Российская Академия наук
Учреждение Российской академии наук
Санкт-Петербургский Академический университет –
научно-образовательный центр нанотехнологий РАН
Методические рекомендации для слушателей
по изучению курса
«Исследование оптических характеристик полупроводниковых материалов и поверхностных дефектов эпитаксиальных слоев»
Кафедра Физики и технологии наногетероструктур
Методические рекомендации разработаны к. ф.-м. н., н. с.
©
Санкт-Петербург
2011 г.
Методические рекомендации для слушателей по изучению курса «Исследование оптических характеристик полупроводниковых материалов и поверхностных дефектов эпитаксиальных слоев»
1. Рекомендации к изучению отдельных тем (разделов) курса, работе с литературой, выполнению практических заданий и самостоятельных работ, планируемых в процессе изучения курса
Тема 1
При изучении темы 1 «Принципы функционирования и правила техники безопасности при работе с диагностическим оборудованием для исследования оптических характеристик полупроводниковых материалов и наногетероструктур на их основе» слушателям особое внимание следует обратить на изучение материала по правилам техники безопасности при работе с электрическим оборудованием напряжением до 1000В; правилам техники безопасности при работе с лазерами и лазерными системами; правила техники безопасности при работе с криогенным оборудованием.
На лекции подробно изучаются необходимые материалы для прохождения данного курса техники безопасности. Для получения более полной информации помимо лекционного материала, рекомендуется обратиться к литературе, в том числе:
1. http://www. /Basesdoc/4/4923/index. htm правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей -4-е изд., перер. и доп., М., Энергоатомиздат, 1986
2. ГОСТ 12.1.040-83 Система стандартов безопасности труда. Лазерная безопасность. Общие положения.
3. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (ПБ 10-115-96). Госгортехнадзор России. М: ПИО ОБТ 1996г. – 242с.
Тема 2
При изучении темы 2 «Изучение принципов функционирования и получение практических навыков работы с диагностическим оборудованием. Исследования оптических характеристик полупроводниковых материалов и наногетероструктур на их основе» слушателям главное внимание следует уделить физическим основам о теории формирования дефектов в эпитаксиальных пластинах, изучение теоретических основ фотолюминесценции.
Для получения более полной информации, помимо лекционного материала, рекомендуется обратиться к литературе, указанной в программе курса, в том числе:
1. , Лазеры на основе полупроводниковых наноструктур, СПб.: / Изд-во «Элмор», 2007. 304 с.
2. Техника оптической связи : Фотоприемники : пер. с англ. / [Ф. Капассо, Т. Пирсолл, М. Поллак и др.] .— М. : Мир, 1988 .— 526 с.
3. Нанотехнологии. – М: Техносфера, 2007. – 336 с.
4. , под ред. Сергиенко в физику поверхности. – М: Наука, 2006. – 490 с.
5. Гусев , наноструктуры, нанотехнологии. –М: ФИЗМАТЛИТ, 2007, - 416 с
6. M. Kaniewska and I. Slomka, Cryst. Res. Technol.36, 8-10 (2001) 1113-1118
7. M. G.Panish, A. Y.Cho, Molecular beam epitaxy, Spectrum, 17(4) 18 (1980)
8. M. D.Lumb, Luminescence Spectroscopy, Academic, New York, 1978
В процессе изучения материалов темы для закрепления полученных знаний и в целях подготовки к итоговому тесту слушателям следует выполнить лабораторную работу по теме «Исследование поверхностных дефектов эпитаксиальных слоев» 1,5 часа аудиторной работы, 1 час самостоятельной работы (подготовка и написание отчета).
Целью работы является исследование плотности дефектов полупроводниковых гетероструктур на подложках GaAs.
Задача любой эпитаксиальной технологии – свести проникновение дефектов в активные области структуры к минимуму, т. к. именно дефекты являются одним из мощнейших механизмов деградации свойств прибора. Снижение плотности дефектов на пластине – является важной технологической задачей, повышающей выход годных приборов и, в конечном счете, уменьшении себестоимости итогового прибора. Чистые, свободные от дефектов подложки и структуры имеют огромное значение для изготовления полупроводниковых приборов.
Задачи
1. Определение плотности поверхностных овальных дефектов.
2. Определение плотности единичных дефектов.
Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы.
Методы исследования
Для измерения плотности дефектов применяется промышленно выпускающаяся установка автоматического измерения поверхностной плотности дефектов Surfscan 4000 (Surfscan 4000 Wafer Surface Defect and Contamination Analyzer).
Установка Surfscan 4000 позволяет быстро измерить число дефектов, расположение дефектов по пластине и распределение дефектов по размерам бесконтактным способом. Размеры измеряемых дефектов варьируются от 0.06 мкм2 до 255 мкм2. Установка позволяет получать карту дефектов, гистограмму распределения дефектов по размерам и карту haze с X-Y адресацией в реальном времени.
Преподаватель должен познакомить слушателей с классификацией дефектов в гетероструктурах (дефекты в гетероструктурах имеют различное происхождение). Также слушатели должны узнать о различных способах измерения концентрации, размеров и типов дефектов в гетероструктурах – контактные и бесконтактные. Необходимо обсудить подробности, недостатки и области применения различных методов. Слушатели должны понимать, что на сегодняшний день самый широко используемый метод - метод бесконтактного определения размеров и плотности дефектов. Этот метод определения позволяет уменьшить дополнительное загрязнение структуры, вносимое прибором.
Преподаватель должен познакомить слушателей с принципом работы метода и аппаратной реализацией этого метода, рассмотрев принцип работы конкретного прибора. Слушатели должны познакомиться с составляющими прибора – рассеивающей и собирающей системами.
Слушатели должны познакомиться с концепцией измерения шероховатости поверхности гетероструктуры – концепцией Haze.
Порядок выполнения работы
Для измерения плотности дефектов необходимо выполнить следующие действия (все измерения проводятся при комнатной температуре):
1. Включить установку, нажав кнопку «Start» на измерительной установке.
2. Включить компрессор.
3. Расположить образец на измерительной платформе, убедившись, что пластина закрывает отверстие для откачки воздуха.
4. Выбрать необходимые параметры сканирования:
a. Диаметр подложки
b. Диапазон размеров измеряемых дефектов (для определения плотности овальных дефектов диапазон выставляется от 0,8 мкм2 до 10 мкм2; для определения единичных дефектов - от 10 мкм2 до 255 мкм2.)
c. Диапазон haze
5. Запустить процесс измерения (далее установка автоматически произведет измерение).
6. Записать результаты измерений
a. Карта распределения дефектов по пластине;
b. Гистограмма распределения дефектов по размерам;
c. Карта распределения haze по пластине;
d. Общее число дефектов на пластине;
e. Распределение дефектов по размерам;
f. Плотность дефектов;
g. Значение haze;
h. Процент поверхности структуры, занимаемая haze
7. Для паспортизации образца записываются данные: плотность дефектов, значение haze, процент поверхности структуры, занимаемая haze.
8. Произвести выключение приборов в порядке, обратном порядку включения.
Слушатели готовят отчет по лабораторной работе, который должен содержать:
1. цель работы;
2. принципиальная схема установки;
3. полученные результаты;
4. Полученные значения плотности дефектов и их размеры, гистограмма распределения дефектов по поверхности, значение haze, процент поверхности структуры, занимаемой haze;
5. выводы.
При защите лабораторных работ преподавателю рекомендуются задавать вопросы, касающиеся физики работы прибора и наблюдаемых явлений, а также по методике измерений. Слушатели должны уметь объяснить полученные результаты, понимать выбор методики и средств измерений.
В рамках изучение темы 2 предусмотрено выполнение второй лабораторной работы по теме «Фотолюминесценция структур с квантовыми ямами (калибровка составов и скорости роста, однородность по поверхности)» 1,5 часа аудиторной работы, 1 час самостоятельной работы (подготовка и написание отчета).
Целью работы являются калибровки толщины и состава слоев для гетероструктур в системе материалов галлий-индий-алюминий-мышьяк, определение скоростей роста бинарных соединений и состав в тройных соединениях AlxGa1-xAs и InyGa1-yAs.
Задачи
1. Измерение спектров фотолюминесценции тестовой структуры;
2. Вычисление скорости роста отдельных материалов и состав в тройном соединении AlxGa1-xAs и InyGa1-yAs.
3. Измерение карты фотолюминесценции с целью изучения однородности эпитаксиального слоя.
Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы.
Калибровки толщины и состава слоев для гетероструктур в системе материалов галлий-индий-алюминий-мышьяк, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, основаны на измерениях спектров фотолюминесценции (ФЛ) транзисторных гетероструктур и специальных тестовых (калибровочных) гетероструктур.
При выполнении измерений применяется промышленно выпускающаяся установка автоматического измерения спектров фотолюминесценции фирмы Accent Optical Technologies (модель RPMSigma).
Преподаватель должен познакомить слушателей с основными элементами оптической схемы установки, представленными в таблице ниже.
Определение толщины и состава слоев гетероэпитаксиальных структур выполняют по калибровочным графикам и результатам спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ).
Наименование измерительной установки, измерительной системы, стенда, СИ, устройства. | Обозначение стандарта, ТУ и типа средства измерений, либо его метрологические характеристики, или ссылка на чертеж или приложение |
1 Внешний лазер Nd:YAG с диодной накачкой | Лазер непрерывного действия, излучающий на длине волны 532 нм, полученной путем удвоения основной гармоники, мощность до 100 мВт (заводится внутрь установки посредством оптического волокна) |
2 Полупроводниковый лазер | Инжекционный лазер непрерывного действия, излучающий на длине волны 788 нм, мощность до 45 мВт |
3 Фотодетектор | Кремниевый фотодетектор, предназначенный для измерения интенсивности светового сигнала в диапазоне от 350 до 1000 нм |
4 Фотодетектор | InGaAs-фотодетектор, предназначенный для измерения интенсивности светового сигнала в диапазоне от 900 до 1750 нм |
5 Измерительная платформа | Конструкция должна обеспечить: - надежное крепление образца; - горизонтальное положение образца; |
6 Система фокусировки лазерного излучения и позиционирования измерительной платформы | Конструкция должна обеспечить: - фокусировку лазерного луча на поверхности образца; - фокусировку сигнала фотолюминесценции образца на входных щелях монохроматора; - перемещение образца внутри установки от места загрузки до места измерения |
7 Система контроля и обработки данных (СКиОД) | ПЭВМ DELL Optimex GX280 на базе процессора Intel Pentium 4 2.8 ГГц с монитором NEC |
8 Компрессор | Должен обеспечить вакуум, достаточный для прижима образца к измерительной платформе |
9 Монохроматор | Монохроматор с набором из трех дифракционных решеток - 150, 300 и 600 штрихов/мм, разрешение монохроматора 2.1, 1.04 и 0.52 нм, соответственно. |
Процесс ФЛ состоит в поглощении фотонов с энергией больше, чем ширина запрещенной зоны (Eg) исследуемого материала или квантового объекта, и последующем испускании фотона с энергией, равной Eg материала или расстоянию между квантовыми уровнями в квантово-размерном объекте. Таким образом, по спектрам ФЛ можно определить Eg слоев и квантовых объектов, из которых состоит исследуемая структура. Состав эпитаксиального слоя однозначно определяет Eg этого слоя, а Eg квантово-размерного объекта зависит от его состава и толщины. Эта взаимосвязь между оптическими и структурными свойствами позволяет найти состав и толщину слоев гетероэпитаксиальных структур.
Процесс определения толщины и состава слоев состоит из следующих этапов:
- выращивание тестовой структуры;
- определение скоростей роста арсенидных соединений (GaAs, AlAs, InAs) по спектрам ФЛ тестовой структуры и калибровочным графикам;
- выращивание транзисторной структуры, исходя из определенных на предыдущем этапе скоростей роста;
- контроль соответствия между ожидаемыми и реальными значениями по спектрам ФЛ транзисторной структуры.
В качестве тестовой структуры обычно используется структура, включающая в себя слой Al0.2Ga0.8As, ограниченный барьерами из Al0.3Ga0.7As, сверхрешетку GaAs/Al0.3Ga0.7As 10/10 нм и InGaAs квантовую яму.
Для измерения реальных параметров выращенной гетероструктуры измеряются ее спектры фотолюминесценции. Для этого:
· В программе для измерения спектров ФЛ в СКОД установить интересующий диапазон.
· Запустить процесс сканирования.
· Полученный спектр обработать в графическом редакторе. В итоге получится график зависимости интенсивности ФЛ от энергии с максимумами, соответствующими Eg слоев и квантовых объектов, из которых состоит исследуемая структура.
Для определения скоростей роста арсенидных соединений необходимо определить состава AlхGa1-хAs. Для этого:
· По спектральному положению пика от AlхGa1-хAs слоя вычислить истинный состав твердого раствора по формуле:
xAlAs=(E0-1.424)/0.0127, где xAlAs - мольная доля AlAs в процентах, Е0- положение максимума ФЛ от AlхGa1-хAs слоя в эВ.
· 
из спектров ФЛ найти значение энергии перехода с основного квантового состояния сверхрешетки GaAs/AlxGa(1-x)As.
· По калибровочному графику 1 определить толщину слоя GaAs.
· Разделив толщину GaAs на время его роста (t=53,8c), найти скорость реальную роста GaAs.
· Сравнить истинный и ожидаемый состав AlхGa1-хAs, найти истинную скорость роста по формуле:
VAlAs=VGaAs*x/20%, где VGaAs – истинная скорость роста GaAs, x - мольная доля AlAs в процентах;
· Далее, зная скорость роста GaAs и время роста InGaAs квантовой ямы (t=54c), определить скорость роста InAs. Для этого:
· На основании скорости роста GaAs, найти толщину GaAs (dGaAs), осажденного за время роста InGaAs квантовой ямы.
· На калибровочном графике (правый) выбрать кривую, соответствующую значению максимума ФЛ от InGaAs квантовой ямы при комнатной температуре (в нм), и по точке пересечения данной кривой и прямой QGaAs=dGaAs определить толщину InAs, осажденного за время роста квантовой ямы.
· Определить значение скорости роста InAs соединения, поделив найденную толщину InAs на время роста InGaAs квантовой ямы.
· Определить состав InGaAs квантовой ямы по указанной формуле:
xInAs=(dInAs / ( dGaAs+ dInAs))*100%,
где xInAs - мольная доля InAs в процентах, dGaAs - толщина GaAs в нм, dInAs - толщина InAs в нм.
Установка автоматического измерения спектров фотолюминесценции фирмы Accent Optical Technologies (модель RPMSigma) позволяет получать карту фотолюминесценции, что позволяет определить однородность оптических параметров по площади пластины. Имея в одиночном спектре фотолюминесценции один или несколько пиков интенсивности от внутренней структуры образца, можно получить карту распределения длины волны фотолюминесценции, карту пиковой и интегральной интенсивности фотолюминесценции и карту распределения FWHM по пластине
Порядок выполнения работы
Для измерения спектров ФЛ необходимо выполнить следующие действия (все измерения проводятся при комнатной температуре):
1. Включить СКиОД, нажав кнопку «Start» на измерительной установке.
2. Запустить программу измерений «RPMSigma».
3. Включить компрессор.
4. Расположить образец в соответствующей измерительной платформе (на 2 или 3 дюйма), убедившись, что пластина закрывает отверстия для откачки воздуха по периметру платформы.
5. Включить блок накачки Nd:YAG лазера и дать ему прогреться в течение 10 минут.
6. В программе измерений выбрать функцию загрузки образца (образец автоматически переместится на место измерения).
7. Выбрать нужный лазер и ввести в программу параметры сканирования спектра:
а. начальную длину волны спектра
б. конечную длину волны спектра
в. тип сканирования
г. скорость сканирования
д. шаг сканирования.
8. Запустить процесс измерения спектра (далее установка автоматически произведет измерение спектра ФЛ и выдаст график на экран СКиОД с определенными значениями пиков от различных слоев гетероструктуры).
9. При необходимости определить положение пиков ФЛ вручную путем перемещения курсора по спектру ФЛ.
10. При необходимости (слабая интенсивность пика ФЛ) измерить спектр ФЛ в интересующем диапазоне на меньшей скорости сканирования.
11. Для получения карты фотолюминесценции в программе выбрать функцию измерения карты, а не одиночного спектра.
12. Сохранить полученный спектр ФЛ на дисковом накопителе СКиОД.
13. Произвести выключение приборов в порядке, обратном порядку включения.
Слушатели готовят отчет по лабораторной работе, который должен содержать:
1. цель работы;
2. принципиальная схема установки;
3. полученные результаты;
4. Полученные значения плотности дефектов и их размеры, гистограмма распределения дефектов по поверхности, значение haze, процент поверхности структуры, занимаемой haze;
5. выводы.
При защите лабораторных работ преподавателю рекомендуются задавать вопросы, касающиеся физики работы прибора и наблюдаемых явлений, а также по методике измерений. Слушатели должны уметь объяснить полученные результаты, понимать выбор методики и средств измерений.
При написании выводов, слушатели должны дать рекомендацию по необходимой корректировки скорости роста для выращивания рабочих гетероструктур. В выводах должны быть отражено за счет чего можно влиять на толщину роста слоев и на состав тройных растворов (AlGaAs и InGaAs).
2. Рекомендации по работе с литературой
При изучении курса особое внимание следует обратить на книгу , Лазеры на основе полупроводниковых наноструктур, СПб.: / Изд-во «Элмор», 2007. 304 с. и ГОСТ 12.1.040-83 «Система стандартов безопастности труда. Лазерная безопастность. Общие положения» в которых наиболее обстоятельно излагается большинство вопросов, затрагиваемых в курсе.
Конкретные разделы и дополнительная литература указаны в рекомендациях к каждой теме.
3. Рекомендации по подготовке итогового практического задания
Для контроля усвоения данного курса учебным планом предусмотрен дифференцированный зачет, который проводится в форме теста.
Подготовка к выполнению итогового практического задания требует повторения материала лекций и материалов, предлагаемых для изучения в учебных пособиях и дополнительной литературы.
Целью курса «Исследование оптических характеристик полупроводниковых материалов и поверхностных дефектов эпитаксиальных слоев» является формирование у слушателей знаний о теории формирования дефектов в эпитаксиальных пластинах и методик измерения дефектов, изучение теоретических основ люминесценции (фотолюминесценции), методик измерения спектров фотолюминесценции, оборудования для измерений
Целью подготовки и написания итогового теста является закрепление системных знаний о физических основах, инструментальных принципах и диагностических возможностях методов фотолюминесценции и исследования поверхностных слоев на дефекты, закрепление навыков по комплектации диагностического оборудования, необходимого для выполнения проекта, знаний по выполнению обеспечения безопасности жизнедеятельности персонала, работающего на производстве и диагностики наноматериалов.
Критерии оценки знаний слушателей при выполнении итогового теста:
Оценка «отлично» выставляется, если слушатель правильно ответил на 85-100 % вопросов теста.
Оценка «хорошо» выставляется, если слушатель правильно ответил на 70-84% вопросов теста.
Оценка «удовлетворительно» выставляется, если слушатель правильно ответил на 50-69 % вопросов теста.
Оценка «неудовлетворительно» выставляется, если слушатель не ответил правильно на 50% вопросов теста.
