WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 2 Сегрегация индия при выращивании квантовых ям InGaAs / GaAs в условиях газофазной эпитаксии ¶ © Ю.Н. Дроздов, Н.В. Байдусь, Б.Н. Звонков, М.Н. Дроздов, О.И. Хрыкин, В.И. Шашкин Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 18 декабря 2001 г. Принята к печати 15 апреля 2002 г.) Исследовано распределение атомов индия в структурах с двойными квантовыми ямами InGaAs / GaAs, выращенных методом металлоорганической газофазной эпитаксии. Экспериментальные профили распределения индия были получены методом оже-электронной спектрометрии. Для вычисления профилей использовалась модель роста с учетом сегрегации индия и модель оже-профилирования. Согласование вычисленных и экспериментальных профилей позволило оценить энергии активации процессов обмена In–Ga в рамках кинетической модели сегрегации. Полученные значения оказались несколько выше, чем известные для молекулярно-пучковой эпитаксии, что связано со стабилизацией ростовой поверхности атомами водорода в газофазном реакторе.

1. Введение деления элементов по глубине слоя с высоким разрешением. В настоящей работе профиль концентраПри выращивании эпитаксиальных слоев твердых рас- ции индия в МОГФЭ-структурах с двумя квантовытворов сегрегация (отделение) одного из компонентов ми ямами InGaAs исследовался методом оже-электраствора поверхностью роста приводит к искажению ронной спектрометрии высокого разрешения с послойпрофиля концентрации, что особенно заметно сказыва- ным травлением ионами аргона. Функция разрешения ется на тонких слоях типа квантовых ям. Сегрегация оже-спектрометра была уточнена на тестовых образцах индия при росте слоев InGaAs на GaAs (100) неоднои использована при вычислении профилей распредекратно наблюдалась в процессах молекулярно-пучковой ления элементов по глубине слоя. Мы моделировали эпитаксии (МПЭ), где малые скорости роста и высокая процесс роста (с учетом сегрегации атомов индия) воспроизводимость результатов позволили количествени последующий процесс послойного анализа. Сравнение но оценить параметры процесса [1–6]. Используют три экспериментального и вычисленного профилей позволиосновные модели сегрегации. Первая, простейшая моло уточнить параметры ростового процесса и оценить дель экспоненциального нарастания или спадания конприменимость в процессе МОГФЭ моделей, разработанцентрации, отвечает постоянству коэффициента распреных для МПЭ.

деления концентраци между твердой фазой и поверхностью [1–4]. Вторая, кинетическая модель, описывает сегрегацию как совокупность двух термоактивационных 2. Техника эксперимента процессов обмена атомами In–Ga между поверхностью и верхним слоем твердой фазы [6]. Третья, термодинамиЭпитаксиальные структуры были выращены в горическая, предполагает, что вероятность обмена атомами зонтальном реакторе для МОГФЭ в потоке водорода при за время роста монослоя очень высокая и в результате атмосферном давлении. В качестве источников испольустанавливается равновесное распределение концентразовался триметилгаллий, триметилиндий и арсин.

ции (см. работу [7] для случая сегрегации Ge).

Структуры A, B, C, D содержали две квантовые ямы В случае газофазной эпитаксии из металлоорганичеInGaAs, разделенные слоем GaAs и покрытые сверху ских соединений (МОГФЭ) наличие в реакторе водотаким же слоем GaAs. Толщина каждого из слоев составрода в качестве газа-носителя существенно повышает ляла около 10 нм. В структуре C сделана попытка удастабильность поверхности [8] и вместе с другими факлить избыток индия стравливанием верхнего монослоя торами может подавлять сегрегационные процессы. Тем каждой из ям путем введения в реактор четыреххлорине менее известны недавние наблюдения [9–13], которые стого углерода CCl4 в конце роста слоя InGaAs. Роль можно интерпретировать как сегрегацию индия, однако CCl4 как травителя для InGaAs отмечалась ранее [14].

полное качественное объяснение результатов, а тем При росте квантовых ям в структуре D дополнительно более количественное описание явления провести пока вводили примесь висмута, который применяется при не удалось.

МПЭ для подавления сегрегации In [4]. Использовалось Трудность экспериментального изучения сегрегации лазерное распыление Bi-мишени аналогично работе [15].

связана с необходимостью анализа профиля распреДанные о температуре роста и длительности циклов ¶ E-mail: drozdyu@ipm.sci-nnov.ru приведены в таблице.

204 Ю.Н. Дроздов, Н.В. Байдусь, Б.Н. Звонков, М.Н. Дроздов, О.И. Хрыкин, В.И. Шашкин Параметры ростовых процессов и расчетные модели Параметры моделей Модель с обменом слой–поверхность Экспоненциальная Струк- Tg, модель Добавки Слой 1 Слой 2 Слой 3 Слой тура C t, с FIn, FGa, t, с FGa, t, с FIn, FGa, t, с FGa,, Ls, нм МС / с МС / с МС / с МС / с МС / с МС / с нм A 650 - 8 0.44 2.5 20 1.5 8 0.43 2.2 20 2.2 1.0 3.B 500 - 24 0.165 0.62 60 0.43 24 0.185 0.64 60 0.54 0.8 1.C 650 CCl4 8 0.46 2.5 20 1.55 8 0.5 2.35 20 1.95 1.2 2.D 650 Bi 8 0.27 1.85 20 1.8 8 0.36 1.9 20 2.45 1.0 3. Примечание. Рост слоя начинается с удаления одного предыдущего монослоя. Обозначения: Tg — температура роста; t — время роста слоя (задавалось в модели таким же, как и в ростовом процессе); F — потоки индия и галлия в монослоях за секунду (МС / с); — шероховатость поверхности; Ls — длина сегрегации. В модели с обменом использованы значения E1 = 1.95 эВ, E2 = 2.25 эВ.

Профили концентрации In измерялись на оже-спект- уточняемых параметров задавали масштабные коэффирометре ЭСО-3 при послойном травлении ионами Ar+ циенты профиля по осям глубины и концентрации.

с энергией 500 эВ в режиме повышенного разреше- В вычислениях оказалось достаточно двух масштабных ния [16]. Использовались линии In — 406 эВ и Ga — множителей для подгонки в пределах погрешностей вычисленного спектра к экспериментальному. Фактиче1069 эВ. Профиль Ga служил для учета линейного ски рентгеновская дифракция была использована для дрейфа чувствительности за время съемки профиля In, более точной нормировки профилей, восстановленных что связано с большой длительностью процесса — около из оже-экспериментов [18].

двух часов.

Кроме того, на дифрактометре ДРОН-4 с монохроматором Ge(400) регистрировались рентгеновские ди- 3.2. Модели роста с сегрегацией фракционные /2-спектры структур в окрестности пика При анализе экспериментальных данных были исGaAs(400) на CuK1-излучении.

пользованы две модели сегрегации — экспоненциальная и кинетическая. Термодинамически равновесный предел достигается лишь при низких скоростях роста и высоких 3. Методы обработки данных температурах, поэтому термодинамическую модель не использовали.

3.1. Модель послойного анализа В обеих моделях рост считается послойным, толщина Вычисление оже-профиля для заданного „истинного“ монослоя (dML) InGaAs (100) составляет половину перираспределения проводили аналогично работе [17] с уче- ода решетки. На каждом шаге ростового цикла задается том трех параметров процесса: w — глубина зоны время и потоки доставленных на ростовую поверхность атомного перемешивания, — информационная глубина индия FIn и галлия FGa в долях монослоя за секунду.

Атомы мышьяка считаются всегда присутствующими выхода оже-электронов, шероховатость поверхности — в достаточном количестве. Время роста одного моногауссово распределение с дисперсией. Величину w оценивали как длину пробега ионов Ar+ (500 эВ) с уче- слоя — tML = 1/(FIn + FGa).

Модель экспоненциального нарастания (спадания) [1] том угла наклона пучка (60), w = 1.0 нм. Глубина дает для монослоя j концентрацию выхода оже-электронов с учетом их энергии и геометрии сбора оценена как = 0.6 нм. Наведенную травлением j XIn( j) =Xlim - (Xlim - X0)S, шероховатость в зоне анализа (диаметр зоны 5 мкм) оценивали по наиболее крутому экспериментальному где склону при фиксации двух других параметров процесса FIn Xlim = + FGa, оже-профилирования. В результате подгонки получили FIn = 0.5 нм. При моделировании эту величину варьироX0 — концентрация в конце предыдущего ростового вали, поскольку она включает индивидуальную шерохоцикла, параметр S связан с длиной сегрегации:

ватость образца.

Рентгенодифракционный спектр вычисляли по динаS = exp(-dML/Ls).

мической теории с использованием рекуррентной формулы, описывающей добавление к структуре однород- Модель отвечает постоянному коэффициенту распреденого слоя. Градиентные слои разбивали на подслои ления концентрации между твердой фазой и поверхнос xIn = const при достаточно большом числе разбиений, стью, что справедливо только для малых концентраций чтобы дискретность не влияла на результат. В качестве примеси. Кроме того, модель не описывает механизм Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Сегрегация индия при выращивании квантовых ям InGaAs / GaAs в условиях газофазной эпитаксии На рис. 1 приведен пример расчета концентрации индия на поверхности (кривая 1) и в верхнем слое (2) по модели обмена, включая их изменение во время роста монослоев. Заданы потоки FIn = 0.2МС/ с (монослоев в секунду); FGa = 0.8 МС / с. Параметры E1 = 1.8эВ;

E2 = 2.0эВ и = 1013 с-1 взяты из работы [7]. Время роста 10 с, температура 500C. Видно, что за время роста 1 монослоя кривые не выходят на стационарные значения, т. е. условия далеки от термодинамического равновесия.

4. Результаты анализа с использованием моделей сегрегации Рис. 1. Пример расчета концентрации In на поверхности (1) и в верхнем слое (2) по модели обмена, включая их На рис. 2 точками показаны экспериментальные произменение во время роста монослоев. Параметры процесса фили концентрации индия в структурах, выращенных описаны в тексте. Кривая 3 показыват изменение концентрации при 650C (A), при 500C (B), при 650C с введением In во втором от поверхности слое твердой фазы.

CCl4 в конце роста каждой ямы (C) и при 650C с добавлением висмута (D). Качественный анализ профиля A явно говорит о сегрегации индия, т. е. на поверхности верхнего слоя GaAs присутствует In. Понижение темпесегрегации, поэтому для каждой температуры роста будет своя длина сегрегации. Тем не менее общий вид профиля в первом приближении описывается верно, а наличие лишь одного параметра делает эту модель привлекательной для использования [1–4,10].

Вторая, кинетическая модель, описывает сегрегацию как совокупность двух термоактивационных процессов обмена атомами In–Ga между поверхностью и верхним слоем твердой фазы [6]. Параметры модели: E1 —энергия активации обмена индий в верхнем слое – галлий на поверхности, E2 — то же для обмена индий на поверхности – галлий в верхнем слое, — частотный фактор. При E1 < E2 возникает сегрегация (выталкивание) атомов индия растущей поверхностью. Рост одного монослоя описывается следующим уравнением [6]:

(s) dXIn (t) (b) (s (s) (b) = FIn + P1XIn (t)XGa)(t) - P2XIn (t)XGa (t), (1) dt (b) где t — время, XIn — содержание индия в верхнем слое, (s) (b) (s XIn — на поверхности. XGa, XGa) —то же для галлия;

P1 = exp(-E1/kT ) — вероятность (частота) обмена индий в верхнем слое – галлий на поверхности, k — постоянная Больцмана, T — температура роста;

P2 — вероятность обратного процесса. В твердой фазе (b) (b) XIn (t) +XGa (t) = 1, но на поверхности содержание индия и галлия (в долях монослоя) изменяется от нуля (s) (s в начале роста монослоя до XIn + XCa) = 1 — в конце.

Заполненный поверхностный слой „замерзает“ и станоРис. 2. Экспериментальные (точки) и вычисленные (линии) вится верхним слоем твердой фазы, после чего процесс профили послойного содержания In в структурах A, B, C, D повторяется. Диффузия в объеме и переиспарение с пос двумя квантовыми ямами InGaAs. Прямоугольный профиль верхности не учитывались, поскольку вероятность этих показывает задаваемую модель роста без учета влияния сегрепроцессов ниже, чем вероятность обмена поверхность– гации и функции разрешения оже-спектрометра. Координата z верхний слой. отсчитывается от поверхности структуры.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 206 Ю.Н. Дроздов, Н.В. Байдусь, Б.Н. Звонков, М.Н. Дроздов, О.И. Хрыкин, В.И. Шашкин ный профиль и результирующий вычисленный профиль с учетом функции разрешения оже-спектрометра — они те же, что на рис. 2 для структуры C. Кривой (s) показана поверхностная концентрация XIn с учетом стравливания одного монослоя в точках, помеченных (s) стрелкой. В качестве XIn взята величина в конце роста каждого монослоя. Кривой 3 показано, какой была бы эта концентрация без травления. Сдвиг профиля 3 связан с уменьшением общей толщины структуры на 2 монослоя при отсчете глубины z от поверхности. Существенное различие профилей 2 и 3 обусловлено тем, что в модели обмена избыток индия, накопленный в результате сегрегации, хранится в верхнем монослое твердой фазы, и этот монослой стравливается. Травление с помощью CCl4 в процессе МОГФЭ можно сравнить с испарением индия с поверхности при высокотемпературном отжиге Рис. 3. Расчет концентрации In по модели ростового процесса структуры C с учетом стравливания одного монослоя в конце в процессе МПЭ [5].

каждого из слоев InGaAs. Моменты стравливания показаны В модели послойного анализа задавали глубину слоя стрелками. 1 — заданная модель роста; 2 — концентраионного перемешивания w = 1.0 нм и информационную ция In на поверхности растущего слоя с учетом травления;

глубину = 0.6 нм. Шероховатость поверхности варь3 — то же без учета травления (приводится для сравнения);

ировали, поскольку она включает индивидуальную ше4 — вычисленный профиль распределения In с учетом функроховатость образца (см. таблицу). На рис. 2 показано, ции разрешения оже-спектрометра.

что вычисленные профили (линии) достаточно хорошо совпадают с экспериментальными (точки), что служит аргументом в пользу использованных моделей.

Вариант с использованием экспоненциальной модели ратуры роста при изготовлении структуры B приводит сегрегации также приводит к достаточно хорошему к отсутствию In на поверхности, т. е. сегрегация заметно подавлена. К близкому результату приводит стравлива- совпадению вычисленных профилей с эксперментальными при значениях длины сегрегации Ls, приведенных ние верхнего слоя каждой из ям в структуре C. Введение в таблице, а также = 0.5 нм. Видно, что понижение висмута в структуру D не оказало сильного влияния на температуры роста, либо стравливание избытка индия сегрегацию.

частично подавляет сегрегацию — длина сегрегации Численное моделирование процессов роста и послойуменьшается. Влияние примеси висмута не регистриного анализа позволило подобрать параметры, приводяруется. Однако в этой упрощенной модели не удается щие к согласованию вычисленных профилей с экспериописать большой выход индия на поверхность струкментальными. В таблице даны времена и потоки, задантур A и D.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.