Результат интеллектуальной деятельности: Способ выявления дислокаций различного типа в структурах теллурида кадмия-ртути с кристаллографической ориентацией (310)

Изобретение относится к материаловедению полупроводников и предназначено для контроля качества выращиваемых гетероэпитаксиальных слоев теллурида кадмия-ртути (CdHgTe) кристаллографической ориентации (310) при отработке процесса молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ), в частности, для выявления различных типов дислокаций в слоях структур CdHgTe путем поочередного травления поверхности селективным и полирующим травителями.

От плотности и вида дислокаций в полупроводниковом материале зависит качество р-n перехода фотоприемных устройств. Для минимизации токов утечек, которые зависят от количества ловушек носителей заряда, необходимо чтобы плотность дислокаций в области р-n перехода не превышала порядка 10⁶ шт/см². Одним из основных способов контроля плотности дислокаций является селективное травление, в результате которого на поверхности структур КРТ образуются фигуры травления (треугольники - для структур ориентации (310)).

При отработке процессов МПЭ определяют типы протяженных дефектов (дислокаций, дислокационных петель) и особенности их перемещения в процессе роста слоев теллурида кадмия-ртути.

Целью данного изобретения является выявление различных типов дислокаций и дислокационных петель при отработке процесса МПЭ, которое позволяет получить на поверхности полупроводника хорошо идентифицируемые фигуры травления (ямки травления): равносторонние треугольники, треугольники неправильной формы, крупные образования из дислокаций (дислокационные петли) (фиг. 1).

Вдоль дислокационных линий происходит сегрегация примесей, находящихся в растущих слоях полупроводникового материала. Процесс селективного травления позволяет выявлять выходы дислокаций на поверхность материала за счет различных скоростей травления атомов примесей и собственных атомов полупроводникового материала. При этом процесс окисления и переноса атомов примесей протекает в кинетическом режиме химического травления, в то время как травление полупроводникового материала осуществляется в диффузионном режиме. Это позволяет избежать «подтравов» фигур травления и получить четко идентифицируемые фигуры травления.

Процесс полирующего травления представляет собой растворение полупроводникового материала и протекает в диффузионном режиме, поэтому процесс полирования поверхности проходит с минимальной скоростью. Искривление растворяющейся поверхности при дуффузионном режиме не будет оказывать существенного влияния на скорость переноса вещества (не более v_max≈0,7 мкм/мин.), и шероховатость поверхности будет минимальна (не более 5 нм). Таким образом, полирующее травление помогает сгладить рельеф поверхности, полученный после селективного травления.

Наиболее близким к изобретению является способ [J.R. Yang, X.L. Сао, Y.F. Wei, and L. Не «Traces of HgCdTe Defects as Revealed by Etch Pits» Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 37, No. 9, 2008], где авторы применяли для структур Cd_1-XHg_XTe (при х=0,30÷0,33), выращенных жидкофазной эпитаксией (111В) и МПЭ (211), травители Schaake и Chen.

В нашем случае применяются травители следующих составов: для селективного травления теллурида кадмия-ртути (травитель №1) на основе системы: 25% водный раствор оксида хрома (VI) (CrO₃) - 24; концентрированная соляная кислота (HCl) - 1; 5% раствор лимонной кислоты - 8 [RU 2619423] и полирующего травления (травитель №2) в объемных соотношениях С₂Н₄(ОН)₂ - 13, СН₃ОН (95%) - 5, HBr (47%) - 2, H₂O₂ (30%) [RU 2542894].

Достоинством применения этих травителей является отсутствие в работе паров брома, которые затрудняют контроль процессов приготовления раствора и работу с ним в процессе травления.

Задача изобретения - разработка способа выявления дислокаций различного типа в структурах теллурида кадмия-ртути с кристаллографической ориентацией (310) при использовании селективного и последующего полирующего травления структур теллурида кадмия-ртути (КРТ) с образованием четко различимых по форме фигур травления, которые хорошо идентифицируются с дислокациями определенных типов.

Задача решается за счет того, что первоначально структуру КРТ протравливают в селективном травителе, который представляет систему: 25% водный раствор оксида хрома (VI) (CrO₃) - 24 об. доли; концентрированная соляная кислота (HCl) - 1 об. доля; 5% раствор лимонной кислоты - 8 об. долей (травитель №1) в течение 30±5 сек. В этом травителе раствор лимонной кислоты выполняет функцию комплексообразователя, который способствует растворению продуктов реакции окисления путем образования хорошо растворимых комплексных соединений.

После селективного травления структуру КРТ промывают деионизованной водой три минуты методом вытеснения, затем обрабатывают раствором для полирующего травления в течение 40±2 секунд.

Полирующий травитель (травитель №2) представляет систему из этиленгликоля С₂Н₄(OH)₂ - 13 об. долей, метанола СН₃ОН (95%) - 5 об. долей, бромистоводородной кислоты HBr (47%) - 2 об. доли и перекиси водорода Н₂О₂ (30%) - 1 об. доля. В этом травителе метанол, выполняя функции комплексообразователя, способствует растворению продуктов реакции окисления путем образования хорошо растворимых комплексных соединений и является ингибитором реакций бромирования этиленгликоля. Затем реакцию останавливают путем добавления «стоп-раствора» (насыщенный водный раствор нитрита натрия (NaNO₂)), и структуру КРТ промывают в деионизованной воде методом вытеснения в течение 10-12 минут (время увеличено из-за сложности вымывания продуктов реакции с бромом).

Затем структуру КРТ обрабатывают в селективном травителе №1 в течение 30±5 секунд и промывают в деионизованной воде методом вытеснения 3-5 минут. Осушают методом центрифугирования.

После каждого травления поверхность структуры КРТ контролируют оптическими методами.

После поочередного травления в травителях №1, №2, №1 поверхность структуры КРТ наблюдают методом электронно-ионной микроскопии (АСМ) (фиг. 1).

Затем структура КРТ обрабатывается в селективном травителе №1 в течение 30±5 секунд и промывается в деионнизованной воде методом вытеснения 3-5 минут. Осушается методом центрифугирования.

После поочередного травления в травителях №1, №2 поверхность структуры КРТ наблюдалась методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) (фиг. 1).

На фиг. 1, а различаются фигуры травления двух типов, которые соответствуют краевым и винтовым дислокациям. В качестве примера краевая дислокация очерчена квадратом, а винтовая - окружностью. В центральной области фиг. 1, а, б наблюдается дислокационная петля, представляющая собой объединение дислокаций. Изображение фиг. 1, б увеличено относительно фиг. 1, а для наглядного представления объединения винтовых дислокаций. Наблюдения показали, что такие фигуры травления, как равносторонние треугольники в процессе поочередного травления не изменяют своего места расположения по поверхности структуры - это краевые дислокации, в то же время как треугольники неправильной формы перемещаются относительно своего первоначального положения - это винтовые дислокации.

Для осуществления решения задачи необходима поочередная обработка: в селективном, полирующем, селективном травителях. Состав селективного травления отвечает следующим требованиям:

- процесс растворения атомов примесей, сегрегирующих в местах выходов дислокаций на поверхность полупроводникового материала, протекает в кинетическом режиме, поэтому процесс селективного травления поверхности в местах выхода дислокаций проходит с максимальной скоростью;

- процесс растворения полупроводникового материала осуществляется в диффузионном режиме, что позволяет избежать «подтравов» фигур травления и получить четко идентифицируемые треугольные ямки травления.

Недостатком однократного селективного травления является то, что при обработке в нем теллурида кадмия-ртути с ориентацией поверхности (310) не удается наблюдать перемещение винтовых дислокаций, и таким образом отличить их от краевых. Поэтому селективное травление необходимо повторять еще один раз после полирующего травления.

Состав для осуществления полирующего травления отвечает следующим требованиям:

- процесс растворения полупроводника протекает в диффузионном режиме, поэтому процесс полирования поверхности проходит с минимальной скоростью;

- за счет того, что радиус кривизны неровностей при дуффузионном режиме намного меньше толщины диффузионного слоя, искривление растворяющейся поверхности не будет оказывать существенного влияния на скорость переноса вещества внутри диффузионного слоя, и шероховатость поверхности будет минимальна.

Каждый из перечисленных признаков необходим, а вместе они достаточны для решения задачи изобретения.

Для выявления различных типов дислокаций на пластине КРТ, для травления структуры, используют два раствора. Раствор №1 - селективный, который имеет содержание следующих компонентов:

25% водный раствор оксида хрома (VI) (CrO₃) - 24 об. доли,

концентрированная соляная кислота (HCl) - 1 об. доля,

5% раствор лимонной кислоты - 8 об. долей.

Раствор №2 - полирующий, который имеет содержание следующих компонентов:

этиленгликоль (С₂Н₄(ОН)₂) - 13 об. долей,

метанол (СН₃ОН (95%)) - 5 об. долей,

бромистоводородная кислота (HBr (47%)) - 2 об. доли,

перекись водорода (Н₂О₂ (30%)) - 1 об. доля.

В качестве примера осуществления изобретения приведем испытанный способ выявления различных типов дислокаций на структуре КРТ используя для селективного травления в составе следующих компонентов: 25%-го водного раствора оксида хрома (VI) (CrO₃) - 24 об. доли; концентрированной соляной кислоты (HCl) 1 об. доля; 5%-го раствора органической кислоты - 8 об. долей и полирующего травления: этиленгликоль (С₂Н₄(OH)₂) - 13 об. долей, метанол (СН₃ОН (95%)) - 5 об. долей, бромистоводородная кислота (HBr (47%))) - 2 об. доли, перекись водорода (H₂O₂ (30%)) - 1 об. доля.

В качестве образцов использовались гетероэпитаксиальные структуры теллурида кадмия-ртути кристаллографической ориентации (310). Наличие эффекта травления устанавливалось наблюдением поверхности образцов на атомно-силовом микроскопе «Integra Maximus» (фиг. 2).

Фиг. 2 показывает, что после травления эпитаксиальной структуры теллурида кадмия-ртути ориентации (310) в системе 25% раствор CrO₃ (VI) -концентрированная HCl - 5% раствор лимонной кислоты на поверхности появляются более четко идентифицируемые треугольные ямки травления, чем после травления в травителе [H.F. Schaake, A.J. Lewis Mater. Res. Soc. Symp. Proc (USA) vol. 14 (1983) p. 301].

Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществить качественный контроль гетероэпитаксиальных структур при отработке процесса молекулярно-пучковой эпитаксии при выращивании гетероэпитаксиальных слоев теллурида кадмия-ртути (CdHgTe), в частности, для выявления различных типов дислокаций на структурах КРТ кристаллографической ориентации (310) при помощи химических травлений поверхности пластин селективным и полирующим травителями.