Исследование диффузии цинка из полимерных диффузантов в полупроводники A3 B5: На примере InP тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Каманин, Александр Вадимович

• Каманин, Александр Вадимович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Каманин, Александр Вадимович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Диффузия Zn в соединениях А3В5 (краткий обзор литературных данных)

§1.1. Традиционные методы диффузии Хп в технологии полупроводников А3В5 (Особенности и недостатки)

§ 1.2. Механизмы диффузии Zn в полупроводниках А3В

§ 1.3. Выводы

ГЛАВА II. Диффузия Zn и методики исследования диффузионных слоев

§ 2.1. Разработка метода диффузии

§ 2.2 Методики исследования диффузионных слоёв

2.2.1 Определение профилей распределения атомов по глубине методом масс-спектрометрии вторичных ионов

2.2.2 Определение концентрации свободных носителей заряда

2.2.3 Контроль совершенства кристаллической структуры образцов

§ 2.3. Выводы

ГЛАВА III. Исследование диффузии Ъп в соединения А3В5 из полимерных плёночных диффузантов

§3.1. Диффузия Zn в изотермических условиях

§ 3.2. Исследование начальной стадии диффузии

§ 3.3. Феноменологическое описание диффузии Zll из полимерных диффузантов в 1пР

- 4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование диффузии цинка из полимерных диффузантов в полупроводники A3 B5: На примере InP»

Актуальность работы. Диффузия — один из старейших методов введения примеси, многие годы успешно используемый в технологии полупроводниковых приборов. Однако, в технологии приборов на основе полупроводников А3В5 и их твёрдых растворов диффузионные процессы используются менее широко, чем в технологии элементарных полупроводников. Отчасти, это вызвано тем, что большинство ранее разработанных методов диффузии требуют поддержания давления паров компоненты V группы, что усложняет проведение процесса и практически требует такой же оснастки, как для ростовых процессов.

С другой стороны, известные методы поверхностной диффузии, не требующие поддержания давления паров, в частности, разработанная в 80-е годы диффузия из твёрдых стеклообразных плёнок, формируемых из эмульсий на основе крем-нийорганических соединений, нередко приводят к избыточным механическим напряжениям и, вследствие этого, к ухудшению морфологии поверхности полупроводника.

Таким образом, к началу выполнения работы в технологии приборов на основе А3В5 не было простого, экономичного и хорошо контролируемого способа создания диффузионных областей. Кроме того, обнаруженные в последнее десятилетие такие эффекты: как разупорядочение квантоворазмерных структур в процессе диффузии Zn, геттерирование Zn на гетерограницах, интердиффузия основных компонент решетки соединений А3В5 через гетерограницу, образование преципитатов компонент III и V групп в диффузионной зоне — в рамках известных моделей не получили однозначной интерпретации. А для развития новых модельных представлений, адекватно отражающих наблюдаемые эффекты, возникла необходимость более детального исследования процессов генерации и релаксации неравновесных собственных дефектов и поведения Zn на разных стадиях диффузионного процесса.

Основной целью работы была разработка метода диффузии цинка в полупроводники А3В5 из полимерных диффузантов, исследование с его помощью механизмов диффузии и дефектообразования (на примере InP) и использование метода в технологии изготовления фотоприёмников и светодиодов.

- 5

Достижение поставленной цели распадалось на решение следующих основных задач:

1. Выбор полимерной основы для использования её в качестве источника диффузии и определение оптимальных температурно-временных режимов диффузии.

2. Исследование характеристик диффузионных слоёв, в том числе, профилей распределения атомов, как собственных, так и примесных, и дефектов по глубине, полученных в различных температурных условиях, включая неравновесные условия начальной стадии диффузии.

3. Применение разработанного метода диффузии в технологии изготовления ргп-фотоприёмников и светодиодов на основе, соответственно, 1пР (¡пСаАвР) и АЮаАз.

Диссертационная работа была выполнена в лаборатории Квантоворазмерных гетероструктур Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук.

Научная новизна Впервые было исследовано поведение Zn и неравновесных собственных дефектов на начальной стадии диффузионного процесса (НСД), то есть, на стадии нагрева системы от комнатной температуры до температуры изотермического процесса диффузии. Обнаружен пороговый характер диффузии Ъх\ в 1пР, при этом коэффициент диффузии части цинка в температурном интервале 375 — 400°С составлял ~ Ю-8 см2с-1, что на 2-3 порядка превышало коэффициент диффузии в изотермических условиях. Кроме того, обнаружено пространственное разделение собственных дефектов, приводящее к формированию "диффузионных хвостов" на профилях распределения 7>п по глубине.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Нанесение центрифугированием на пластины 1пР, СаАв или на эпитакси-альные слои твёрдых растворов 1пСаАэ, ЫСаАвР, АЮаАэ пленок олеофильных полимеров, легированных Zn, с последующей термообработкой в атмосфере водорода при температурах 450° — 700°С: а) обеспечивает режим диффузии из неограниченного источника в течение часа при сохранении исходной морфологии поверхности полупроводника без поддержания давления паров компоненты пятой группы;

- 6 б) позволяет, изменяя содержание Ъп в полимерной пленке от 1 до 10 об.%, варьировать поверхностную концентрацию дырок в диффузионных слоях от 1017 до 8 х 1018 см-3 для 1пР, до 2 х 1019 см-3 для СаАэ и до 2 х Ю20 см-3 для твердых растворов на их основе, при этом концентрация дырок совпадает с концентрацией введенного Ъп.

2. Процесс диффузии Ъп из полимерных диффузантов в 1пР начинается на стадии установления температуры стационарной диффузии (на начальной стадии) и имеет явно выраженный пороговый характер с Тпор = 375°С. При Т < Тпор диффузия отсутствует, при температурах 375 — 400°С начинается проникновение Ъп в ЬР, сопровождающееся генерацией неравновесных собственных дефектов и возникновением деформаций. При этом радиус кривизны пластин уменьшается практически на порядок, что вызывает пространственное разделение собственных дефектов и проникновение части цинка на глубину в несколько раз большую, чем глубина основного (с максимальным содержанием Ъп) фронта диффузии. Коэффициент диффузии этой части Ъп на начальной стадии на 2-3 порядка выше, чем на стационарной.

3. В процессе диффузии Zn происходит релаксация неравновесных собственных дефектов: она начинается на начальной стадии при температурах выше 400°С. Практически полная релаксация неравновесных собственных дефектов и деформаций и активация введённого цинка происходит в изотермических условиях при Т > 450°С, если концентрация Ъп в полимерном диффузанте ниже 15%. При концентрации > 15% наблюдается образование дислокаций и микродефектов.

4. Геттерирование Ъп на гетерогранице 1пОаАб(Р)/1пР начинается на начальной стадии диффузии, эффективность этого процесса зависит от знака несоответствия параметров решетки на гетерогранице.

Практическая ценность. Разработан метод, использующий олеофильные полимеры в качестве плёнкообразующей основы, что позволило максимально упростить технику проведения диффузионного процесса в соединениях А3В5, сведя его к нанесению на поверхность полупроводника путем центрифугирования раствора плёнкообразующего олеофильного полимера, содержащего соли диффундируемо-го элемента, и проведению термообработки в открытой системе, в потоке водорода без поддержания давления паров компоненты V группы.

- 7

Разработанный метод диффузии был использован для создания рт-фотодио-дов на основе 1пР/1пСаАз(Р) гетероструктур, с увеличенным выходом годных структур с одной пластины. Кроме того, метод был использован для создания подконтактных областей в светодиодах на основе АЮаАв гетероструктур, что позволило снизить пороговые напряжения при прямом токе 10 мА с 1,7 В до 1,5 В для светодиодов с А = 0,8 мкм и с 2,2 В до 1,9 В для светодиодов с Л = 0,66 мкм. Разработанный метод нашёл применение в мелкосерийном производстве светодиодных структур в АО "Планета-СИД" (Великий Новгород) и ООО ИФ "Светлана-ИРСЭТ" (Санкт-Петербург).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 6-ти международных конференций. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах, список которых приведён в конце диссертации.

Структура и объём.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объём составляет 107 страниц текста, включая 37 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 86 наименований.