Курсовая работа (т): Метод молекулярно-лучевой эпитаксии для получения наноразмерных структур БГУИР Кр 1-41 01 04 010 Пз

В твёрдых растворах, выращенных методом МЛЭ и содержащих AlAs, довольно часто встречается единственный глубокий уровень, обусловленный кислородом. Чтобы избежать его появления, необходимо выращивать данные растворы при температурах выше 650 оС. Но выращивать без разложения твёрдые растворы, содержащие InAs, при температурах существенно выше 550 оС можно лишь при использовании чрезвычайно больших избыточных потоков As4.

2.3 Выращивание методом молекулярно-лучевой эпитаксии плёнок из соединений AIIBVI и AIVBVI

Выращивание соединений AIIBVI и AIVBVI и их твёрдых растворов методом МЛЭ обусловлено как прикладными интересами, так и предоставляемой данной технологией возможностью получения наноструктур с квантовыми ямами, которые позволяют исследовать физические свойства узкозонных полупроводников. Материалы, образованные элементами Zn, Cd, Hg, S, Se, Te, представляют полупроводники с кристаллической решёткой цинковой обманки, обладающие различными значениями ширины запрещённой зоны. Соединения AIVBVI составляют материалы или твёрдые растворы, образованные элементами групп IVA и VIA, в частности халькогениды олова и свинца. Эти материалы и некоторые халькогениды редкоземельных элементов представляют собой полупроводники с кристаллической решёткой каменной соли с различными значениями ширины запрещённой зоны.

Причины быстрого развития технологических методов по выращиванию и исследованию соединений AIIBVI и AIVBVI:

Фотодетекторы на основе Hg1-xCdxTe для устройств получения тепловых изображений. Диоды на гетеропереходах CdTe/Hg1-xCdxTe.

Лазеры на основе соединений AIVBVI для перестраиваемых инфракрасных источников.

Электролюминесцентные приборы - панели на соединениях ZnS, ZnSe, ZnTe1-xSex на переменном или постоянном токе.

Солнечные элементы на соединениях AIIBVI: CdTe, CdS.

СверхрешёткиHgTe - CdTe и др.

Помимо приборных применений данный метод можно использовать для получения структур с квантовыми ямами, поскольку их можно рассматривать в качестве особого класса с новыми оптическими и электрическими свойствами.

Широкозонные полупроводники AIIBVI (Zn, Cd:S, Se, Te) очень перспективны в с точки зрения применения в оптоэлектронных приборах, таких как коротковолновые (видимого света) излучающие диоды, электролюминесцентные панели, оптические волноводы и фотоэлектрические солнечные элементы.

Узкозонный полупроводниковый твёрдый раствор Hg1-xCdxTe обладает почти идеальными электрическими свойствами для использования в качестве детектора инфракрасного излучения. Хотя он и заменил в этой области соединения группы AIVBVIPb1-xSnxTe и подобные им соли свинца, эти материалы ещё сохраняют своё значение для использования в перестраиваемых путём изменения температуры инфракрасных лазерах, используемых в спектроскопии и для регистрации загрязнений. Основной причиной предпочтения, которое следует отдать Hg1-xCdxTe в качестве универсального материала для детекторов, является большое различие в коэффициентах теплового расширения между соединениями AIVBVI и кремнием.

Скорость диссоциации эпитаксиальной плёнки устанавливает жёсткий верхний предел температуры роста при данной интенсивности первичных осаждающихся пучков. Кроме того, если рост происходит из отдельных элементарных составляющих, один из которых может быть димером (или тетрамером), то необходимость диссоциации димера на поверхности роста может в принципе устанавливать нижний температурный предел роста соединения стехиометрического состава. К нестехиометрическому росту могут приводить также флуктуации потока исходных веществ, если оба компонента обладают единичным коэффициентом прилипания, как это имеет место при низкой температуре подложки. Последнюю проблему можно решить, если в качестве источника использовать соединение, которое при заданной температуре ячейки Кнудсена испаряется конгруэнтно.

Кроме соединения HgSe (которое разлагается на Hg и в основном полимерные молекулы высокого порядка Sem) все соединения AIIBVIдиссоциируют в соответствии с уравнением:

МХ(тв) → М(газ) + 1/2Х2(газ),

где М - металл, а Х - элемент 6-й группы.

Для выращивания соединений AIIBVI и их твёрдых растворов использовались раздельные источники входящих в соединение элементов. Но вследствие неизбежных в этом случае флуктуаций отношения интенсивностей первичных пучков плёнки удовлетворительного качества получались только при высоких температурах роста, когда действует механизм саморегуляции. Этот режим имеет место при такой температуре роста, когда оба элемента летучи и единственной возможностью для встраивания атомов является реакция на поверхности с образованием соединений типа AIIBVI.

Испарение соединений AIVBVI происходит в основном в виде молекул:

МХ(тв) → МХ(газ)

Образование сильных внутримолекулярных связей IV-VI происходит вследствие эффекта «инертной пары электронов», при котором электроны внешней S-оболочки металла IV группы не участвуют в образовании внутримолекулярной связи. Это является причиной большего перекрытия р-электронов внешних оболочек атомов как IV, так и VI группы. Тот же эффект лежит в основе слабости внутримолекулярной связи II-VI. В небольших количествах наблюдаются также неосновные составляющие разложения паров М, Х, Х2, М2Х, М2Х2. Это иллюстрирует представленный на рисунке 2.6 масс-спектр модулированного пучка, возникающего при кнудсеновском испарении PbTe:

Рисунок 2.6 - Масс-спектр модулированного пучка, полученного кнудсеновским испарением PbTe (энергия электронов 17 эВ, ток эмиссии 2,252 мА, разрешение 2,000). Температура ячейки Кнудсена 750 оС. При этой температуре и большем коэффициенте усиления (60 дБ) в диапазоне больших масс хорошо разрешаются пики, принадлежащие молекулярным блокам исходного вещества.

Рост происходит путём обычного процесса сублимации как в условиях молекулярной, так и газофазной эпитаксии. Использование раздельных источников исходных элементов не даёт преимуществ по сравнению с сублимацией молекул выращиваемого вещества. Для халькогенидов редкоземельных элементов (Eu, Yb:S, Te) также характерна конгруэнтная сублимация молекул.

Оптимальным для выращивания методом МЛЭ твёрдых растворов соединений AIVBVI, таких как Pb1-xSnxTe, PbTe1-xSex или Pb1-xSnxSe, является использование двойной изотермической ячейки, содержащей бинарные составляющие твёрдого раствора.

О выращивании методом МЛЭ плёнок CdTe на подложках CdTe с ориентацией (111) и (001) сообщалось в 1981 г. Процесс роста исследовался в диапазоне температур от комнатной до 250 оС с использованием одного источника CdTe и подложки с ориентацией (111). Исследования на сканирующем электронном микроскопе показали, что поверхность слоёвыращенных при 200 оС, является гладкой и бездефектной. При выращивании плёнок при более высоких температурах картины ДБЭ ухудшаются, а поверхность становится шероховатой. В случае ориентации подложки (001) эпитаксиальный рост наблюдался в температурном диапазоне 80 - 200 оС. Ниже 80 оС происходит переход к поликристаллическому росту.

В исследованиях многослойных структур HgTe-CdTe обнаружено, что при сипользовании одного источника CdTe качество плёнок выше при температуре роста 200 оС. Но при этом возрастает кол-во дислокаций и малоугловых границ зёрен, проникающих из подложки ввиду очень низкого структурного совершенства объёмных кристаллов CdTe.

Один из путей решения этой проблемы - использование идеального совпадения параметров решётки InSb и CdTe (6,48 Å, 25 oC) для получения гетероэпитаксиальных согласованных по параметру решётки плёнок CdTe с высоким совершенством структуры.

Одно из лидирующих мест среди материалов для изготовления инфракрасных фотоприемников (ФП) занимают твердые растворы кадмий-ртуть-теллур (КРТ). Это обусловлено физическими свойствами КРТ (большим быстродействием, возможностью изменения ширины запрещенной зоны КРТ в широких пределах и высокой квантовой эффективностью в диапазонеперекрываемых длин волн).

ГетероструктурыHgCdTe можно получать на Si и GaAs подложках с буферными слоями из CdTe и CdZnTe. Буферные слои необходимы из-за сильного различия параметров кристаллических решеток растущей пленки и подложки (14% рассогласование между HgCdTe и GaAs, 19% - между CdTe и Si, 12% - между ZnTe и Si). Ориентация растущей пленки CdTe на GaAs подложке зависит от температуры подложки. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) превосходит другие эпитаксиальные методы выращивания слоев КРТ на альтернативных подложках благодаряв первую очередь низким температурам роста (∼ 180◦C), что предотвращает диффузию примесей из подложки и снижает фоновое легирование примесями. При температуре ниже 300 оС рост начинается с появления сильного диффузного фона вместо дифракционной картины на экране ДБЭ, что говорит об аморфном состоянии растущей пленки CdTe. Далее на этом фоне появляются тяжи, говорящие о монокристаллическом безостровковом состоянии пленки CdTe, причем с ориентацией (111). Если же рост начать при температуре выше 320 оС, то диффузного фона на экране ДБЭ не появляется. Вместо него видна дифракционная картина от GaAs подложки и пятна от пленки CdTe, причем пленка имеет ориентацию (001) и растет с образованием островков, так как вместо полос (тяжей) дифракционная картина ДБЭ состоит из отдельных пятен. Чтобы получить хорошую однородность пленки по толщине на всей площади вместо традиционного вращения подложки применялся специальный кольцевой рассекатель потока из эффузионной ячейки. Таким образом, в МЛЭ контроль за картиной на экране ДБЭ позволяет выяснить, какая температура нужна для получения заданной структуры пленки.

Физические проблемы при гетероэпитаксии КРТ на подложках из GaAs и Si обусловлены не только большими различиями в параметрах решеток сопрягаемых материалов, но и различной природой химической связи, низкой скоростью диссоциации и реиспарения молекул двухатомного теллура. Это приводит к ухудшению структурного совершенства и увеличению плотности дислокаций в гетероэпитаксиальных структурах КРТ примерно на один-два порядка по сравнению с объемными кристаллами.

Известно о выращивании методом МЛЭ на подложках GaAs плёнок ZnSe, легированных Ga. В данном случае рассогласование постоянных решётки практически отсутствует. После отжига в камере роста полуизолирующихGaAs подложек с целью очистки их поверхности плёнки ZnSe выращивались при температуре Т = 360 оС с использованием отдельных источников Zn и Se и источника Gaдля легирования. Скорость роста составляла 0,8 мкм/ч и слои выращивались при различных температурах ячейки Ga в диапазоне 300 - 600 оС в целях исследования оптических и электрических свойств слоёв, легированных Ga.

При температуре свыше 475 оС был превышен предел растворимости Ga в качестве примеси замещения, что привело к образованию преципитатов Ga и других дефектов решётки.

Выращивание проводилось из трёх источников: CdTe из источника CdTe, а HgTe выращивался из отдельных источников Hg и Te. Подложки CdTe с ориентацией (111) перед выращиванием плёнок отжигались при 300 оС. Структуры HgTe-CdTe выращивались при трёх температурах роста, указанных в таблице 2.1:

Исследование ДБЭ во время роста показывает, что, хотя эпитаксиальный рост происходил и при 120 oC, качество структур существенно выше при 200 oC. Особенно чувствительно к температуре роста качество плёнок CdTe. При 120 oC и 160 oC качество плёнок ухудшалось с увеличением толщины слоёв CdTe. Исследование профилей многослойных структур, выращенных при 160 oC показывают, что взаимная диффузия соседних слоёв ограничена толщиной 40 Å, но нет данных для 200 oC.

Выращивание слоёв PbTe для получения низкопороговых гомолазеров происходит с помощью одного источника, содержащего PbTe. Источниками Bi и Tl для получения донорных и акцепторных примесей служат Bi2Te3 и Tl2Te соответственно. Висмут и теллур встраиваются в узлы подрешётки Pb в PbTe и их эффективность в качестве легирующих примесей почти не зависит от присутствия избыточных количеств Pb и Te в кристаллической решётке. Разложение Bi2Te3 происходит по реакции:

Te3 (тв) → 2BiTe (газ) + ½Te (газ)

На поверхность роста попадают не только атомы Bi в составе молекул, замещая в них Pb, но и небольшой избыточный поток Te2, который образуется при диссоциации исходного вещества, вследствие чего на поверхности слоя возникают вакансии Pb. В результате висмут внедряется в PbTe с единичным коэффициентом встраивания.

Концентрация свободных электронов в легированном висмутом PbTe практически не зависит от температуры роста.

Для согласования параметров кристаллических решеток пленок, выращиваемых на GaAs подложке, от двойных и тройных составов можно перейти к четверным. Цель таких исследований состоит в том, чтобы плавно меняя содержание четвертого компонента, вырастить бездефектный переходной слой, и на этом слое далее выращивать нужную многослойную гетероструктуру. Такой подход был применен к выращиванию ZnSe и ZnMgSe на GaAs подложке, причем в качестве четвертого «выравнивающего» компонента применялись сера S и бериллий Be. В качестве переходного слоя исследовались также тонкие многослойные структуры с чередованием слоев, имеющих рассогласование решеток противоположного знака. Такую «противоположную» пару образуют ZnSSe и ZnCdSe. Ее применение позволило избежать остановок процесса роста, происходивших ранее при изменении содержания серы S путем изменения температуры подложки и при изменении потока ZnSe (то есть при изменении температуры ZnSe ячейки). Безостановочный рост устраняет нежелательный дрейф параметров и тем самым улучшает качество гетероструктуры.

.4 Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния

Ключевая проблема для МЛЭ кремния - очистка кремниевых поверхностей, желательно при как можно меньших температурах. Как уже отмечалось ранее, для очистки поверхности можно использовать травление её пучком ионов аргона с энергией 1 кэВ и последующий отжиг при 1120 К для рекристаллизации поверхности и высвобождения захваченных поверхностью атомов аргона. Но травление кремниевой подложки, покрытой естественным оксидом, приводит к сильному повреждению поверхности. Однако существует методика воспроизводимого получения чистых кремниевых поверхностей высокого кристаллографического совершенства. Методика включает 5-минутный прогрев при 870 K, двухминутный прогрев при 1170K, умеренное травление ионами аргона, отжиг при 1370 - 1520 К в течение трёх минут с последующим охлаждением со скоростью 10 К/мин. Основной недостаток этого метода - сравнительно высокая температура отжига, которая может отрицательно влиять на электрофизические свойства пластин, а если в структуре содержится легированный слой, то привести к размытию профилей легирования. Для преодоления этих трудностей существует два способа подготовки поверхности. Прежде всего для получения атомно-чистых упорядоченных поверхностей можно использовать импульсное лазерное облучение поверхности. Другой низкотемпературный метод очистки заключается в химическом взаимодействии SiO2 с молекулярным пучком кремния при 1120 К. Эта реакция приводит к свободной от кислорода поверхности Si: