[
На правах рукописи
Лошкарев Иван Дмитриевич
НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ДИСЛОКАЦИОННАЯ СТРУКТУРА
ПЛЕНОК GaAs, GaP и GeSi НА КРЕМНИИ
Специальность 01.04.07
(физика конденсированного состояния)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Новосибирск – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук
Научный руководитель:
Труханов Евгений Михайлович, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.
Официальные оппоненты:
Плясова Людмила Михайловна, доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук.
Торопов Александр Иванович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук.
Защита состоится « 5 » ноября 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 003.037.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.
Автореферат разослан « 3 » октября 2013 года
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук Погосов Артур Григорьевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
На сегодняшний момент наиболее широко используемым полупроводниковым материалом в электронике является кремний. Большинство полупроводниковых приборов изготавливаются на подложках кремния, которые относительно недороги, имеют высокую теплопроводность, малую массу и большой диаметр. Во многих областях, таких как оптоэлектроника, фотовольтаика, сверхвысокочастотное приборостроение, целесообразно использование материалов с более выгодными электрофизическими свойствами. Такими материалами являются, например AIIIBV и Ge, поскольку имеют высокую подвижность носителей заряда, по сравнению с распространенным кремнием. Поэтому важной задачей является получение качественных пленок Ge и AIIIBV на подложках кремния.
Из-за различия параметров решеток и коэффициентов термического расширения пленки и подложки в гетероструктурах возникают механические напряжения, которые могут релаксировать путем введения и перемещения дислокаций. Вследствие этого ухудшается структура пленок и прилегающего к границе раздела слоя подложки, что изменяет электрофизические свойства пленок и приборов на их основе. Изменение зонной структуры под влиянием упругой деформации приводит к изменению ширины запрещенной зоны полупроводника, концентрации неосновных носителей заряда, подвижности электронов и дырок. Поэтому знание о напряженном состоянии кристаллической решетки пленки очень важно.
Введенные дислокации несоответствия (ДН) в границе раздела формируют дислокационную сетку, которая создает в пленке поле механических напряжений. В общем случае это поле содержит нормальные и сдвиговые компоненты, однако только первые из них компенсируют напряжения несоответствия псевдоморфной пленки. Поле сдвиговых напряжений является избыточным. Оно оказывает влияние на электрофизические свойства структуры, а также находится в связке с причинами образования пронизывающих дислокаций. Изучение напряженного состояния решетки пленки является актуальной задачей, направленной на получение высокосовершенных эпитаксиальных слоев.
Использование вицинальных подложек позволяет избежать образования антифазных границ в пленках AIIIBV. Сетка ДН в вицинальной границе раздела не только формирует поля напряжений, но и создает разворот кристаллической решетки пленки относительно решетки подложки. Выявление взаимосвязи между наблюдаемым разворотом, структурой дислокационной границы раздела и распределением напряжений в пленке является одной из задач диссертационной работы.
Цель диссертационной работы. Изучение напряженного состояния и дислокационной структуры пластически релаксированных эпитаксиальных пленок с кристаллической решеткой типа алмаза и сфалерита на вицинальных подложках кремния. Установление закономерностей, характеризующих процесс снятия напряжений несоответствия.
Для достижения цели решались следующие задачи.
1. Накопление систематической информации о структурном состоянии пленок AIIIBV на отклоненных подложках кремния в зависимости от способа зарождения первых монослоев.
2. Установление основных характеристик структурного состояния кристаллических решеток пленок AIIIBV, в зависимости от механизма формирования первого монослоя.
3. Экспериментальное определение величины разворота кристаллической решетки пленки относительно решетки подложки и установление природы явлений, обусловливающих этот разворот.
4. Расчет равновесных расстояний между ДН для введенных в область границы раздела (ГР) дислокационных семейств и определение соответствующих им углов разворота решеток.
5. Установление сочетаний винтовых составляющих неортогональных дислокационных семейств, при которых имеет место компенсация дальнодействующих сдвиговых напряжений.
6. Расчет предельной накопленной энергии гетеросистемы для различных комбинаций дислокационных семейств, участвующих в процессе релаксации.
7. Установление возможных вариантов однородного распределения напряжений в приповерхностном слое эпитаксиальной пленки и определение размеров этого слоя.
Научная новизна В диссертации впервые получены следующие экспериментальные результаты и теоретически установлены следующие оригинальные зависимости.
1. Получено справедливое для произвольной ориентации границы раздела выражение, которое отражает связь между параметрами дислокационных семейств, обеспечивших снятие напряжений несоответствия. Из данного выражения вычисляется параметр D, позволяющий разделить слой пленки толщиной h>D на два субслоя с различным распределением напряжений.
Слой толщиной D, расположенный вблизи границы раздела, является неоднородно напряженным.
В приповерхностном слое толщиной h–D возможны следующие варианты однородного распределения напряжений: полностью ненапряженное состояние; поле нормальных напряжений;
поле сдвиговых напряжений; комбинация перечисленных вариантов.
2. На примере ГР (001) установлены две, имеющие различную природу, составляющие приповерхностного поля сдвиговых напряжений. Первая составляющая обусловлена неодинаковой плотностью взаимно перпендикулярных дислокаций несоответствия, так что степень релаксации в этих направлениях разная. Вторая – сочетанием винтовых компонент дислокаций, вводимых в границу раздела. Главные направления тензоров напряжений этих двух составляющих поля взаимно развернуты на 45.
3. Для гетеросистемы GaAs/Si с границей раздела (1 1 13), отклоненной на 6о от сингулярной плоскости (001) экспериментально установлено, что механизм формирования первого монослоя Аs на Si определяет направление поворота кристаллической решетки GaAs относительно решети Si. В случае зарождения по механизму замещения кристаллографическая ориентация поверхности слоя GaAs в процессе снятия напряжений несоответствия приближается к ориентации (1 1 12), а в случае зарождения по механизму осаждения – приближается к ориентации (1 1 14). Углы поворота кристаллических решеток GaAs относительно решетки Si составляют один – два десятка угловых минут.
Практическая значимость Установленная в диссертации взаимосвязь параметров дислокационных семейств позволяет анализировать дислокационную структуру границы раздела произвольной ориентации.
Выполнение расчета возможно для любых углов залегания дислокационных семейств в гетерогранице. В диссертации практическая значимость такого анализа продемонстрирована на примере ориентации (7 7 10), которая является вицинальной границей раздела (111).
Установлено, что для выращивания ненапряженных эпитаксиальных слоев произвольной
«