Спектрально-корреляционный способ исследования слоевых планарных структур

 

Использование: в технике экспериментальных исследований планарных слоевых структур, например полупроводниковых эпитаксиальных структур, для исследования широкого класса явлений в физике твердого тела и физики полупроводников. Сущность изобретения: способ заключается в формировании экспериментальных образцов, содержащих скоррелированные планарно неоднородные слои в составе исследуемой слоевой структуры и вспомогательные планарно неоднородные слои, несущие информацию о характере сформированной планарной неоднородности, исследовании локальных фрагментов планарно неоднородной структуры с помощью спектроскопического метода с выявлением спектральных параметров исследуемых и вспомогательных слоев и анализа корреляционной связи спектральных параметров исследуемых и вспомогательных слоев. Способ применим к различным физическим задачам и позволяет получать квазинепрерывные зависимости с малым шагом вариации исходных параметров, большой объем информации для статического анализа с каждого экспериментального образца. Техническим результатом изобретения является обеспечение широких функциональных возможностей и высокой информативности способа исследования при минимизации количества экспериментальных образцов. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к технике экспериментальных исследований планарных слоевых структур, например полупроводниковых эпитаксиальных структур, и может быть использовано для исследования широкого класса явлений в физике твердого тела и физике полупроводников.

Известен и широко распространен способ исследования планарных структур [1], в котором формируют серию образцов, содержащих исследуемые слои и различающихся друг от друга вариацией одного или нескольких параметров, фиксированных для каждого образца, проводят измерения параметров исследуемых слоев тем или иным методом и анализируют зависимость параметров исследуемых слоев от значений варьируемого параметра по совокупности исследованных образцов. Достоверность и информативность этого способа прямо зависит от количества значений фиксированных параметров, а следовательно, от количества сформированных образцов. Это является основным ограничением способа, поскольку изготовление большого количества образцов пропорционально увеличивает затраты на проведение исследования. При этом дискретный набор значений варьируемого параметра не всегда достаточно полно выявляет особенности исследуемого явления. Кроме этого, формирование идентичных образцов, различающихся значениями только одного параметра, далеко не всегда осуществимо технологически. Это сильно ограничивает информативность и функциональные возможности способа. Наиболее характерно эти недостатки проявляются при исследовании эпитаксиальных полупроводниковых структур, например структур, получаемых методом молекулярно-лучевой эпитаксии, которые интенсивно изучаются в различных направлениях физики полупроводников. Это связано с высокой стоимостью и прецизионностью технологии. Обычно исследование ограничивается небольшим количеством образцов [1], что сильно снижает его информативность.

Известен, но значительно менее распространен способ исследования [2], в котором исследуемой структурой является планарный эпитаксиальный полупроводниковый слой, формируемый планарно неоднородным на одной полупроводниковой подложке за счет неоднородного технологического режима в процессе эпитаксиального роста. В этом случае необходимую вариацию исходных параметров обеспечивают путем формирования планарной неоднородности слоя. Затем проводят исследование различных локальных участков образца с помощью атомосильной микроскопии и анализируют картину, отражающую зависимость параметров структуры исследуемого слоя от параметров, варьируемых в технологическом процессе. Недостатком этого способа является невозможность количественного анализа исследуемых зависимостей без привлечения дополнительных данных о характере планарного распределения варьируемых параметров, поскольку наблюдаемые данным способом особенности неоднородного слоя отражают результат вариации исходных параметров, но не отражают одновременно независимой информации о конкретных значениях этих параметров для данного исследуемого фрагмента структуры. Количественный анализ в этом случае связан с необходимостью картографирования распределения варьируемых параметров, позиционирования при измерениях параметров неоднородного слоя и взаимного учета этих данных при окончательном анализе. Это усложняет использование способа, служит дополнительным источником ошибок, ограничивает его функциональные возможности. Помимо этого, формирование неоднородности во всей исследуемой структуре не обеспечивает достаточной гибкости способа в случае исследования многослойных планарных структур, представляющих наибольший интерес. Это также ограничивает функциональные возможности и информативность способа. Аналогичные недостатки присущи данному способу исследования в случаях применения вместо микроскопического других физико-технических методов, например спектроскопических.

Для устранения указанных недостатков предлагается использовать спектрально-корреляционный способ исследования слоевых планарных структур, заключающийся в формировании исходной планарной структуры, обеспечении вариации одного или нескольких параметров путем формирования ее планарной неоднородности, оценки спектральных параметров ее локальных участков путем проведения спектральных измерений локальных участков исходной структуры и анализа поведения спектральных параметров в зависимости от значений варьируемых параметров, определяющих планарную неоднородность структуры, по всей совокупности измеренных локальных участков. Предлагаемый способ отличается тем, что планарную неоднородность формируют в отдельных слоях исследуемой структуры, оставляя другие слои исследуемой структуры планарно однородными, планарное распределение варьируемых параметров различных неоднородных слоев формируют идентичными или скоррелированными согласно заданным закономерностям. Вместе со слоями исследуемой структуры в исходной структуре формируют вспомогательные планарно неоднородные слои, способные отразить информацию о локальных значениях варьируемых параметров в измеряемых спектрах в виде наблюдаемых спектральных особенностей, связанных с варьируемыми параметрами известными закономерностями, а пространственное распределение варьируемых параметров вспомогательных слоев формируют идентичным распределению одного из неоднородных слоев исследуемой структуры. Затем оценивают спектральные параметры исследуемых и вспомогательных слоев на локальных участках структуры, а анализ поведения спектральных параметров исследуемых слоев в зависимости от варьируемых параметров проводят путем анализа корреляционных зависимостей спектральных параметров исследуемых и вспомогательных слоев.

Как правило, спектральные особенности, относящиеся к одному слою, описываются несколькими спектральными параметрами (для спектров люминесценции это спектральное положение линии излучения, ее интенсивность, полуширина и т. д. ). В ряде случаев может быть удобно один из таких параметров исследуемого неоднородного слоя использовать для оценки характера неоднородности, если известна связь этого параметра с варьируемым. В таком случае анализ корреляционных зависимостей проводят между этим параметром и другими параметрами исследуемой неоднородной структуры, т.е. между спектральными параметрами неоднородных исследуемых слоев.

Преимущества данного способа заключаются в возможности получать квазинепрерывную количественную картину исследуемого явления, поскольку в каждой исследуемой "точке" поверхности образца за один процесс измерения спектра получают информацию как об исследуемом явлении, так и о значении варьируемого параметра, влияние которого на исследуемый процесс изучается. Использование спектроскопического метода измерения обеспечивает возможность независимого наблюдения в спектрах особенностей как исследуемых, так и вспомогательных слоев. При этом дискретность варьируемого параметра может быть достаточно малой и ограничивается только разрешающей способностью применяемого спектроскопического метода. Так, для метода фотолюминесцентной спектроскопии геометрическая разрешающая способность может составлять несколько микрон, что обеспечивает возможность в необходимых случаях проводить исследование с очень малым пространственным шагом. Это делает способ незаменимым при изучении явлений порогового и резонансного характера. Это также дает возможность на одном образце получать достаточно большой статистический материал и, применяя статистический корреляционный метод обработки, обеспечить высокую достоверность результатов. В случае исследования одного образца способ полностью исключает влияние нестабильности технологического процесса изготовления образцов, проявляющееся в возможной неидентичности различных образцов в исследуемой серии. При этом многообразие возможных комбинаций однородных и неоднородных слоев в исследуемой структуре значительно расширяет класс конкретных задач, для исследования которых способ может быть эффективно применен.

Таким образом, расширяются функциональные возможности способа, т.к. становится возможным количественный анализ результатов, прецизионный анализ пороговых и резонансных явлений, получение результатов с высокой степенью достоверности для широкого класса задач. Одновременно увеличивается информативность способа, т.к. он обеспечивает получение информации как об исследуемых, так и о вспомогательных слоях и об их взаимной корреляции. При этом не требуется большого количества дорогостоящих экспериментальных образцов.

Примером возможного применения способа может служить исследование с помощью фотолюминесцентной спектроскопии планарных полупроводниковых эпитаксиальных структур, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на основе гетеросистемы GaAs-AlGaAs-InGaAs.

В этом случае возможность формирования планарно однородных и планарно неоднородных слоев легко обеспечивается технологически. Вспомогательными слоями могут служить квантовые ямы AlGaAs-GaAs- AlGaAs и GaAs-InGaAs-GaAs и объемные слои AlGaAs, т.к. они проявляются в спектрах фотолюминесценции в виде отдельных полос, энергетическое положение которых несет информацию о толщинах узкозонных слоев и о составе тройных соединений. Последние параметры и будут варьироваться в пределах неоднородных слоев при исследовании широкого класса квантово-размерных явлений.

В частности, формирование планарно неоднородного по толщине слоя GaAs в квантовой яме AlGaAs-GaAs-AlGaAs и измерение спектров фотолюминесценции локальных фрагментов такой структуры позволяет определить по энергетическому положению полосы излучения из квантовой ямы толщину слоя GaAs для исследуемого фрагмента, т.е. использовать квантовую яму как вспомогательный слой. Одновременно интенсивность излучения такой квантовой ямы может быть весьма информативным параметром при изучении процессов пространственного распределения фотовозбужденных носителей тока, процессов захвата их в квантовую яму, процессов рекомбинации и т.д. Таким образом, планарно неоднородный слой GaAs в рассматриваемом случае может являться одновременно исследуемым и вспомогательным слоем.

Формирование таким же образом двух неоднородных слоев GaAs разной толщины (двух квантовых ям) и использование одного из них (с меньшей толщиной) в качестве исследуемого слоя, а второго в качестве вспомогательного позволяет изучать особенности энергетики уровней квантования в предельно узких квантовых ямах, когда положение квантового уровня основного состояния электронов близко к энергии барьерных слоев. В частности, эта ситуация интересна тем, что снимает неоднозначность в задаче определения соотношений разрывов зоны проводимости и валентной зоны на гетерограницах путем фотолюминесцентной спектроскопии. Рассматриваемый способ позволяет определять эти важные параметры структур для различных систем полупроводниковых материалов. Помимо этого, квантовая яма предельной ширины наиболее чувствительна к особенностям формирующих ее гетерограниц. Эти особенности также могут быть исследованы предлагаемым способом путем получения квазинепрерывных зависимостей параметров излучения от ширины квантовой ямы с пространственным масштабом, составляющим доли моноатомных слоев.

Приведенными примерами далеко не исчерпываются все возможности применения спектрально-корреляционного способа исследования при использовании только квантовых ям. Возможности же его применения с использованием других слоев и структур еще более широки.

Применение данного способа для указанных полупроводниковых систем показало высокую его эффективность в задачах исследования туннельных и туннельно-резонансных явлений, изучения уровней размерного квантования низкоразмерных систем, закономерностей рекомбинационных излучательных процессов в квантовых системах.

Литература 1. H. Brugger, H.Mussig, C.Wolk, К. Kern, D. Heitman. Optikal determination of carrier density in pseudomorphic AlGaAs/InGaAs/GaAs hetero-field-effect transistor structures by photoluminescens, Appl. Phys. Lett. 59(21), 18 November 1991, s. 2739-2741.

2. D.Leonard, К. Pond, P.M.Petroff. Critical layer thickness for self-assembled InAs islands on GaAs. Physical Review B, v.50, N.16, 15 October 1994-11, ss 11687-11692.

Формула изобретения

1. Спектрально-корреляционный способ исследования планарных слоевых структур, заключающийся в формировании исходной планарной структуры, обеспечении вариации одного или нескольких параметров структуры путем формирования ее планарной неоднородности, оценки спектральных параметров ее локальных участков путем проведения спектральных измерений локальных участков исходной структуры и анализа поведения спектральных параметров в зависимости от значений варьируемых параметров, определяющих планарную неоднородность, по всей совокупности измеренных локальных участков, отличающийся тем, что планарную неоднородность формируют в отдельных слоях исследуемой структуры, планарное распределение варьируемых параметров различных неоднородных слоев исследуемой структуры формируют идентичными или скоррелированными согласно заданным закономерностям, вместе со слоями исследуемой структуры в исходной структуре формируют вспомогательные планарно неоднородные слои, способные отразить информацию о локальных значениях варьируемых параметров в измеряемых спектрах в виде наблюдаемых спектральных особенностей, а планарное распределение варьируемых параметров вспомогательных слоев формируют идентичным распределению одного из неоднородных слоев исследуемой структуры, оценивают спектральные параметры исследуемых и вспомогательных слоев на локальных участках структуры, а анализ поведения спектральных параметров исследуемых слоев в зависимости от варьируемых параметров проводят путем анализа корреляционных зависимостей спектральных параметров исследуемых и вспомогательных слоев.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализ корреляционных зависимостей проводят между различными спектральными параметрами неоднородных исследуемых слоев.