PL224283B1 - Sposób kontroli periodyczności w strukturach supersieci II rodzaju InAs/(In)GaSb - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób kontroli periodyczności w strukturach supersieci II rodzaju InAs/(In)GaSb. Sposób według wynalazku jest przeznaczony dla supersieci (superlattice-SL) wykonanych w stabilnych warunkach technologicznych, zoptymalizowanych dla danej pary materiałowej tworzącej SL, o grubości całkowitej powyżej 500 nm.

Supersieci (superlattice-SL) II rodzaju po raz pierwszy zostały zaproponowane jako interesujący materiał aplikacyjny przez G.A.Sai-Halasz'a i współautorów w 1977 r., [G.A.Sai-Halasz. R.Tsu, L.Esaki, Appl.Phys.Lett. 30 (12), 1977], natomiast konkretnie do celów detekcji promieniowania podczerwonego - przez D.L.Smith'a i C.Mailhiot'a dziesięć lat później, tj. w 1987 r., [D.L.Smith, C.Mailhiot,

J. Appl.Phys. 62 (6). 1987]. W supersieciach drugiego rodzaju najniżej energetyczne przejścia międzypasmowe są związane z poziomami leżącymi w pasmach należących do sąsiadujących ze sobą materiałów. Supersieci dzielą się na dwa rodzaje: pierwszy charakteryzuje się schodkowym profilem energetycznym pasm (staggered type), natomiast drugi - nieciągłością pasm (broken gap type). Wynikająca stąd korzyść związana jest z inżynierią przerwy energetycznej. W przypadku pary materiałowej InAs/(In)GaSb bardzo istotną rolę w kształtowaniu pasm, szczególnie walencyjnych poszczególnych materiałów odgrywają naprężenia. Dla materiałów (In)GaSb są to naprężenia ściskające (aGaSb < alnGaSb), natomiast dla InAs - rozciągające (aGaSb > alnAs). Naprężenia ściskające powodują podnoszenie się krawędzi pasm na skali energii i rozszczepienie pasma dziur na ciężkie HH i lekkie LH w taki sposób, że dziury ciężkie stanowią podstawowy stan w paśmie walencyjnym. Naprężenie rozciągające działa analogicznie tylko w przeciwnym kierunku: krawędzie pasm opuszczają się na skali energii, a lekkie dziury stanowią podstawowy stan w paśmie walencyjnym. Ogólnie prowadzi to do zmniejszenia przerwy energetycznej SL. Ekstrema, stanowiące o efektywnej przerwie energetycznej SL są przestrzenie rozdzielone, gdyż należą do różnych materiałów. W związku z tym, różnoimienne nośniki również są przestrzennie rozdzielane, ograniczone do obszarów różnych materiałów: elektrony do obszaru InAs, natomiast dziury - do obszaru (In)GaSb. Jest to niekorzystna sytuacja ze względu na efektywność absorpcji detektorów. Aby funkcje falowe elektronów i dziur nachodziły na siebie, tj. aby gęstość prawdopodobieństwa znalezienia elektronów w obszarze dziur wzrosła, należy zminimalizować grubość materiału o większej przerwie energetycznej. Wówczas nastąpi sprzężenie studni potencjału dla elektronów i delokalizacja funkcji falowej elektronów w całej SL. Gęstość prawdopodobieństw elektronów w obszarze InAs zmaleje, natomiast wzrośnie w obszarze (In)GaSb, gdzie zlokalizowane są dziury. Dzięki temu efektywność absorpcji w SL II rodzaju jest porównywana z efektywnością absorpcji w HgCdTe. Kolejną zaletą SL II rodzaju jest większa masa efektywna elektronów, co zmniejsza efektywność tunelowania nośników, dzięki czemu zmniejsza się upływność prądu. Ponadto dzięki modyfikacji pasma walencyjnego na skutek oddziaływania naprężenia, zmniejsza się efektywność rekombinacji Auger'a, która jest dominującym mechanizmem rekombinacji niepromienistej w temperaturach zbliżonych do pokojowej, [C.R. Pidgeon, C.M.Ciesla, B.N.Murdin, Prog.Quant.Electr. 21 (5), 1998].

Aby wykorzystać wszystkie zalety zarówno materiałów antymonowych, jak i SL II rodzaju w konstrukcji detektorów pracujących w zakresie średniej podczerwieni, należy przede wszystkim przeprowadzić w sposób niezwykle precyzyjny i powtarzalny proces krystalizacji struktur epitaksjalnych. Ze względu na bardzo restrykcyjne wymagania odnośnie periodyczności okresów w strukturze SL o grubości kilku mikrometrów, epitaksja z wiązek molekularnych MBE (Molecular Beam Epitaxy), jak żadna inna technologia cienkowarstwowa, nadaje się do wytworzenia struktur detektorów na bazie SL II rodzaju. Warunkiem utrzymania stałej periodyczności w strukturze SL jest zbilansowanie naprężeń poprzez wprowadzenie skokowych obszarów międzyfazowych o kontrolowanym typie.

Najczęściej jakość i typ obszarów międzyfazowych kontrolowana jest za pomocą spektroskopii Ramanowskiej, czułej na poszczególne wiązania międzyatomowe [N.Herres, F.Fuchs, J.Schmitz,

K. M.Pavlov. J.Wagner, J.D.Ralston, P.Koidl, C.Gadaleta, G.Scamarcio, Phys.Rev.B S3 (23) 1996]. Dzięki temu możliwa jest identyfikacja pierwiastków wchodzących w skład danego obszaru.

Doskonałą metodą określającą stan naprężeń strukturze, jakość pseudomorficznego wzrostu, płaskorównoległość granic międzyfazowych oraz grubość poszczególnych warstw tworzących SL a tym samym jej periodyczność jest wysokorozdzielcza elektronowa mikroskopia transmisyjna (high resolution transmission electron microscopy-HR TEM). Dzięki niej można zdiagnozować zarówno typ jak przestrzenną rozpiętość atomów w strukturze z dokładnością do pojedynczych warstw atomowych.

PL 224 283 B1

Kolejnym narzędziem do kontroli wielkości i typu naprężeń w SL jest wysokorozdzielcza dyfraktometria rentgenowska (high resolution X-ray diffraction - HR XRD). Z położenia piku zerowego rzędu na dyfraktogramie 2theta/omega (2θ/ω) można wnioskować o naprężeniu SL, natomiast z kształtu i położenia pików satelitarnych - o jakości obszarów międzyfazowych (chropowatości chemicznej) i grubości całego periodu SL. Korzystając z symulacji opartej na dynamicznej teorii dyfrakcji, można uzyskać informację o składzie warstw wieloskładnikowych.

Jednakże każda z wymienionych metod pomiarowych ma wady. Spektroskopia Ramana pozwala na analizę widm jedynie w oparciu o szeroką bazę danych, przy czym widma mogą być niejednoznaczne, co utrudnia ich interpretację.

Informacje uzyskiwane z pomiarów mikroskopią transmisyjną są miarodajne, jednakże technika ta nie może być brana pod uwagę w szybkiej diagnostyce jakości strukturalnej polegającej na sprzężeniu zwrotnym proces epitaksjalny - pomiar - proces epitaksjalny. Przygotowanie preparatu z próbki trwa zwykle kilka dni, w tym czasie parametry urządzenia epitaksjalnego ulegają zmianie i optymalizacja procesu technologicznego staje się nieefektywna.

Mankamentem badań rentgenowskich SL II rodzaju na podstawie analizy profili rentgenowskich wykonanych w modzie 2θ/ω jest mała precyzja określania zaburzeń periodyczności wynikających z niestabilności grubości i składu chemicznego obszarów międzyfazowych. W typowych pomiarach owa niestabilność wpływa na szerokość połówkową pików zerowego i satelitarnych, jednakże parametr ten może być zaburzany również przez gorszą jakość krystaliczną SL i wówczas wynik jest niejednoznaczny. Ponadto przy niewielkim zaburzeniu parametrów obszarów przejściowych, zmiany szerokości połówkowej są na tyle małe, że można tego nie zauważyć np. na tle większych szumów generowanych przez urządzenie pomiarowe.

Celem wynalazku jest opracowanie pewnego i szybkiego sposobu kontroli periodyczności podczas wytwarzania warstw epitaksjalnych w strukturach supersieci II rodzaju InAs/(In)GaSb.

Sposób kontroli periodyczności struktur supersieci II rodzaju InAs/(In)GaSb według wynalazku dotyczy struktur wykonanych w stabilnych warunkach technologicznych zoptymalizowanych dla danej pary materiałowej tworzącej SL, o grubości całkowitej powyżej 500 nm prowadzony jest za pomocą wysokorozdzielczej dyfraktometru rentgenowskiej. W sposobie tym najpierw, sporządza się dyfraktogram struktury i sprawdza się, obecności pików satelitarnych wysokich rzędów i pików interferencyjnych. Następnie po ich zlokalizowaniu sporządza się, co najmniej jedną mapę sieci odwrotnej struktury zawierającą co najmniej dwa piki satelitarne wysokich rzędów pochodzące od rozproszenia koherentnego promieniowania rentgenowskiego i sprawdza się obecność obszarów rozpraszania dyfuzyjnego wokół tych pików oraz ich kształt geometryczny.

Periodyczność struktur InAs/GaSb otrzymanych na podłożach GaSb potwierdzana jest obecnością pola rozpraszania dyfuzyjnego o trójkątnym kształcie wokół piku głównego i pików satelitarnych wysokich rzędów. Periodyczność struktur InAs/GaSb otrzymanych na podłożach GaAs potwierdzana jest obecnością pola rozpraszania dyfuzyjnego o eliptycznym kształcie wokół piku głównego i pików satelitarnych wysokich rzędów. Natomiast periodyczność zaburzoną potwierdza brak zdefiniowanego kształtu pola rozpraszania dyfuzyjnego wokół piku głównego i pików satelitarnych wysokich rzędów.

Sposób kontroli periodyczności jest realizowany poprzez pomiar i analizę map sieci odwrotnych supersieci za pomocą wysokorozdzielczej dyfraktometrii rentgenowskiej. Na mapach sieci odwrotnych rejestrowane jest rozpraszanie koherentne i dyfuzyjne. Rozpraszanie koherentne pochodzi od ściśle uporządkowanych warstw SL, natomiast dyfuzyjne - od statystycznie rozłożonych defektów strukturalnych. Obszary międzyfazowe są traktowane jako zaburzenie ściśle uporządkowanej sieci krystalicznej supersieci. W badaniach dyfrakcyjnych obszary międzyfazowe w SL są źródłem rozpraszania dyfuzyjnego, które jest usytuowane wokół pików satelitarnych rozpraszania koherentnego. Warunkiem zaobserwowania rozpraszania dyfuzyjnego pochodzącego od obszarów międzyfazowych jest poprawność sieci krystalicznej całej SL, odpowiednia jej grubość oraz poprawność krystaliczna samych obszarów międzyfazowych.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie kontroli periodyczności trzech struktur SL typowych dla detektorów podczerwieni. Fig. 1 rysunku pokazuje dyfraktogramy struktur detektorów InAs/GaSb #A1, #A2 i #A3, a na Fig. 2a i na Fig. 2b mapy sieci odwrotnej wykonane wokół symetrycznego refleksu 004 dla struktur tych detektorów.

Sposób kontroli polega na pomiarze symetrycznych map sieci odwrotnych SL za pomocą HR XRD. Nie stawia się szczególnych wymagań co do oprzyrządowania dyfraktometru. Dyfraktometr, na którym prowadzono pomiar wyposażony jest w lampę miedzianą Cu, goniometr wertykalny umożliwia4

PL 224 283 B1 jący pomiar kątów z dokładnością 0,0001 stp. oraz hybrydowy czteroodbiciowy monochromator Ge (400). Pomiar sieci odwrotnej jest techniką, na podstawie której określa się stopień relaksacji struktury epitaksjalnej jak również typ i gęstość defektów obecnych w badanej próbce. Istotne jest zatem aby precyzyjnie określić położenia węzłów sieci odwrotnej jak również ich kształt i wysokość. Ze względu na dużą dynamikę zliczeń (powyżej 3900 x 106 zliczeń/sekundę) do pomiaru został zastosowany dwuwymiarowy detektor PIXEL. Dla określenia precyzyjnego położenia węzłów mapę mierzono wykorzystując germanowy (Ge (220)) trójodbiciowy analizator w trójosiowej geometrii.

Badane struktury SL zostały wykonane w zoptymalizowanych warunkach technologicznych, które gwarantują uzyskanie poprawnego krystalicznie materiału, a jedynymi defektami w sieci krystalicznej są obszary międzyfazowe. Inne defekty sieci powodują wzrost tła rozpraszania dyfuzyjnego, które może zaburzać interpretację pomiaru. Wykorzystane struktury SL są typowe dla detektorów podczerwieni, a ich grubość wynosi ok. 1800 nm (300 periodów). Grubość użytych struktur jest istotna, ponieważ w strukturach SL o grubości poniżej 500 nm natężenie koherentne jest słabe, a znacząco od niego słabsze rozpraszanie dyfuzyjne może nie być mierzalne.

Struktury te zostały wykonane w warunkach technologicznych zoptymalizowanych dla struktur detektorów antymonkowych. Pierwsza struktura oznaczona jako #A1 została wykrystalizowana na podłożu GaSb (100) w temperaturze 385°C. Druga struktura #A2 została osadzona również na podłożu GaSb (100) ale w zmiennych warunkach termicznych, przy czym zmiana temperatury była liniowa w przedziale od 385°C do 335°C. Trzecią strukturę #A3 osadzono w stałej temperaturze 385°C, analogicznie jak pierwszą ale na podłożu GaAs (100). Jakość krystaliczną uzyskanych struktur sprawdzono za pomocą pomiaru krzywych dyfrakcyjnych 2θ/ω.

W pierwszym etapie sposobu według wynalazku zmierzono krzywe dyfrakcyjne 2θ/ω wykonanych struktur i dokonano analizy uzyskanych dyfraktogramów oraz sprawdzono obecność pików satelitarnych.

Pokazana na dyfraktogramie (Fig. 1) środkowa krzywa została zmierzona dla typowej struktury supersieci #A1 9ML InAs/10ML GaSb otrzymanej w optymalnych warunkach technologicznych. Górna krzywa została zmierzona dla struktury #A3 wykrystalizowanej na podłożu GaAs, natomiast dolna dla struktury #A2 otrzymanej w warunkach zmiennych termicznie. Sprawdzono jakie jest niedopasowanie sieciowe określone dla kierunku prostopadłego do kierunku wzrostu i stwierdzono, że jest mniejsze niż ± 2x10^-4. Tak mała wartość niedopasowania sieciowego oznacza, że dla wszystkich trzech struktur pik zerowy pokrywa się z pikiem od GaSb, co potwierdza, że struktury mają zbilansowane naprężenia. Na analizowanym dyfraktogramie stwierdzono obecność pików interferencyjnych (Pendelosung fringes), które świadczą o wysokiej jakości krystalicznej struktur, również w przypadku osadzenia na podłożu GaAs oraz obecność pików satelitarnych wysokich rzędów, które świadczą o wysokiej precyzji wykonania struktur i w pierwszym przybliżeniu są miarą zachowania periodyczności w tych strukturach.

W drugim etapie kontroli periodyczności wykonania struktur analizuje się sporządzone dla tych struktur mapy sieci odwrotnej pod kątem obecności rozpraszania dyfuzyjnego. Na Fig. 2a rysunku przedstawiono mapy sieci odwrotnej wykonane wokół symetrycznego refleksu 004 w kolejności jak na Fig. 1. Natomiast na Fig. 2b pokazano obszar wokół piku satelitarnego SL-1 w powiększeniu. Analizę prowadzi się pod kątem obecności rozpraszania dyfuzyjnego skoncentrowanego wokół pików satelitarnych rozpraszania koherentnego. Jak widać, mapy różnią się znacząco. Kształt obszaru rozpraszania dyfuzyjnego jest zależny od pola naprężeń wywołanego przez defekty w sieci. Jest właściwością danego systemu materiałowego. W kierunku równoległym do powierzchni wzrostu obszary międzyfazowe będące źródłem rozpraszania dyfuzyjnego, są statystycznie bardziej zróżnicowane pod względem szerokości i długości oraz składu chemicznego niż w kierunku prostopadłym, w którym są one ze sobą skorelowane. Sumaryczna grubość tych obszarów w porównaniu do grubości całej SL stanowi znaczącą wartość. To wyjaśnia, dlaczego natężenie rozproszonych promieni X w obszarze międzyfazowym jest zauważalne w porównaniu do natężenia promieniowania koherentnie rozproszonego.

Na mapie zmierzonej dla struktury #A1 (środkowa) - typowego detektora, rozpraszanie dyfuzyjne jest widoczne wokół wszystkich satelitów. Piki dyfuzyjnego rozpraszania przekrywają się z pikami koherentnego rozpraszania, co świadczy o tym, że obszary międzyfazowe modyfikują stałą sieci w całej strukturze SL, tj. są rozłożone równomiernie w całej strukturze. Piki dyfuzyjne są poszerzone w obydwu kierunkach - prostopadłym (Qz) i równoległym (Qx) do powierzchni wzrostu. Poszerzenie może pochodzić od fluktuacji naprężeń wywołanych oscylacjami składu chemicznego obszarów międzyfazowych, które są silniejsze w kierunku równoległym do powierzchni wzrostu. Mapa struktury #A3

PL 224 283 B1 różni się od #A1 kształtem pola rozpraszania dyfuzyjnego. To oznacza, że pole naprężeń wywołane obszarami międzyfazowymi jest inne niż w pierwszym przypadku, czyli inny jest też sam obszar międzyfazowy. Może on być wyspowy bądź falisty, możliwe jest też występowanie dyslokacji. Jednakże maksima dyfuzyjnego i koherentnego rozpraszania pokrywają się, co dowodzi jednorodności charakteru obszarów międzyfazowych, a tym samym stałości periodyczności w całej strukturze. Tak więc obecność rozpraszania dyfuzyjnego w poprawnie wykonanej strukturze SL jest oznaką zachowania periodyczności. Jeśli w strukturze nie występują żadne defekty, to nie powinno wystąpić rozpraszanie dyfuzyjne. Szczególny przypadek to struktura idealna. Jednakże może wystąpić przypadek, że rozpraszanie dyfuzyjne nie jest widoczne na mapie a struktura nie jest idealna. Dla struktury #A2 wykonanej w zmiennych warunkach termicznych rozpraszanie dyfuzyjne jest na poziomie tła, co wskazywałoby na strukturę idealną. Jednakże wiadomo, że struktura została wykrystalizowana w zmiennych termicznie warunkach. Wraz ze zmniejszaniem temperatury, zmiany w obszarze międzyfazowym są coraz bardziej znaczące i każdy kolejny obszar bardziej różni się od poprzedniego. Im niższa temperatura, tym większy nadmiar As na rosnącej powierzchni, tym efektywniejsza wymiana anionów w obszarze międzyfazowym, co prowadzi do silniejszej modyfikacji składu chemicznego w tym obszarze. Tak więc, powyżej pewnej grubości SL, struktura ma różne obszary międzyfazowe w każdym kolejnym periodzie, nie skorelowane ze sobą w żadnym z kierunków. Obszary te działają jako różne źródła rozpraszania dyfuzyjnego przypadkowo zmieniając fazę rozproszonego promieniowania X, które jest detekowane przy różnych kątach w szerokim ich zakresie i tworzy tło rozpraszania dyfuzyjnego. Dlatego rozpraszanie dyfuzyjne w strukturze #A2 jest zarejestrowane jako szczątkowo zaznaczony obszar wokół satelity SL-1, poszerzony w kierunku równoległym do powierzchni wzrostu, co może świadczyć o fluktuacjach składu w obszarze międzyfazowym na powierzchni kryształu. Oznacza to, że podobną mapę rozpraszania dyfuzyjnego możemy mieć dla struktury z zachwianą periodycznością jak i dla struktury idealnej.

Claims (4)

1. Sposób kontroli periodyczności struktur supersieci II rodzaju InAs/(In)GaSb wykonanych w stabilnych warunkach technologicznych zoptymalizowanych dla danej pary materiałowej tworzącej SL, o grubości całkowitej powyżej 500 nm, za pomocą wysokorozdzielczej dyfraktometru rentgenowskiej, znamienny tym, że najpierw, sporządza się dyfraktogram struktury i sprawdza się, obecności pików satelitarnych wysokich rzędów i pików interferencyjnych, następnie po ich zlokalizowaniu sporządza się co najmniej jedną mapę sieci odwrotnej struktury zawierającą, co najmniej dwa piki satelitarne wysokich rzędów pochodzące od rozproszenia koherentnego promieniowania rentgenowskiego i sprawdza się obecność obszarów rozpraszania dyfuzyjnego wokół tych pików oraz ich kształt geometryczny.

2. Sposób według, zastrz. 1, znamienny tym, że periodyczność struktur InAs/GaSb otrzymanych na podłożach GaSb potwierdzana jest obecnością pola rozpraszania dyfuzyjnego o trójkątnym kształcie wokół piku głównego i pików satelitarnych wysokich rzędów.

3. Sposób według, zastrz. 1, znamienny tym, że periodyczność struktur InAs/GaSb otrzymanych na podłożach GaAs potwierdzana jest obecnością pola rozpraszania dyfuzyjnego o eliptycznym kształcie wokół piku głównego i pików satelitarnych wysokich rzędów.

4. Sposób według, zastrz. 1, znamienny tym, że periodyczność zaburzoną potwierdza brak zdefiniowanego kształtu pola rozpraszania dyfuzyjnego wokół piku głównego i pików satelitarnych wysokich rzędów.