Методы исследования дислокационной структуры полупроводниковых монокристаллов группы AIIIBV

Темпы развития современной электроники, помимо повышения спроса на полупроводниковые монокристаллы, приводят к возрастанию требований по их структурному совершенству. Плотность дислокаций и характер их распределения являются важнейшими характеристиками полупроводниковых монокристаллов, определяющими дальнейшую эффективность их применения в качестве элементов интегральных систем. В связи с этим изучение механизмов возникновения, скольжения и распределения дислокаций — одна из актуальных задач, которая ставит ученных перед выбором метода исследования. В данной работе приведен обзор современных методик исследования и подсчета плотности дислокаций в монокристаллах. Дан краткий анализ основных преимуществ и недостатков каждого метода, а также приведены экспериментальные результаты. Метод избирательного травления (световой оптической микроскопии) получил наибольшее распространения и в своем классическом варианте является очень эффективным при решении задач обнаружения дефектов, приводящих к браку, и оценки плотности дислокаций по числу ямок травления, пересчитанных на площадь поля зрения. С использованием цифровой световой микроскопии, за счет перехода от анализа изображений к матрице значений интенсивности отдельного пикселя и автоматизации процесса измерений, становится возможным количественный анализ по всему поперечному сечению монокристаллической пластины и анализ характера распределения структурных несовершенств. Метод рентгеновской дифракции традиционно используется для определения кристаллографической ориентации, но также позволяет оценить величину плотности дислокаций по уширению кривой качания в случае двухкристальной геометрии. Методы растровой электронной микроскопии во вторичных электронах и атомно-силовой микроскопии позволяют дифференцировать фигуры травления по природе их возникновения и детально изучить их геометрию.

Просвечивающая электронная микроскопия и метод наведенных токов позволяют получать микрофотографию отдельных дислокаций, но требуют трудоемкой предварительной подготовки экспериментальных образцов. Рентгеновская топография дает возможность работать с массивными образцами и также обладает высокой разрешающей способностью, но в связи с высокой энергоемкостью процесса измерений слабо применима в условиях производства.

Цифровая обработка изображений позволяет расширить спектр возможностей основных материаловедческих методов исследования дислокационной структуры и повысить объективность получаемых результатов.

1. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М.: Металлургия; 1988. 575 с.

2. Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. М.: Металлургия; 1984. 256 с.

3. Бережанский И.Р., Адарчин С.А., Косушкин В.Г. Влияние дислокаций на параметрические свойства полупроводниковых приборов. Электромагнитные волны и электронные системы. 2016; 21(10): 4–8.

4. Бардсли У. Влияние дислокаций на электрические свойства полупроводников. Успехи физических наук. 1961; 73(1): 121–167.

5. Травление полупроводников; пер. с англ.: сб. ст. М.: Мир; 1965. 382 с.

6. Левченко Д.С., Теплова Т.Б., Югова Т.Г. Исследование дислокационной структуры монокристаллов арсенида галлия, используемых для создания приборов сверхскоростной микроэлектроники. В сб.: Материалы II Междунар. науч.-практ. конф. «Экономика и практический менеджмент в России и за рубежом». Коломна, 30 апреля 2015 г. Коломна: Коломенский ин-т (фил.) ФГБОУ ВПО «Московский гос. машиностроительный ун-т (МАМИ)»; 2015. С. 135–137.

7. Парфентьева И.Б., Пугачев Б.В., Павлов В.Ф., Козлова Ю.П., Князев С.Н., Югова Т.Г. Особенности формирования дислокационной структуры в монокристаллах арсенида галлия, полученных методом Чохральского. Кристаллография. 2017; 62(2): 259–263. https://doi.org/10.7868/S0023476117020205

8. Случинская И.А. Основы материаловедения и технологии полупроводников. М.: Мир; 2002. 376 с.

9. Фанштейн С.М. Обработка поверхности полупроводниковых приборов. 2-е изд. перераб и доп. М.; Ленинград: Энергия; 1966. 256 с.

10. Марков А.В., Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. О роли дислокаций в формировании свойств монокристаллов полуизолирующего GaAs. Физика и техника полупроводников. 1986; 20(4): 634–640.

11. Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в эпитаксиальных слоях полупроводников. М.: Металлургия; 1985. 159 с.

12. Авров Д.Д., Лебедев А.О., Таиров Ю.М. Основные дефекты в слитках и эпитаксиальных слоях карбида кремния I. Дислокационная структура и морфологические дефекты. Обзор. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2015; 20(3): 225–238.

13. Косушкин В.Г., Кожитов Л.В., Кожитов С.Л. Состояние и проблемы выращивания монокристаллов полупроводников высокой однородности. Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2013; (1): 10–22.

14. Кудря А.В., Соколовская Э.А., Скородумов С.В., Траченко В.А., Папина К.Б. Возможности цифровой световой микроскопии для объективной аттестации качества металлопродукции. Металловедение и термическая обработка металлов. 2018; (4(754)): 15–23.

15. Соколовская Э.А., Кудря А.В., Пережогин В.Ю., Танг В.Ф., Кодиров Д.Ф.У., Сергеев М.И. Возможности цифровизации измерений в металловедении для внесения в оценку структур и разрушения количественной меры. Металлург. 2022; (7): 48–57. https://doi.org/10.52351/00260827_2022_07_48

16. Быков Ю.А., Карпухин С.Д. Растровая электронная микроскопия и рентгеноспектральный анализ. Аппаратура, принцип работы, применение; под ред. Ю.А. Быкова. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана; 2002. 30 с.

17. Говорков А.В., Поляков А.Я., Югова Т.Г., Смирнов Н.Б., Петров Е.А., Меженный М.В., Марков А.В., Ли И.-Х., Пиртон С.Дж. Идентификация дислокаций и их влияние на процессы рекомбинации носителей тока в нитриде галлия. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2007; (9): 18–24.

18. Кравчук К.С., Меженный М.В., Югова Т.Г. Определение типов дислокаций и их плотности в эпитаксиальных слоях GaN различной толщины с помощью методов оптической и атомно-силовой микроскопии. Кристаллография. 2012; 57(2): 325–330.

19. Суслов А.А., Чижик С.А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор). Материалы, технологии, инструменты. 1997; 2(3): 78–89. http://microtm.com/download/mti-spmreview.pdf

20. Комаровский Н.Ю., Ющук В.В., Биндюг Д.В., Богембаев Н.Р. Исследование градиента распределения дефектов в монокристаллических пластинах кремния и арсенида галлия с помощью рентгеновской топографии. Международный научно-исследовательский журнал. 2021; (4-1(106)): 26–31. https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.106.4.004

21. Орлова Г.Ю., Калашникова И.И. Исследование морфологии и фазового состава высококонцентрированных и смешанных кристаллов для активных сред лазеров. В кн.: Труды XLVII науч. конф. Москва, 26–27 ноября 2004 г. Ч. V. М.: МФТИ; 2004. С. 65.

22. Князев С.Н., Комаровский Н.Ю., Чупраков В.А., Ющук В.В. Влияние технологических параметров на структурное совершенство монокристаллического арсенида галлия. В сб.: Междунар. науч. конф. «Современные материалы и передовые производственные технологии» (СМППТ-2021). Санкт-Петербург, 21–23 сентября 2021 г. СПб.: ФГОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»; 2021. С. 218–220.

23. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронографический анализ. 4-е изд. М.: Металлургия; 2002. 357 с.

24. Самойлов А.М., Беленко С.В., Сирадзе Б.А., Тореев А.С., Донцов А.И., Филонова И.В. Плотность дислокаций в пленках PbTe, выращенных на подложках Si (100) и BaF2 (100) модифицированным методом «горячей стенки». Конденсированные среды и межфазные границы. 2013; 15(3): 322–331.

25. Tanner B.K., Phil M.A. X-ray diffraction topography. NY, USA: Pergamon Press; 1976. 174 p.

26. Уманский Я.С. Рентгенография металлов. М.: Металлургия; 1967. 236 с.

27. Authier A. Contrast of dislocation images in X-ray transmission topography. Advances in X-ray Analysis. 1967; 10: 9–31. https://doi.org/10.1154/S0376030800004250

28. Суворов Э.В. Физические основы экспериментальных методов исследования реальной структуры кристаллов. Черноголовка: ИФТТ РАН; 2021. 209 с.

29. Дифракционные и микроскопические методы в материаловедении; под ред. С. Амелинкса, Р. Геверса, Дж. Ван Ландё; пер. с англ. М.: Металлургия; 1984. 502 с.

30. Baruchel J., Hartwig J.J., Rejmankova P. Present state and perspectives of synchrotron radiation diffraction imaging. Journal of Synchrotron Radiation. 2002; 9(Pt 3): 107–14. https://doi.org/10.1107/S0909049502004041

31. Williams D.B., Carter C.B. The transmission electron microscope. In: Transmission electron microscopy. Springer; 1996. P. 3–17.

32. Петлицкий А.Н., Жигулин Д.В., Ланин В.Л. Экспресс-контроль элементов интегральных схем с использованием растровой электронной микроскопии и режима наведенного тока. Производство электроники. 2020; (1): 98–102.

33. Вергелес П.С., Якимов Е.Б. Исследование ширины изображения дислокаций в режиме наведенного тока в пленках GaN и структурах на их основе. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009; (1): 71–73.

34. Бельник С.А., Вергелес П.С., Шмидт Н.М., Якимов Е.Б. Дефекты со светлым контрастом в режиме наведенного тока в светоизлучающих структурах на основе GaN. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2007; 7: 34–37.

35. Шапиро Л., Стокман Дж. Компьютерное зрение; пер. с англ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний; 2013. 752 с.

36. Самойлов А.Н., Шевченко И.В. Разработка методов выделения бинаризованных фрагментов ямок травления пластины полупроводника. Технологический аудит и резервы производства. 2016; 3(1(29)): 60–68. https://doi.org/10.15587/2312-8372.2016.71988

37. Самойлов А.Н., Шевченко И.В. Подходы к идентификации фрагментов контура дислокации на пластине монокристалла полупроводника. Автоматизацiя та комп'ютерно-iнтегрованi технологiї. 2019; 1: 115–120. https://doi.org/10.15589/znp2019.1(475).16; https://scholar.archive.org/work/ubpjpgl4orekvhkur4qq6mvoai/access/wayback/http://znp.nuos.mk.ua/archives/2019/1/18.pdf