Исследование влияния кристаллического совершенства на величину напряжений в структурах (013)HgCdTe/CdTe/ZnTe/GaAs с помощью генерации второй гармоники на основе фазового синхронизма

Ступак М.Ф., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Макаров С.Н., Елесин А.Г.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Ступак М.Ф., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Макаров С.Н., Елесин А.Г. Локальный контроль и измерение слабых напряжений на поверхности структур (013)HgCdTe/CdTe/ZnTe/GaAs с помощью генерации второй гармоники // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 2. С. 88–98. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-02-88-98

Stupak M.F., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N., Makarov S.N., Elesin A.G. Local control and measurement of weak stresses on the surface of (013)HgCdTe/CdTe/ZnTe/GaAs structures using second harmonic generation [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 2. P. 88–98. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-90-05-88-98

Ссылка на англоязычную версию:

Mikhail F. Stupak, Sergey A. Dvoretsky, Nikolai N. Mikhailov, Sergey N. Makarov, and Ahdrei G. Elesin, "Investigation of the influence of crystal perfection on the magnitude of stresses in (013)HgCdTe/CdTe/ZnTe/GaAs structures using second harmonic generation based on phase matching," Journal of Optical Technology. 91(2), 112-117 (2024). https://doi.org/10.1364/JOT.91.000112

Аннотация:

Предмет исследования. Mеханические напряжения в приповерхностном слое структуры (013)HgCdTe/CdTe/ZnTe/GaAs. Цель работы. Экспериментальная апробация нового чувствительного нуль-метода «на отражение» по выявлению слабого локального двулучепреломления и выявление данным методом основных характеристик остаточных механических напряжений в локальных областях приповерхностного варизонного широкозонного слоя HgCdTe в составе структуры (013)HgCdTe/CdTe/ZnTe/GaAs. Анализ влияния кристаллического совершенства на величину остаточных механических напряжений. Метод. Регистрация характеристик сигнала второй гармоники, отражённого от поверхности вращающегося исследуемого образца лазерного ИК излучения, пропущенного через нелинейный кристалл, выставленный на синхронизм для поляризации, перпендикулярной поляризации лазерного излучения. Основные результаты. Разработан новый нуль-метод, основанный на возбуждении генерации второй гармоники в нелинейном кристалле LiJO₃ отражённого инфракрасного лазерного излучения от поверхности исследуемого образца импульсного YAG:Nd-лазера с длиной волны 1,064 мкм. Показано, что такой чувствительный метод позволяет получить информацию об анизотропии поляризации отражённого излучения, обусловленной остаточной деформацией кристаллической решётки. Получена величина амплитуды максимумов сигналов второй гармоники. Наблюдения тонкой структуры сигнала в максимумах сигнала второй гармоники свидетельствуют о сложном характере остаточных напряжений, связанных с наличием разориентированных участков. Проведены расчёты напряжений в приповерхностной области слоя HgCdTe состава x = 0,47, которые составили (–20,5 ± 2) МПа. Величина сигнала ГВГ для слоёв HgCdTe более высокого кристаллического совершенства примерно в 1,5 раза меньше, чем для слоёв с пониженным качеством. Такие напряжения соответствуют величине приложенной силы в 2,3х10^–3 Н. Практическая значимость. Полученные в работе результаты исследования остаточных напряжений с помощью разработанного нуль-метода послужат основой для измерений остаточных напряжений в локальных областях поверхностных слоёв различных сложных многослойных структур как по площади, так и по толщине с послойным травлением, что позволит определять влияние параметров роста слоёв в процессе и после эпитаксии на возникающие напряжения и выявлять критические параметры технологического процесса.

Ключевые слова:

механические напряжения, вторая гармоника, поляризация, генерация, структура HgCdTe

Благодарность:

работа проводилась при финансовой поддержке гранта Министерства науки и высшего образования от № 075-15-2020-797(13.1902.21.0024). Авторы выражают благодарность Бурдиной Л.Д. за химическую подготовку подложек (013)GaAs, Меньшикову Р.В. и Карташову В.А. за предэпитаксиальную подготовку подложек и выращивание буферных слоёв ZnTe и CdTe

Коды OCIS: 160.6000, 190.2620, 190.4350

Список источников:

1. Сенько С.Ф., Зеленин В.А. Измерение локальных остаточных напряжений в полупроводниковых кремниевых структурах // Приборы и методы измерений. 2018. Т.9. №3. С. 254-262. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2018-9-3-254-262

2. Hattanda T., Takeda A. Direct measurement of internal strains in liquid phase epitaxial garnet film on Gadolinium Gallium Garnet (111) plate // Jpn. J. Appl. Phys. 1973. V. 12. № 7. P. 1104. http://doi.org/10.1143/JJAP.12.1104

3. Nagai H. Structure of vapor-deposited Gaxln1–xAs crystals // J. Appl. Phys. 1974. V. 45. P. 3789–3794. https://doi.org/10.1063/1.1663861

4. Колесников А.В., Ильин А.С., Труханов Е.М., Василенко А.П., Лошкарев И.Д., Дерябин А.С. Рентгенодифракционный анализ искажений эпитаксиальной пленки на отклоненных подложках (001) // Изв. РАН. Сер. физ. 2011. Т. 75. № 5. С. 652–655.

5. Лошкарев И.Д., Василенко А.П., Труханов Е.М., Колесников А.В., Путято М.А., Есин М.Ю., Петрушков М.О. Структурное состояние эпитаксиальных пленок GaP разных полярностей на отклоненных подложках Si(001) // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. В. 4. С. 64–70. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.04.44299.16494

6. Ступак М.Ф., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А., Макаров С.Н., Елесин А.Г., Верхогляд А.Г. Высокочувствительная экспрессная нелинейно-оптическая диагностика кристаллического состояния гетероструктур типа сфалерита // ЖТФ. 2021. Т. 91. № 11. С. 1799–1808. https://doi.org/10.21883/JTF.2021.11.51546.34-21

7. Дворецкий С.А. Ступак М.Ф., Михайлов Н.Н., Макаров С.Н., Елесин А.Г., Верхогляд А.Г. Исследование кристаллического состояния слоев молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур (013)HgCdTe/CdTe/ZnTe/GaAs методом генерации второй гармоники // ФТП. 2022. Т. 56. Вып. 8. С. 780–787. https://doi.org/10.21883/FTP.2022.08.53145.31

8. Мушер С.Л., Ступак М.Ф., Сыскин В.С. Использование фазового синхронизма в качестве нуль-метода для сканирования полей объемных деформаций в полупроводниковых материалах // Квантовая электроника. 1996. Т. 23. Вып. 8. С. 762–764.

9. Stupak M.F., Dvoretsky S.A., Mikhailov N.N., Makarov S.N., Elesin A.G. Local measurement of weak stresses on the surface of HgCdTe/CdTe/ZnTe/GaAs structures using the null method // JAP. 2023. V. 134. P. 185102. https://doi.org/10.1063/5.0167306

10. Matthews J.W. Defects associated with the accommodation of misfit between crystals // J. Vac. Sci. Technol. 1975. V. 12. P. 126–133. https://doi.org/10.1116/1.568741

11. Сидоров Ю.Г., Якушев М.В., Варавин В.С., Колесников А.В., Труханов Е.М., Сабинина И.В., Лошкарев И.Д. Плотность дислокаций в гетероэпитаксиальных структурах CdHgTe на подложках из GaAs и Si ориентации (013) // ФТТ. 2015. Т. 57. Вып. 11. С. 2095–2101.

12. Berding M.A., Nix W.D., Rhiger D.R., Sen S., Sheer A. Critical thickness in the HgCdTe/CdZnTe system // J. Electron. Mater. 2000. V. 29. P. 676–679. https://doi.org/10.1007/s11664-000-0204-3

13. Kurilo I.V., Alekhin V.P., Rudyi I.O., Bulychev S.I., Osypyshin L.I. Mechanical properties of ZnTe, CdTe, CdHgTe and HgTe crystals from micromechanical investigation // Phys. Stat. Sol. (a). 1997. V. 163. P. 47–58.

14. Шугуров А.Р., Панин А.В. Механизмы возникновения напряжений в тонких пленках и покрытиях // ЖТФ. 2020. Т. 90. Вып. 12. С. 1971–1994. https://doi.org/10.21883/JTF.2020.12.50417.38-20

15. Болховитянов Ю.Б., Пчеляков О.П., Чикичев С.И. Кремний-германиевые эпитаксиальные пленки: физические основы получения напряженных и полностью релаксированных гетероструктур // УФН. 2001. Т. 171. № 7. С. 659–715.

16. Skauli T., Haakenaasen R., Colin T. Thermal expansion behavior of CdHgTe epitaxial layers on CdZnTe substrates // J. Cryst. Growth. 2002. V. 241. P. 39–44.

17. Gergaud P., Jonchere A., Amstatt B., Baudry X., Brellier D., Ballet P. X-ray diffraction investigation of thermoelastic properties of HgCdTe/CdZnTe structures // J. Electr. Mat. 2012. V. 41. № 10. P. 2694–2699. https://doi.org/10.1007/s11664-012-2240-1

18. Yang V.K., Groenert M., Leitz C.W., Pitera A.J., Currie M.T., Fitzgerald E.A. Crack formation in GaAs heteroepitaxial films on Si and SiGe virtual substrates // J. Appl. Phys. 2003. V. 93. № 7. P. 3859–3865. https://doi.org/10.1063/1.1558963

19. Smirnov A.B. Residual stresses and piezoelectric properties of the HgCdTe – based compound heterostructures under the anisotropic deformation restriction // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2012. V. 15. № 2. P. 170–175. PACS 72.40.+w, 77.65.Ly, 81.05.Dz

20. Sabinina I.V., Gutakovsky A.K., Sidorov Yu.G., Latyshev A.V. Nature of V-shaped defects in HgCdTe epilayers grown by molecular beam epitaxy // J. Crystal Growth. 2005. V. 274. P. 339–346. PACS: 61.30.Hn; 68.55.Ln; 68.37.Lp; 68.37.Ps

21. He L., Wu Y., Chen L., Wang S.L., Yu M.F., Qiao Y.M., Yang J.R., Li Y.J., Ding R.J., Zhang Q.Y. Composition control and surface defects of MBE-grown HgCdTe // J. Crystal Growth. 2001. V. 227–228. P. 677–682. PACS: 81.15.Ef; 81.40.Ef; 78.66.Hf