Эллипсометрия  процессов молекулярно-лучевой эпитаксии Hg1-xCdxTe (19.07.2010)

Автор: Швец Василий Александрович

Швец Василий Александрович

ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ ПРОЦЕССОВ

МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ Cd1-xHgxTe

01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Красноярск – 2010

Работа выполнена в: Учреждении Российской академии наук

Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск)

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор

Пчеляков Олег Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Ветров Степан Яковлевич

доктор физико-математических наук, профессор

Овчинников Сергей Геннадьевич

доктор физико-математических наук, профессор

Пшеницын Владимир Ильич

Ведущая организация: Учреждении Российской академии наук

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита состоится: «___»________2010 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 003.055.01 при Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск 36, Академгородок, 50, стр. 38. Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им Л.В. Киренского СО РАН.

Автореферат разослан «___»____________2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета,

Доктор физико-математических наук Втюрин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Тройное полупроводниковое соединение Hg1-xCdxTe (КРТ) является перспективным материалом для изготовления инфракрасных фотоприемников среднего и дальнего ИК-диапазонов. Возможность перестройки длины волны в широком диапазоне спектра путем изменения состава делает этот материал крайне привлекательным для создания уникальных фотоэлектронных устройств, которые применяются в тепловизионной аппаратуре, в приборах дистанционного наблюдения, в медицинской технике. Фотоприемные устройства на основе КРТ способны перекрывать окна прозрачности земной атмосферы (3 – 5 и 8 -12 мкм) и могут применяться для космического мониторинга.

Среди методов, используемых при выращивании КРТ и структур на его основе наиболее универсальным и технологичным является метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Сравнительно низкая температура эпитаксиального роста из молекулярных пучков (( 200(С) ограничивает диффузию примесей из подложки и позволяет выращивать слои высокого качества. Низкая температура предотвращает также размытие границ раздела за счет взаимодиффузии, что делает возможным выращивание многослойных структур с резкими границами раздела и заданным распределением состава. Наконец, технология МЛЭ оказывается наиболее гибкой при решении вопроса об альтернативных подложках благодаря возможности выращивания композиционных буферных слоев для сопряжения с активным слоем КРТ.

Для реализации в полной мере всех перечисленных возможностей МЛЭ необходим надежный и достаточно простой метод контроля технологических процессов и параметров выращиваемых структур. В полупроводниковой тонкопленочной технологии для этих целей обычно используется дифракция быстрых электронов, которая дает исчерпывающую информацию о кристаллической структуре, позволяет наблюдать слоевой рост и тем самым контролировать толщины слоев. Однако, в случае синтеза КРТ применение электронных методов сталкивается с серьезными проблемами. Оптимальные режимы эпитаксиального роста находятся в узком температурном интервале. Энергия электронов в пучке составляет (10 кэВ, это приводит к локальному разогреву поверхности, отклонению условий роста от оптимальных и искажению информации. Более предпочтительны в этом случае оптические методы контроля, которые никак не воздействуют на процессы роста, в частности метод эллипсометрии. Ряд особенностей делает его основным кандидатом в качестве средства технологического контроля.

Метод эллипсометрии характеризует амплитудно-фазовые изменения поляризованной световой волны при ее отражении и является поэтому более информативным по сравнению с рефлектометрическими измерениями. Этот метод невозмущающий, так как энергия квантов света для видимого диапазона составляет всего несколько электрон-вольт. Эллипсометрическая аппаратура легко встраивается в технологические установки и не требует размещения каких-либо элементов в вакуумном объеме за исключением окон ввода и вывода излучения. Эллипсометрические измерения обладают высоким быстродействием, удовлетворяющим требованиям при выращивании неоднородных структур. Наконец, следует отметить, что эллипсометрические измерения чувствительны к различным характеристикам исследуемых объектов: кристаллической модификации материала, его составу, толщинам слоев, размытию межфазных границ и морфологическому несовершенству поверхности. Поэтому потенциально с помощью эллипсометрических измерений можно изучать большой набор параметров, характеризующих свойства растущей структуры.

Следует, однако, отметить одну особенность рассматриваемого метода, которая зачастую ограничивает его широкое применение. Физические параметры исследуемых структур определяются не напрямую из эллипсометрических измерений, а путем моделирования. Создание адекватной оптической модели, которая учитывала бы наиболее существенные особенности объекта исследования, является непростой задачей. Она предполагает хорошее понимание как физики взаимодействия света с образцом, так и тех физико-химических процессов, которые определяют поведение самого образца. Кроме того, количественное моделирование предполагает наличие библиотеки оптических постоянных материалов, которые составляют исследуемые структуры. Для технологии МЛЭ КРТ это соединения группы А2В6 (HgTe, CdTe, ZnTe и твердые растворы на базе этих соединений), а также подложечный материал GaAs и Si. За исключением, пожалуй, кремния для всех остальных материалов имеющиеся в литературе сведения либо фрагментарны, либо, наоборот, дают общие представления о спектральной зависимости оптических постоянных или зависимости по составу и не соответствуют требованиям точности, которые необходимы для реализации в полной мере возможностей лазерной эллипсометрии.

Возможности метода во многом определяются также используемой эллипсометрической аппаратурой. Повышение точности измерений, быстродействия, удешевление аналитического оборудования с сохранением его функциональных свойств – все это также представляется крайне актуальным для успешного решения задач, связанных с постановкой эллипсометрического контроля процессов молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур на основе КРТ.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка комплекса методических и аппаратных средств, направленных на создание эллипсометрического контроля при выращивании методом МЛЭ структур на основе КРТ. Исходя из сказанного выше, для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Оптимизировать параметры оптической измерительной схемы, включая узлы эллипсометра и модули ввода – вывода излучения в камеру для достижения максимальной точности эллипсометрических измерений.

Выполнить исследования, создать библиотеку данных по оптическим постоянным полупроводниковых соединений, используемых в структурах КРТ, и на основе полученного эмпирического материала провести их параметризацию.

На основе экспериментальных исследований процессов роста гетероструктур КРТ разработать оптические модели и методики для in-situ контроля ключевых параметров этих структур: состава, толщин слоев, кристаллического совершенства и т.д.;

Провести теоретический анализ взаимодействия поляризованного света с оптически неоднородными и многослойными структурами с целью получения простых и корректных методов расчета количественных характеристик отраженного света и способов определения параметров структур.


загрузка...