Способ определения постоянной решетки гетероструктуры

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯН- . НОЙ РЕШЕТКИ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ, заключающийся в облучении ее широко расходящимся пучком рентгеновских лучей и последующей регистрации дифракционной картины, отличающийся тем, что, с целью визуализации распределения постоянной решетки на рентгенограмме и определения изменения величины постоянной решетки по толщине гетероструктуры, изготовляют исследуемый образец, скалывая гетероструктуру по плоскости, перпендикулярной гетерогранице, облучают полученную плоскость скола и по виду дифракционных линий судят о характере распределения постоянной решетки по толщине гетероструктуры, при этом изменение величины постоянной решетки по толщине гетероструктуры определяют по формуле ... /. л arUU .аиЬаДи-.-), где a(t) - постоянная решетки слоев гетероструктуры; « ар - постоянная решетки подложки; &7i разность длин волн дублета Ъ средняя длина волны дублета; ЛГд - расстояние между дифракционными линиями дублета Кд. на рентгенограмме; (t) - зависимость расстояния между дифракционными линиями слоев гетероструктуры и подложки по толпщне слоев.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

ОЩ

РЕСПУБЛИК

a9) OD

g D С 01 N 23/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

БИЬЛКЗТ ;-,,:„ где a(t) постоянная решетки гетероструктуры; постоянная решетки ложки; разность длин волн к,и К"г слоев ао поддубле.bro

ar(t) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3555000/18-25 (22) 21.02.83 (46) 15.07.84 Бюл. Ф 26 (72) С.Г.Конников и В.E.Уманский (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе (53) 621.386(088.8) (56) 1. Kyutt R. et. al. Strain Profiles in Jon-Dojed 811дcon Abtained

from x-Ray Rocking Curves. Phys. stat.

solidi (а) 60, 381, 1980.

2. Kabayshi N. Horikoshi V. DH Lasers Fabricated by New 111-V Semiconductor material InAsPSb. Jap.Journ.

of Appl. Physics . 19, 64 1, 1980.

3. Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л., t981, вып. 25, с. 84-92 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСТОЯН- .

НОЙ РЕШЕТКИ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ, заключающийся в облучении ее широко расходящимся пучком рентгеновских лучей и последующей регистрации дифракционной картины, отличающийся тем, что, с целью визуализации распределения постоянной решетки на рентгенограмме и определения изменения величины постоянной решетки по толщине гетероструктуры, изготовляют исследуемый образец, скалывая гетеро;структуру по плоскости, перпендикулярной гетерогранице, облучают полу ченную плоскость скола и по виду дифракционных линий судят о характере распределения постоянной решетки по толщине гетероструктуры, при. этом изменение величины постоянной решетки по толщине гетероструктуры определяют по формуле средняя длина волны дублета; расстояние между дифракционными линиями дублета

К и К на рентгенограм1 ме; зависимость расстояния между дифракционными линиями слоев гетероструктуры и подложки по толщине слоев.

1 1103

Изобретение относится к технологии полупроводниковых приборов н может быть использовано для контроля и исследования полупроводниковых гетероструктур. 5

Характеристики приборов на основе гетероструктур определяются их кристаллическим совершенством, которое, в свою очередь, зависит от различия. постоянных кристаллической решетки 10 подложки и эпитаксиальных слоев, составляющих гетерокомпозицию. Для создания полупроводниковых приборов используются гетероструктуры со слоями как постоянного, так и переменного 15 состава. При этом в самом общем случае величина постоянной решетки слоев гетероструктуры изменяется по толщине 1 и имеет вид:

20 где а — постоянная решетки подложо ки.

Для контроля производства и исследования гетероструктур необходимо знать зависимость да(й) . которая определяет все основные кристаллографические характеристики гетерокомпози30 ции: различие постоянных решетки на гетерогранице; плотность дислокаций в эпитаксиальных слоях; величину уп" ругих напряжений; величину постоянной решетки на поверхности и т.п.

Известен способ определения распределения постоянной решетки по толщине гетероструктуры, основанный на сравнении экспериментальных и теоре« тически рассчитанных кривых качания, полученных при облучении гетероструктуры пучком рентгеновских лучей со стороны поверхности f1) .

Этот способ основан на применении

ЭВМ, в которую вводятся данные о пред. полагаемом распределении величины постоянной решетки по толщине эпитак сиальных или диффузионных слоев. Далее методом последовательных приближений производится уточнение зависимости постоянной решетки по толщине 50 слоев по наилучшему совпадению экспе риментальных и теоретических кривых качания.

Однако данный способ косвенный и его результаты сильно зависят от при-55 нятой математической модели расчета.

Кроме того, он не позволяет визуализировать распределение постоянной

125 решетки, неприменим для слоев, толщина которых превышает глубину проникновения рентгеновских лучей в материал гетероструктуры. Способ весьма трудоемкий, требует много времени на обработку результатов.

Известен также способ определения постоянной решетки в слоях переменного состава, основанный на послойном стравливании материала гетероструктуры и проведении рентгеновской дифракции после удаления очередного слоя j2) .

Способ применим к эпитаксиальным слоям произвольной толщины и не требует сложных математических расчетов на ЭВМ.

Однако этот способ не позволяет визуализировать распределение постоянной решетки по толщине гетерокомпозиции. Кроме того, способ характеризуется неточностью, так как распределение постоянной решетки находится по данным об отдельных участках эпитаксиального слоя, требует большого количества измерений, при этом исследуемый объект разрушается. Применение этого способа ограничено наличием травителя с контролируемой скоростью травления, а,учитывая многообразие полупроводниковых материалов для гетероструктур, такой травитель не всегда может быть подобран.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения постоянной решетки гетероструктуры, заключающийся в облучении ее широко расходящимся пучком рентгеновских лучей и последующей регистрации дифракционной картины (3) .

Способ не применим для определения и визуализации распределения постоянной решетки в слоях переменного состава с градиентом постоянной решетки пе толщине, что приводит к существенному уширению дифракционных линий и невозможности проведения однозначных измерений величины несоответствия постоянных решетки по рентгенограмме.

Метод имеет ограничения на толщину исследуемого слоя и пригоден лишь для изучения эпитаксиальных слоев, в которых коэффициент поглощения рентгеновских лучей меньше обратной толщины слоя, Цель изобретения — визуализации распределения постоянной решетки на рентгенограмме и определение изме1103125 нения величины постоянной решетки по толщине гетероструктуры.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения постоянной решетки гетероструктуры, заключающемуся в облучении ее широко расходящимся пучком рентгеновских лучей и последующей регистрации дифракционной картины, изготовляют иссле1О дуемый образец, скалывая гетероструктуру по плоскости, перпендикулярной гетерогранице,облучают нолученную плоскость скола и по виду дифракционных линий судят о характере распределения постоянной решетки по толщине гетероструктуры, при этом изменение величины постоянной решетки по толщине гетероструктуры определяют по формуле где a(t) — постоянная решетки слоев гетероструктуры, А; 25 а — постоянная решетки подо ложки, М вЂ” разность длин волн дублета К и К„, 3.;

М Ю.

Ъ вЂ” средняя длина волны дуб- щ0 лета, br — расстояние между дифракционными линиями дублета

K и К на рентгенограмct ÷ ме, мкм; 35

br(r) — зависимость расстояния между дифракционными линиями слоев гетероструктуры и подложки по толщине слоев, мкм, 40

Размеры источника 1-2 мкм, что необходимо .для получения достаточного разрешения, ибо толщина эпитаксиальных слоев гетероструктуры составляет обычно 10-100 мкм. Такой размер ис- 45 точника рентгеновских лучей достигается использованием для возбуждения широко расходящегося рентгеновского пучка хорошо сфокусированного электронного зонда (диаметр 0,5-1 мкм), что легко осуществимо в приборах типа электронного микроскопа. На фотопластинке, помещаемой параллельно поверхности скола, дифрагирующие рентгеновские лучи в этом случае образуют дифракционные линии (К, и К ) от подложки и эпитаксиальных слоев гетероструктуры. При этом изменение расстояния между дифракционными линиями от подложки и слоя по толщине гетероструктуры пропорционально изменению постоянной решетки в зпитаксиальном слое;

be® - kbO®, где К вЂ” коэффициент пропорциональности.

Таким образом, ход линий на дифракционной картине полностью соответствует распределению постоянной решетки по толщине гетероструктуры, что позволяет по вицу дифракционных линий однозначно судить о характере распределения постоянной решетки, т.е. получить информацию о наличии скачка постоянной решетки на гетерогранице, о наличии градиента постоянной решетки в слое и других особенностях распределения.

На чертеже изображена схема осуществления предложенного способа.

Схема содержит источник 1 широко расходящегося пучка рентгеновских лучей, подложку 2 гетероетруктуры, слой 3 гетероструктуры, фотопластинку 4, дифракционные линии 5 К и К„ -1 2 от подложки, дифракционные линии 6

Кс, и К от слоя.

Для определения количественной зависимости величины постоянной решетки по толщине гетероструктуры рассмотрим уравнение радиуса дифракционной линии в случае симметричной дифракции где Н вЂ” расстояние источник-поверхность скола;

h — - расстояние источник — фотопластинка;

8 — угол Брэгга.

Тогда расстояние между дифракционными линиями дублета К,и К имеет вид: где b Ú= hi- h2- разность длин волн в дублете. Расстояние между дифракционными линиями от слоя и подложки, связанное с различием постоянных решетки b а(й), равно аг(ф=Эк/де 89/За ba®.

Тогда отношение этих двух расстояний не зависит от величины (2H+h) и выражается

1103125 в(М 38 (3a па® дг. а В а, Вычисляя соответствующие производныв

Я9 в аз а.=,; авала=,, ао получим, дг® La(Ц о b5

10 а — постоянная решетки о подложки; =-(- средняя длина волны

1 а 2 в дублете. l5

И окончательно зависимость постоянной решетки по толщине гетероструктуры имеет вид:

a(t) =5,6534 А+(0,0038+0,0002) А.

Пример 2. Для исследования полупроводниковой гетероструктуры

1пАз, „ Sb„-InAs с толщинои эпитакси- 45 ального слоя 50 мкм и ориентацией (111) проведено ее скалывание по плоскости (110),перпендикулярной гетерогранице. Плоскость скола облучают широко расходящимся пучком рентге 50 новских лучей с длиной волны h =1,94 А (излучение железа Fe) . Ход дифракци6нных линий позволяет установить, что имеется резкое изменение постоянной решетки на гетерогранице, а затем постоянная решетки линейно увелиПример 1. Для исследования полупроводниковой гетероструктуры

AI Ga Аз — GaAs с толщиной эпитак-25 х а1-х сиального слоя A1„ Ga „ „ As 30 мкм и ориентацией (001) проведено ее скалывание по плоскости (110), перпендикулярной поверхности. Полученную плоскость скола облучают широко рас- З0 ходящнмся пучком рентгеновских лучей с длиной волны i = 1,94 А (излучение железа Ге). Получены дифракционные линии, ход которых позволяет установить, что имеется скачок постоянной решет- З5 ки на гетерогранице, а в эпитаксиальном слое постоянная решетки практически постоянная по толщине. Количественный расчет дает чивается к поверхности слоя. Количественный расчет дает а(с)=6,0584 А+(0,0085+ 0,0002 А+ (2,3+0,2) 10 А!мкм.

Таким образом, предлагаемый спо-; соб позволяет визуализировать распределение постоянной решетки по толщине гетероструктуры, что весьма важно для контроля кристаллического совершенства приборов на основе гетероструктур. Например, скачок постоянной решетки на гетерогранице, наблюдаемый на рентгенограмме, приводит к генерации дислокаций несоответствия в области гетерограницы, что существенно снижает эффективность приборов. Наличие градиента постоянной решетки может привести к генерации наклонных дислокаций в эпитаксиальном слое, что также существенно снижает излучательные и электрические характеристики материалов и приборов на основе гетероструктур. Способ позволяет определить зависимость постоянной решетки от координаты по толщине слоя, т.е. получить необходимую информацию для оптимизации технологического процесса получения гетероструктур, снижение плотности дислокаций и уровня упругих напряжений в эпитаксиальных слоях гетероструктуры.

Преимущество данного способа состоит в отсутствии ограничений на толщину исследуемого слоя, поскольку информация получается с плоскости скола, перпендикулярной поверхности.

Способ является неразрушающим, так как,во-первых, для скалывания может быть использован край гетероструктуры шириной не более 1 мм, что составляет незначительную часть общей площади пластины, а,во-вторых, операция скалывания часто является необходимой на стадии изготовления готовых приборов на основе гетероструктур.

Достоинством способа является также

его экспрессность — время экспозиции цри получении рентгенограммы сос тавляет 2-5 мин. Способ позволяет получить рентгенограмму одновременно .от нескольких (1-10) полупроводниковых гетероструктур, что весьма удобно при контроле в серийном производстве полупроводниковых гетероструктур и приборов на их основе.

1103125

Составитель Т.Владимирова

Редактор В. Ковтун Техред А.Ач

Корректор А.Дзятко

Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4

Заказ 4970/32 Тираж 823

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5