общего напряжения вносит наибольший вклад.

Механизм образования дислокаций несоответствия:

На начальных этапах роста эпитаксиального слоя, когда его толщина мала, эпитаксиальный слой может упруго деформироваться, приспосабливая свой период решётки к периоду решётки подложки; по мере утолщения слоя напряжения накапливаются и при d=d_крит деформации релаксируют с образованием дислокаций на гетерогранице.

d_кр≈0,5b/σ, b - вектор Бюргерса; ε-величина деформации, σ= ∆а/а₁

Для понижения плотности дислокаций используют следующие приёмы:

- используются переходные слои для обеспечения плавного перехода

В ряде случаев этот метод недоступен, тогда:

-усложнение состава эпитаксиальных слоёв; введение дополнительных компонентов открывает новые степени свободы, позволяет независимо управлять периодами решётки и фундаментальными физико-химическими параметрами.

Ga_1-xIn_xAs_1-yP_y /InP (отсюда возникла идея с четырёхкомпонентными системами, что позволяет независимо от х варьировать а и ∆Eg)

σ_∆а играет менее важную роль на этапе охлаждения, то есть в области более низких температур; там плоскость резко сжимается и упругие напряжения, вызванные разницей α, релаксируют лишь в малой степени. Это приводит к изгибу структуры:

Для устранения изгиба подбирается подложка с таким параметром решетки, что при выращивании слой получается напряженным, однако при охлаждении за счет разницы в температурных коэффициентах расширения напряжение снимается.

Собственные точечные дефекты в эпитаксиальных слоях:

Концентрация СТД зависит как от температуры проведения процесса, так и от таких факторов, как состав, скорость осаждения и др. При ЖФЭ С_стд более контролируема, чем при ГФЭ.

Наличие вырожденной эвтектики позволяет использовать компонент А как растворитель.

Протяжённость области гомогенности уменьшается с увеличением температуры. Наличие области гомогенности не говорит о наличии СТД.

А(ж. р-р)↔Аа+Vв, К₁=[Aa][Vв]/а_А^ж_{(в ж. фазе)}, а-активность

В(ж. р-р) ↔Вв+Vа, К₂=[Вв][Va]/а_в^ж

[Vв]=С_а^жК₁/[Аа]=2а_А^жК₁; [Va]= 2а_в^жК₂

[Аа]=[Вв]=0,5 (50%)

При Т=const, К1, К2=const, следовательно [Va]/[Vв]=fа_А^ж/а_в^ж

Не только температура может влиять на [V], но и изменение активностей компонентов, изменения состава среды кристаллизации (использование альтернативных растворителей: изовалентные одному из компонентов кристаллизуемого вещества, но обладающего низкой растворимостью; GaAs → используется Вi)

Толщина эпитаксиального слоя:

Контроль толщины играет важную роль, так как она (в большинстве случаев) определяет размер активной области приборов.

Последующая доводка толщины затруднительна и во многих случаях невозможна.

Контроль толщины осуществляется подбором режима выращивания: путём определения лимитирующей стадии процесса и строгому контролю параметров. В большинстве случаев лимитирующая стадия определяется кинетикой поверхностных процессов, либо скоростью массоподвода к поверхности кристаллизации.

Однородность толщины на поверхности:

Причины неоднородности:

ü Неоднородное распределение температуры

ü Неоднородность массопотоков осаждаемого вещества в среде кристаллизации

Способы устранения:

- создание термостатируемого режима с точностью поддержания температуры ∆Т≈0,1^◦

Морфология поверхности:

Причиной нарушения планарности поверхности является кристаллографическая разориентация подложки и неравномерность потоков.

Причина: разориентация подложки (необходимо вырезать подложку чётко в соответствии с кристаллографическим направлением).

Дата добавления: 2014-01-07