CC BY
20
УДК 538.9
ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ GaAs/Ge/GaAs ДЛЯ ТЕМПЛЕЙТОВ ОПТИЧЕСКИХ НЕЛИНЕЙНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С РЕГУЛЯРНОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ. I. МОЛЕКУЛЯРНО-ПУЧКОВАЯ ЭПИТАКСИЯ
И. П. Казаков, В. И. Цехош, М.А. Базалевский, А. В. Клековкин
Методом МПЭ выращены гет,ерост,рукт,уры GaAs/Ge/GaAs, в которых кристаллическая решётка слоя GaAs на Ge развёрнута под прямым углом в плоскости! подложки. Впервые подобные гет,ерост,укт,уры получены в разных эпитаксиальных установках для GaAs и для Ge с переносом пластин через атмосферу. Для управления зарождением слоёв GaAs на Ge предложено использовать серфактанты (Bi, Sb).
Ключевые слова: гетероструктуры GaAs/Ge/GaAs, молекулярно-пучковая эпитак-сия, темплейт, разворот кристаллической решётки.
Введение. Наряду с хорошо известными приложениями - солнечные батареи, p-канальные транзисторы, смесительные диоды, фотодетекторы - гетероструктуры GaAs/Ge/GaAs представляют значительный интерес в таких перспективных направлениях, как нелинейное преобразование оптических частот [1], квазиравновесная двумерная электронно-дырочная жидкость [2, 3], топологические изоляторы [4]. Нелинейные элементы на основе регулярных доменных гетероструктрур (РДГ) в GaAs позволяют генерировать излучение в среднем ИК и терагерцовом диапазонах с использованием хорошо освоенных диодных, твёрдотельных и волоконных лазеров, работающих в ближней ИК-области [5].
РДГ состоит из чередующихся латерально расположенных на пластине GaAs областей - доменов, развёрнутых друг относительно друга под прямым углом в плоскости поверхности структуры. Важнейшим этапом создания такой РДГ является выращивание темплейтов на основе гетероструктур (ГС) GaAs/Ge/GaAs, на которых развёрнутые относительно подложки домены GaAs зарождаются на предварительно сформированных островах неполярного полупроводника Ge, а неразвёрнутые - растут от ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
подложки. Для выращивания ГС темплейтов используют специализированные установки молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) с двумя сопряжёнными высоковакуумным транспортом ростовыми камерами, одна - для ОаАя, другая - для Се.
В настоящей работе представлены результаты по получению и исследованию ГС СаАя/Ое/СаАя, в которых кристаллическая решётка слоя ОаАя, выращенного на слое Се, развёрнута под прямым углом относительно решётки подложки. Основное отличие настоящей работы заключается в том, что слои Оа(А1)Ая и Ое выращивались в разных установках МПЭ, а перенос пластин между ними проходил через атмосферу.
Методика эксперимента. ГС СаАя/Ое/СаАя (рис. 1) выращивались на установках МПЭ "Цна-25" и "Катунь" на полуизолирующих подложках ОаАя (001) разориентиро-ванных на 3° в направлении (111)Са (СаАя(001) 3° ^ (111)Са). Имеющиеся в ГС слои А1Ая (2 и 3) предназначены для целей, выходящих за рамки данной публикации, и обсуждаться не будут. В зависимости от условий выращивания были получены следующие образцы: А - кристаллическая решётка слоёв 5-7 развёрнута на 90° в плоскости пластины, В - ориентация слоёв 5-7 совпадала с ориентацией пластины.
N Состав слоев d, нм Примечание
7 GaAs 20
6 AlAs 20 «Цна-25»
5 GaAs 100
4 Ge 9 «Катунь»
3 GaAs 20
2 AlAs 20 «Цна-25»
1 GaAs 300
Подложка i-GaAs(OOl) 3°^ (11 l)Ga
Рис. 1: Схема ГС GaAs/Ge/GaAs. Кристаллическая решётка слоёв 5-7 либо развёрнута под прямым углом в плоскости поверхности пластины (образцы A), либо имеет, ориентацию подложки (образцы B).
После загрузки в установку "Цна-25" подложки отжигались в предварительной камере при температуре ~400 °C в течение 20 мин, после чего перемещались в ростовую камеру, где проводилась десорбция окисла при температуре подложки Ts = 620 °C и эквивалентном давлении паров (ЭДП) As4 Pas = 6 • 10-6 мм рт. ст. Затем температура понижалась до Ts = 590 °C и при том же значении pas выращивался буферный слой GaAs толщиной 300 нм со скоростью VGaAs = 0.18 нм/c. После остывания до комнатной температуры в парах As4 образцы перемещались в предварительную камеру, откуда,
после заполнения её сухим азотом, перегружались в установку "Катунь". Время нахождения образцов на воздухе составляло около 7 мин.
В установке "Катунь" проводился прогрев образца для очистки поверхности от окисла при температуре Т3 ~ 600 °С. Слой Се толщиной 9 нм выращивался при Т3 ~ 270 °С со скоростью 0.05 нм/с. После охлаждения подложки до Т3 ~ 130 °С производилось осаждение слоя БЬ в течение 35 с. Температура источника БЬ была равна 460 °С. После остывания пластина переносилась в установку "Цна-25". Для очистки поверхности Се проводился отжиг пластин в ростовой камере длительностью ~3 мин. В течение отжига образцов А, температура которого составляла 600 °С, ЭДП Аз4 четыре раза поднималось до значений рл ~ 5 • 10-7 мм рт. ст. Образцы В отжигались при температуре Т3 = 630 °С и закрытом вентиле источника Ая4 (фоновое давление ~ 4 • 10-9 мм рт. ст.). Охлаждение образцов А и В после отжига проводилось при закрытом вентиле источника Ая4.
Зарождение слоя ОаАя на поверхности Се проводилось при температуре Т3 = 350 °С и рл = 6 • 10-7 мм рт. ст. в импульсном режиме: с интервалами в 30 с осаждались три слоя толщиной по 1 нм со скоростью 0.02 нм/с. Далее, при Т3 ~ 600 °С, рлв = 6 • 10-6 мм рт. ст., скорости роста ^аЛв = 0.18 нм/с и с интервалами 30 с выращивалась следующая последовательность слоёв: 2 нм х 2, 4 нм, 10 нм, 20 нм х 3. Затем, в тех же условиях, но уже в непрерывном режиме, выращивались остальные слои ГС. Скорость роста А1Ая была равна 0.07 нм/с.
Процесс роста ГС контролировался методом дифракции быстрых электронов (ДБЭ). Контроль температуры подложки Т3 в обоих установках МПЭ осуществлялся по термопарам, расположенным вблизи нагревательного элемента. Для калибровок термопар нагревателя подложки в установке "Цна-25" использовались характерные температуры изменения реконструкции поверхности СаАя(001) в отсутствие потока мышьяка, регистрируемые методом ДБЭ [6]. Для установки "Катунь" в качестве Т3 приводятся показания термопары нагревателя. В установке "Цна-25" использовался вентильный молекулярный источник Ая4 типа УАС-500 (ШВЕИ,).
Результаты исследования методом дифракции быстрых электронов. Наблюдаемые на образцах А и В картины ДБЭ почти на всех этапах роста очень похожи, поэтому для иллюстрации приведём в основном картины для образца А (рис. 2). После выращивания слоя 3 в установке "Цна-25" на поверхности ГС наблюдалась (рис. 2(а)) типичная для поверхности ОаАя (001) реконструкция (2х4). В результате переноса пластины в установку "Катунь" дифракционная картина заметно тускнела (рис. 2(б)), а дополни-
тельные рефлексы исчезали из-за окисления поверхности ОаАя атмосферным воздухом. При прогреве пластины чёткость дифракционной картины возрастала, что связано с десорбцией окисла. В начале роста слоя Ое практически сразу наблюдалась типичная для поверхности (001) дифракционная картина реконструкции (2x2), которая на конечной стадии делалась заметно более чёткой (рис. 2(в)). В процессе осаждения БЬ рефлексы исчезали, т.к. образованный слой был, по-видимому, поликристаллическим.
После перегрузки пластины в ростовую камеру установки "Цна-25" от поверхности Ое наблюдались картины дифракции, отвечающие реконструкциям поверхности либо (2x2), либо (2x1), что позволяет предположить испарение БЬ в предварительной камере при прогреве пластины (рис. 2(г)). Обращают на себя внимание дополнительные рефлексы (рис. 2(г) и (д), на вставках), которые воспроизводимо появлялись на образцах А и В, когда вентиль источника Аз4 закрыт, и исчезали при рлв = 3 • 10-7 мм рт. ст. и выше. За исключением вышесказанного, дифракционные картины от поверхности образцов не изменялись в процессе отжига и при понижении температуры подложки до величины Т = 350 °С, при которой проводилось затравливание слоя ОаАя. После осаждения 1 нм ОаАя при Т3 = 350 °С дифракционная картина становилась точечной (рис. 3(а)) и только после осаждения ещё 3 нм и последующего повышения Т, до ~600 °С рефлексы начинали вытягиваться (рис. 3(б)), а при осаждении ещё 2 нм появлялись рефлексы некоторой промежуточной реконструкции (рис. 3(в)). В результате осаждения ещё 2 нм на поверхности образца В возникала типичная реконструкция (2x4). На образце А наблюдалась обратная картина: в азимуте [110] возникали три дополнительных рефлекса, а в азимуте [1-10] - один (рис. 2(г)), что свидетельствовало о наблюдении реконструкции (2x4) на поверхности слоя ОаАя, кристаллическая решётка которого развёрнута под прямым углом относительно пластины в плоскости её поверхности.
Обсуждение. Т.к. картины дифракции (рис. 2(б)) после переноса ГС в установку "Катунь" были нечёткими и реконструкция поверхности не наблюдалась, можно предположить, что толщина слоя Ая была недостаточна для предохранения от окисления поверхности ОаАя (слой 3, рис. 1). Напротив, наличие реконструкции (рис. 2(г), (д)) свидетельствует о высокой чистоте поверхности слоя Ое после переноса образцов в установку "Цна-25", а, следовательно, об эффективности БЬ для защиты поверхности Ое от воздействия атмосферы в течение нескольких минут. Наблюдаемая после отжига образцов А картина ДБЭ (2x2) от слоя Ое указывает на то, что поверхность образована доменами (1x2) и (2x1), разделёнными одинарными (высотой в один монослой) ступенями. Хотя, на основании картин ДБЭ невозможно установить, наблюдается ли
Рис. 2: Картины ДБЭ в азимутах [110] и [1-10] на различных этапах выращивания слоёв 1-4 ГС (рис. 1) типа А (а)-(г) и типа В (д). Пояснения в тексте.
чистая поверхность Се или упорядоченный эпитаксиальный слой димеризованных атомов Аб, мы склонны к последнему из-за заметного фонового давления Аб в камере роста установки "Цна-25".
I
•)
♦
* $
Рис. 3: Картины ДБЭ на различных этапах выращивания слоя 5 ГС типа А. Видно, что картины (г) в азимутах [110] и [1-10] "поменялись местами" относительно картин от исходной подложки (рис. 2(а)), т.е. произошёл разворот слоя 5 на прямой угол в плоскости пластины.
Дополнительные рефлексы (рис. 2(г), (д) на вставке), по-видимому, возникают от областей с регулярной структурой двойных ступеней (высотой в два монослоя) [7], которые также присутствуют на поверхности, если поток Ая не превышает фонового значения. Расстояния между дополнительным и основным рефлексами на дифракционной картине (в обратном пространстве 2п/Ь), равно приблизительно 1/14 расстояния между основными рефлексами (в обратном пространстве 2п/а), где Ь и а - ширина террас и межплоскостное расстояние в направлении электронного пучка, соответственно [8]. На вицинальной поверхности Ое (001) с отклонением 3° шаг регулярной структуры двойных ступеней равен 5.4 нм, т.е. ширина террас и должна быть равна 14 межплоскостным расстояниям, равным 0.4 нм при наблюдении дифракции в азимуте [1-10].
Сравнительно низкая температура (600 °С) отжига слоя Ое образцов А и циклическая подача потока Ая, при которой происходила перестройка поверхности, по нашему мнению, способствовали насыщению поверхности атомами Ая. Тогда, по аналогии с
[7], на поверхности должны образовываться димеры Ая с ориентацией связей перпендикулярно ступеням. В этом случае зарождение ОаАя должно происходить так, что ячейка поверхностной структуры ОаАя (2x4) располагается параллельно ступеням, т.е. решётка будет развёрнута на 90° относительно исходной подложки, что и наблюдается в наших экспериментах (рис. 3(г)).
В результате отжига слоя Ое образцов В при более высокой температуре Т = 630 °С поверхность имела реконструкцию (2x1) (рис. 2(д)), т.е. ступени между террасами были двойными. В предположении, что наблюдается поверхностная структура димери-зованных атомов Ая, ориентация димеров в этом случае параллельна ступеням. Тогда ячейка поверхностной структуры ОаАя (2x4) должна располагаться перпендикулярно ступеням, а решётка слоя ОаАя - сохранить ориентацию исходной подложки, что имело место в случае образцов В.
Следует отметить, что в целях повышения эффективности нелинейных элементов на основе РДГ, особенно волноводного типа, необходимо уменьшать толщину слоя Ое в ГС ОаА8/Ое/ОаА8 для снижения шероховатости стенок волновода. Управление ориентацией ОаАя в таких ГС при толщине слоёв Ое менее 2 нм сильно затруднено [9]. По нашему мнению, на этапе зарождения слоёв ОаАя на Ое весьма перспективным является использование серфактантов, таких как Б1 или БЬ, с помощью которых, возможно, удастся не только эффективно управлять зарождением слоёв ОаАя на Ое, но и подавлять распространение паразитных доменов нежелательных ориентаций.
Заключение. Методом МПЭ получены ГС СаАя/Се/СаАБ, в которых кристаллическая решётка слоя СаАя, выращенного на Се, развёрнута под прямым углом в плоскости подложки. Впервые разработана технология выращивания таких ГС на отдельных установках МПЭ с переносом образцов через атмосферу. Для управления зарождением слоёв СаАя на тонких, менее 2 нм, слоях Се предложено использовать серфактанты (В1 или БЬ).
Авторы выражают благодарность фонду РФФИ за финансовую поддержку по грантам № 15-02-08521 и № 16-29-03352 офи-м.
ЛИТЕРАТУРА
[1] L. A. Eyres, P. J. Tourreau, T. J. Pinguet, et al., Appl. Phys. Lett. 32, 904 (2001).
[2] В. С. Багаев, В. С. Кривобок, С. Н. Николаев и др., Письма в ЖЭТФ 94, 63 (2011).
[3] V. S. Bagaev, V. S. Krivobok, S. N. Nikolaev, et al., Phys. Rev. B 82, 115313 (2010).
[4] D. Zhang, W. Lou, M. Miao, et al., Phys. Rev. Lett. 111, 156402 (2013).
[5] K. L. Vodopyanov, M. M. Fejer, X. Yu, et al., Appl. Phys. Lett. 89, 141119 (2006).
[6] В. В. Преображенский, М. А. Путято, Б. Р. Семягин, ФТП 36, 897 (2002).
[7] Е. А. Емельянов, А. П. Коханенко, О. П. Пчеляков и др., ФТП 56, 49 (2013).
[8] F. Hottier, J. B. Theeten, A. Masson, and J. L. Domange, Surface Science 65, 563 (1977).
[9] S. Koha, T. Kondob, Y. Shirakia, and R. Itoc, J. Cryst. Growth 227-228, 183 (2001).
Поступила в редакцию 17 июня 2016 г.
