Кристаллография, 2022, T. 67, № 3, стр. 348-352

ВВЕДЕНИЕ

Фасетки, или грани, возникающие в кристаллах полупроводников при выращивании методом Чохральского, давно привлекли внимание исследователей. Еще в конце 1950-х годов было описано появление граней в кристаллах InSb [1]. Много работ [2–6] посвящено исследованию фасеток в кристаллах InSb, GaSb и Si, выращенных в направлении 〈111〉. Было показано, что при выращивании в этом направлении в кристаллах возникают грани двух типов – центральная, или осевая, и периферийная, или краевая [3], названные так по месту их расположения в кристалле. Центральная грань возникает, если фронт кристаллизации (граница между жидкой и твердой фазами) вогнут в кристалл. Периферийные грани возникают у края кристалла, когда фронт кристаллизации вогнут в расплав, т.е. когда на периферии кристалла возникает переохлаждение ΔТ. Скорость латерального роста в фасеточных областях должна быть на порядки выше, чем средняя скорость роста в направлении 〈111〉. Известно, что рост на плоскости {111}B, где появляются краевые грани, идет медленно в направлении 〈111〉 и очень быстро в направлении 〈211〉. Направление 〈111〉 перпендикулярно плоскости краевой грани, а направление 〈211〉 параллельно ей. Ширина ограненной области изменяется с увеличением или уменьшением радиуса кривизны границ раздела фаз. Макроскопическое наблюдение краевых граней показало, что их глубина вовсе не была однородной. Это изменение, вероятно, связано с разницей в степени переохлаждения на границе раздела твердое–жидкое, поскольку переохлаждение усиливает разницу в скоростях роста в каждом направлении. Так, кристаллы, выращенные в условиях, вызывающих колебания степени переохлаждения, почти наверняка будут иметь краевые грани неправильной формы.

В кристаллах InP, вытянутых в направлении 〈100〉, наблюдаются только краевые грани [7]. Связано это с тем, что в центре кристаллизации даже при выпуклом (относительно расплава) фронте кристаллизации и сильном переохлаждении плоскость (111) не может образоваться. В [8] были обнаружены фасетки на цилиндрической части кристалла GaAs, в котором прошло двойникование.

В настоящее время большое значение для успешного роста кристаллов полупроводников, выращиваемых в направлении 〈100〉, имеют знания, касающиеся условий образования фасеток в кристаллах. В связи с этим в настоящей работе предпринята попытка исследовать образование фасеток в начальных частях монокристаллов GaAs, выращенных в направлении 〈100〉 методом Чохральского при жидкостной герметизации расплава.

МЕТОДИКИ

Исследованы конусные части монокристаллов GaAs диаметром 40 мм, выращенных методом Чохральского и легированных Sn и Te. На поверхности конусов на гранях наблюдались светлые области (рис. 1). Согласно [9] в этих светлых областях в кристаллах GaAs обнаружены краевые фасетки. Были взяты шесть конусов, три из которых легированы Sn, а три – Te. Из каждого конуса вырезаны пластины вдоль оси роста перпендикулярно грани роста, один рез был сделан по оси кристалла, а другой – на расстоянии 2 мм от первого. Плоскость образца была (211).

Рис. 1.

Конусная часть монокристалла GaAs диаметром 40 мм.

Для проведения исследования образец со стороны реза по оси кристалла отшлифовали и отполировали в смеси H₂SO₄ : H₂O₂ : H₂O = 3 : 1 : 1 и протравили в проекционном травителе Абрахамса–Бьюоччи [10]. Травление осуществляли в “пьяной бочке” в течение 30 мин. “Пьяная бочка” – это сосуд, изготовленный из фторопласта, расположенный под углом к поверхности (чаще всего 30°–45°), который вращается со скоростью ∼50 об./мин. Раствор постоянно омывает образец. Для выявления дислокационных ямок травления на поперечном сечении кристалл травили в расплаве щелочи KОН при 370°С. Исследование образцов проводили с помощью микроскопа с контрастом Номарского.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

После проекционного травления в травителе Абрахамса–Бьюоччи на поверхности образцов наблюдались полосы роста, отражающие форму фронта кристаллизации, а также краевые грани у периферии кристаллов. Картины травления показаны на рис. 2.

Рис. 2.

Картины проекционного травления образцов, вырезанных из конусной части кристаллов GaAs, легированных Sn (а–в) и Te (г–е).

Во всех кристаллах в начальной части после затравления наблюдается вогнутый в кристалл фронт кристаллизации. Однако по мере роста кристалла фронт кристаллизации становится плоским, потом выпуклым, а потом волнообразным, и на периферии появляются выгнутые участки.

Отметим, что практически при всех углах роста конуса (от 30° до 70°) на периферии появляются фасетки. Наибольшая длина фасеток наблюдается при угле роста ∼70°. Исключение составляет угол ∼20°, при котором в этой области кристалла не наблюдаются фасетки (рис. 2д). Хотя полосы роста, по-видимому, указывают на форму фронта кристаллизации во время роста, в случае наличия фасеток у края кристалла очень трудно определить точную форму фронта кристаллизации, сравнивая полосы роста в области вне граней с бороздками в области граней.

Все наблюдаемые фасетки распространяются под углом ∼35° к оси кристалла. Под таким же углом в кристалле проходит двойниковая граница. Этот угол соответствует углу наклона плоскости (111) в кристаллах, выращенных в направлении 〈100〉. Рост краевых граней и генерация двойников в кристаллах 〈100〉 очень похожи по своей природе. Оба образуются по плоскостям {111} и оба начинаются с периферии. Таким образом, вполне возможно, что краевые грани являются “зародышами” двойников. Обнаружено, что краевые фасетки не всегда связаны с образованием двойников, но когда кристалл растет в условиях, приводящих к нерегулярным краевым граням, всегда происходит двойникование [7]. Форма самих фасеток существенно различается в кристаллах, легированных Sn или Te (рис. 3).

Рис. 3.

Фасетки, наблюдаемые в кристаллах GaAs, легированных Sn (а) и Te (б).

Если в кристаллах, легированных Sn, фасетки выявляются в форме узких прямых бороздок, то при легировании Te выявляются широкие полосы с пикообразным завершением. Кроме того, различаются по структуре области перехода от фасеточного роста к не фасеточному. На рис. 4 показаны переходные области в кристаллах GaAs.

Рис. 4.

Область перехода от фасеточного роста к не фасеточному в кристалле GaAs, легированном Sn (а) и Te (б).

Очевидно, что в кристаллах, легированных Sn, фасетки встречаются с фронтом кристаллизации, не вызывая сильных структурных изменений. В GaAs, легированном Te, “встреча” фасетки с объемом кристалла приводит к существенному структурному нарушению. Быстрый рост фасеток оттесняет объем расплава к центру кристалла. Это приводит к образованию неоднородностей в области перехода от фасеточного роста к не фасеточному. Природа такого различного влияния разных примесей на форму фасеток пока не совсем понятна. Но можно предположить, что Те как поверхностно активная примесь, увеличивающая вероятность двойникования в GaAs [11], влияет на вероятность зарождения фасеток, приводя к образованию широких полос.

Макроскопическое наблюдение фасеток в конусных частях кристаллов показало, что их длина меняется по мере роста кристалла (рис. 5). Это изменение, вероятно, связано с разницей в степени переохлаждения на границе раздела твердое–жидкое, поскольку переохлаждение усиливает разницу в скоростях роста в каждом направлении. Рост “фасетки” идет со скоростью, которая идентична скорости вытягивания. Длина фасеток в исследованных кристаллах изменялась от 0.1 до 1.2 мм.

Рис. 5.

Изменение длины фасеток по мере роста кристалла, легированного Te.

В [6] показано, что наблюдается сильная корреляция между длиной фасеток и степенью переохлаждения на границе раздела кристалл–расплав. Чем больше переохлаждение, тем больше длина фасеток, так как с увеличением степени переохлаждения увеличивается скорость роста по плоскости (111) в направлении 〈211〉 [6]. Неоднородность длины фасеток по длине кристалла свидетельствует о нестабильности теплового поля в процессе роста кристалла.

Ширина области с фасетками соответствует ширине светлой области на поверхности кристалла. Ширина ограненной области изменяется с увеличением и уменьшением радиуса кривизны границ раздела фаз [3]. Хотя полосы роста указывают на форму фронта кристаллизации во время роста, очень трудно определить точную форму, сравнивая полосы роста в области вне граней с бороздками в области граней [5]. “Фасеточный” рост, как полагают в [5], требует зарождения ступеней роста (кинетического переохлаждения), которые растут с высокой скоростью в латеральном направлении.

В теоретической работе В.В. Воронкова [12] высказано предположение, что выход плотноупакованной сингулярной грани {111} на трехфазную границу кристалл–расплав–газ приводит к образованию на ней усеченного двойникового зародыша. После возникновения первого двойникового зародыша рост двойника происходит быстро, так что двойник вытесняет исходный кристалл. Образование двойника в месте выхода грани хорошо видно на рис. 6.

Рис. 6.

Монокристалл GaAs диаметром 40 мм, легированный Те, с фасетками и двойником.

Как полагают в [5], образование фасеток требует зарождения ступеней роста на боковой поверхности кристалла. Такие ступени хорошо видны на рис. 6. При малых степенях переохлаждения ΔТ двойниковый зародыш распространяется в кристалл на небольшое расстояние, образуя фасетку.

Травление на дислокации половины поперечного сечения образца с фасетками с разрезом, перпендикулярным грани роста, показало, что большая ось ямки травления совпадает с направлением, перпендикулярным грани роста. Так как большая ось дислокационной ямки совпадает с направлением 〈01$\bar {1}$〉, следовательно, и направление, перпендикулярное грани роста, совпадает с той же осью. Это в свою очередь означает, что в области с фасетками кристалл ограняется плоскостью А(111).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование фасеток, наблюдаемых в конусной части кристалла на начальных стадиях роста, показало, что образование фасеток на периферийной части наблюдается только при вогнутом фронте кристаллизации, т.е. для образования фасеток требуется переохлаждение расплава в периферийной области кристалла. Обнаружена различная форма фасеток в кристаллах, легированных Sn и Te. Показано, что кристалл в области с фасетками ограняется плоскостью А(111).