Технології покращення деградаційної стійкості кристалів GaAs, Si та структур і приладів на їх основі

Краткое содержание

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність дисертації, визначаються мета і задачі досліджень, наводиться інформація про наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, відзначається особистий внесок здобувача у їх отриманні, аналізі та публікаціях.

В першому розділі дається аналіз результатів, опублікованих в літературі на даний час по темі роботи. На основі проаналізованих даних визначено напрямки робіт, необхідні для розробки визначених метою роботи технологій та напрямки досліджень, які б дозволили отримати відсутню на момент постановки даної роботи інформацію.

Другий розділ присвячений розробці окремих вузлів технологічних установок, що застосовувались для отримання досліджуваних зразків та опису експериментальних установок для дослідження їх характеристик. Крім того, наводиться інформація про особливості методики дослідження характеристик матеріалів, структур і приладів на їх основі.

Важливими характеристиками кремнію, які багато в чому визначають параметри приладів на його основі (зокрема, сонячних елементів) є рівень внутрішніх механічних напружень та структурна досконалість матеріалу. Очевидно, що розробка нових методів діагностики цих параметрів, особливо неруйнівних, є важливим і актуальним завданням. Для визначення вказаних характеристик використовувався метод електровідбиття (ЕВ). Особливістю методу ЕВ є той факт, що він дозволяє визначати характеристики прямих зона-зонних переходів. Для кремнію це означає, що глибина проникнення світла, а, отже область діагностики становить близько 10 нм, тобто досліджується тонкий приповерхневий шар матеріалу. Метод ЕВ в роботі застосований для дослідження при поверхневих шарів «сонячного» кремнію.

Розроблений термічний вузол плазмового реактора установки технології плазмохімічного осадження шарів дозволяє розширити її функціональні можливості з метою отримання шарів в різних режимах і/або проведення додаткових термообробок in situ. Вузол складається з кварцового циліндра в якому змонтовані галогенові лампи (4 шт.) потужністю 250 Вт кожна. Враховуючи конструкцію реактора і використання тефлонових перехідників, температурний діапазон підігріву зразка обмежений температурою 250°С. При заміні тефлонових перехідників на керамічні нагрівач дозволяє забезпечити підігрів підкладинок до 600°С.

В третьому розділі досліджувались властивості кристалів напівізолюючого арсеніду галію та наведені результати розробки технології покращення деградаційної стійкості матеріалу до дії високочастотного електромагнітного опромінення, мікрохвильових та температурних обробок.

Кристали напівізолюючого GaAs з орієнтацією(100), леговані Cr або Te (з питомим опором ~1.10⁷ Ом.cм) були вирощені методом Чохральского з рідинною герметизацією. Досліджувалися три серії зразків - №1, №2 і №3 - оброблені в плазмі водню, азоту або аргону, відповідно. Для порівняння також досліджувались вихідні зразки, які не проходили жодних попередніх обробок. Плазмові обробки виконувались в плазмовому реакторі установки PE – CVD (plasma - enhanced chemical vapor deposition). Режими обробок були наступними: плазмова обробка - 15 хвилин при потужності ВЧ-разряда 175 Вт на частоті 13,56 МГц. Для обробки у ВЧ-електромагнітному полі використовувалась та сама установка, при цьому досліджувана частина кристала закривалась маскою, що виключало інший вплив на зразок, окрім ВЧ-поля. ВЧ-обробки проводились в два етапи: 1 - 15 хвилин при потужності плазмового розряду 175 Вт, 2 - 47 хвилин при потужності плазмового розряду 250 Вт.

Подальший швидкий термічний відпал (ШТВ) зразків проводився при температурі 600°С протягом 30 секунд в атмосфері аргону. Спектри ІЧ-пропускання та відбивання вимірювались на Фур’є-спектрометрі Infralum FT-801 в спектральному інтервалі 5−15 мікрометрів.

На рис. 1 представлені спектри ІЧ-пропускання вихідного зразка до (1), після першого етапу ВЧ-обробки (2) і після двостадійної ВЧ-обробки (3). Видно, що при збільшенні часу обробки пропускання падає у всьому досліджуваному спектральному діапазоні практично на ту саму величину, тобто неселективно. Це свідчить про те, що під дією ВЧ-поля комплекси (наприклад, домішково-дефектні), що мають свої смуги поглинання в ІЧ-області спектра не утворюються. Тому, ефект зменшення пропускання пов'язаний, очевидно, із загальною структурною перебудовою кристала АГН.

На нашу думку, під впливом ВЧ-поля, з урахуванням тривалого часу експозиції, окрім збудження електронної підсистеми має місце частковий розігрів кристала. У результаті розігріву відбувається релаксація внутрішніх механічних напруг, що супроводжується генерацією додаткових структурних дефектів, тобто погіршенням структури кристала. У результаті, пропускання падає приблизно пропорційно часу експозиції (рис. 1). Даний механізм підтверджується додатковим експериментом по впливу швидкого термічного відпалу на властивості зразка АГН, що пройшов двостадійну ВЧ-обробку. З рис. 1 (крива 4) видно, що після відпалу пропускання не тільки не відновлюється, але катастрофічно падає. Даний ефект обумовлений повною релаксацією внутрішніх механічних напруг в результаті відпалу через генерацію великої кількості структурних дефектів. На рис. 2 наведені результати дослідження впливу ВЧ-обробки на властивості кристала АГН, який пройшов попередню обробку в плазмі водню. Видно, що після плазмової обробки спостерігається деяке зменшення пропускання, що обумовлено погіршенням структури приповерхнього шару в результаті радіаційного впливу. Цей висновок підтверджується результатами вимірювання спектрів КРС, представленими на рис. 3. Дійсно, з рис. 3 і табл. 1, у якій наведені результати підгонки експериментальних спектрів КРС гауссіанами, видно, що після плазмової обробки напівширина спектра КРС збільшується, внаслідок генерації радіаційних дефектів у приповерхньому шарі АГН під час обробки. Ще одним дуже важливим результатом впливу водневої плазми є релаксація внутрішніх механічних напруг у приповерхньому шарі АГН. Цей ефект проявляється в зсуві смуги в спектрі КРС після обробки від 292,64 до 291,62 см^-1. Відзначимо, що останнє значення є дуже близьким до положення піка в спектрі КРС, обумовленого розсіюванням на LO фононі ненапруженого кристала GaAs - 291,3 см^-1. Після плазмової обробки кристал АГН закривався маскою й піддавався ВЧ-обробці протягом 47 хвилин.