Молекулярно-пучковая эпитаксия с плазменной активацией азота : Применение для p-легирования ZnSe и роста GaN

• Автор: Жмерик, Валентин Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 148 с. : ил

Содержание
Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Основные механизмы встраивания азота в кристаллическую решетку твердого

тела и процессы дефектообразования

1.2. Легирование соединений А2В6 с использованием активированного азота

1.2.1. Основные реакции легирования

1.2.2. Процессы дефектообразования при р-легировании А2Вб соединений

1.2.2а. Обзор теоретических моделей дефектообразования

1.2.2Ь. Экспериментальные исследования дефектов в 2п8е:М

Основные выводы
1.3. Рост соединений А3М методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота
1.3.1. Основные реакции на поверхности растущего слоя А3И
1.3.2. Контроль процессов роста А3И соединений, выращенных МПЭ ПА
1.3.3. Основные проблемы роста А3Ы соединений с использованием МПЭ ПА 29 Основные выводы
1.4. Генерация активированного азота в газовых разрядах низкого давления
1.4.1. Пороговые реакции активации азота и гетерогенные реакции деактивации
1.4.2. Типы активаторов азота, используемых в технологии МПЭ ПА
1.4.3. Основные типы магнетронных разрядов низкого давления
1,4.3а. Магнетронный разряд постоянного тока
1.4.3Ь. Высокочастотный емкостной магнетронный разряд.
Глава 2. Аппаратурные и методические особенности р-легирования А2В6 и роста А N широкозонных соединений с использованием активированных пучков азота
2.1. Общее описание установок МПЭ роста, использующих активированные пучки азота.
2.2. Описание конструкций и расчетов внешних параметров газовых разрядов в магнетронных источниках активированного азота
2.3. Оптическая и электрическая диагностика пучков активированного азота
2.4. Методы структурной, электрической и оптической характеризации эпитаксиальных слоев и гетероструктур

Глава 3. Процессы активации азота в магнетронных разрядах
3.1. Магнетронный вакуумный разряд постоянного тока с анодным слоем (Е>С-УА8)
3.1.1. Внутренние параметры разряда
3.1.2. Электрон-молекулярные реакции в анодном слое
3.1.3. Транспорт активированного пучка азота из ПС-УАБ в вакуумном режиме
3.2. Высокочастотный емкостной магнетронный разряд (ЛЕ-ССМ)
3.2.1. Первичные оценки параметров разряда
3.2.2. Основные режимы возбуждения разряда в ИТ-ССМ
3.2.2а.Локализованные режимы
3.2.2Ь.Протяженная мода возбуждения разряда
Глава 4. Исследование процессов р-легирования и дефектообразования в широкозонных соединениях А2В6
4.1. р-Легирование с использованием БСЛЛАВ активатора азота
4.2. р-Легирование с использованием активатора азота №-ССМ
4.3. Обсуждение результатов
Глава 5. Рост СаК методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией с использованием магнетронных активаторов азота
5.1. Решение проблемы повышения скорости роста ОаИ
5.2. Исследование структурных и оптических свойств слоев GaN в зависимости от интенсивности и состава активированного азота.
5.2.1. Свойства ваИ, выращенного МПЭ ПА при локализации азотной
плазмы в разрядной камере активаторов
5.2.2. Свойства ваКТ, полученного в условиях воздействия на растущий слой интенсивной азотной плазмы
5.2.2а. Минимизация воздействия высокоэнергичных ионов
5.2.2Ь. Оптический контроль стехиометрических условий роста ОаЫ 118 5.2.2с. Результаты оптимизации начальных стадий роста СаК
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список цитируемой литературы
Работы, вошедшие в диссертацию
ВВЕДЕНИЕ
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
Развитие электроники базируется на изучении свойств и разработке технологий получения новых материалов. В последнее десятилетие чрезвычайно интенсивные исследования проводятся в области широкозонных полупроводниковых материалов, что связано с практической необходимостью развития коротковолновой оптоэлектроники (200-500 нм) для решения задач увеличения емкости оптических запоминающих устройств, повышения скорости обмена информацией, реализации полноцветных дисплеев, развития аналитического приборостроения с использованием результатов в экологии, медицине и т.д. [1,2]. Наибольшие успехи в этой области достигнуты с использованием гетероструктур широкозонных полупроводниковых соединений А2Вб и нитридных соединений А3М. В настоящее время уже реализованы светодиодные и лазерные структуры, как на материалах А2В6 (с рабочей длиной волны А,==460-520 нм [3]), так и АТМ (А=357- 430 нм [4,5]). Однако до сих пор остаются нерешенными проблемы повышения качества этих гетероструктур до уровня необходимого для их устойчивой работы в непрерывном режиме при комнатной температуре в требуемом диапазоне длин волн. Время жизни лазеров на основе А2В6 ограниченно несколькими сотнями часов, а для лазерных диодов на основе А3Ы соединений существенные проблемы возникают при увеличении рабочей длины волны более 430 нм. Другой важной и перспективной областью применения А3М соединений является СВЧ-электроника вследствие их исключительных электронных транспортных свойств в сочетании с высокой температурной, химической и радиационной стойкостью данных материалов [6]. На основе гетероструктур А ЮаМОаП недавно были изготовлены полевые транзисторы с двумерным электронным газом [7].
Одной из основных технологий получения широкозонных материалов эпитаксиального качества является молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ). Разрабатываемая с начала 70-х годов, эта технология обеспечивает уникальные возможности точного контроля параметров растущих слоев, в т.ч. и на атомарном уровне, необходимого при изготовлении квантоворазмерных структур [8]. Возможность роста при сравнительно низких температурах подложки, отсутствие водородного загрязнения в выращенных слоях являются важными достоинствами МПЭ по сравнению с другими технологиями роста на основе газофазной эпитаксии (ГФЭ)(хлоридно-гидридной ГФЭ и ГФЭ из металлоорганических соединений).

( 5Sg, 7Ej,5,57tu), для которых прямое возбуждение из основного состояния запрещено правилами отбора по спину. Данный процесс непрямой диссоциации, называемый предиссоциацией, является основным механизмом диссоциации в разрядах низкого давления (<0.1Торр) [112]. Кроме того при высоких значениях энергии электронов возрастает роль диссоциативной ионизации [113].
Важной проблемой в условиях разрядов низкого давления является экстраполяция сечений e-N2 реакций в область больших значений Ее. При этом чаще всего используется приближение Борна-Оппенгеймера и R-центроиды, согласно которому сечение любой е-N2 реакции достигает максимума при некоторой значении энергии электронов (Ееш) [12]. Данные теоретических расчетов и экспериментальных измерений [114], приведенные на рис.1.8, показывают, что для прямого возбуждения нижних триплетных состояний (А,В,С) характерны невысокие значения Eem£l0-15 эВ с максимальным значением суммарного сечения реакций =1х10‘16 см'2, которое с ростом Ее относительно резко падает. В случае возбуждения состояний с более высокой энергией возбуждения (синглетные оптически разрешенные состояния, ридберговские и сверхвозбужденные состояния с энергией возбуждения 8-10 эВ, 13-15 эВ и >20эВ соответственно), играющих важную роль в процессах диссоциации азота, значения Ееш существенно выше от (40 до 100 эВ) и значения этих сечений относительно слабо зависят от Ее. При этом оказывается, что зависимости сечений диссоциации и ионизации от Ее при высоких Ее (>20 эВ) практически совпадают [115,116].
Для дезактивации возбужденных частиц азота и рекомбинации атомарного азота при давлениях в разряде <10 Topp вклад гомогенных процессов не превышает 5% от общей константы дезактивации [12] и, следовательно, ее величина будет определяться гетерогенными процессами взаимодействия активированных частиц азота с поверхностью. В случае колебательно-возбужденных состояний молекула азота в силу ее гомоядерной природы процесс дезактивации характеризуется невысокими значениями у, зависящим от типа поверхности, способа ее обработки и температуры. Для кварца, молибденового стекла, пирекса значения у» 10‘4 -10"3, а для металлов - на порядок выше (1.4-10’2) [12]. Для электронно-возбужденных молекул N2(A) в литературе сообщаются противоречивые сведения о величине у [117]. При низких давлениях азота у=3-10‘5 и 3-10‘3 для пирекса и платины, соответственно. Но при повышении давления значение у достигает 1 (причины снижения у с понижением давления не ясны). В случае гетерогенной рекомбинации атомов на поверхности стали и нитрида бора сообщается о значениях