CC BY
22
УДК 621.791.037
ГРАДИЕНТНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК А3В 5 И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ПОВЕРХНОСТИ
Арутюнян М. Г., Благин А. В., Попова И. Г.
Донской государственный технический
университет, Ростов-на-Дону, Российская
Федерация
Обсуждаются результаты исследования новых материалов электронной техники — фоточувствительных твердых растворов на основе антимонида индия. Объекты исследований: процессы роста
эпитаксиальных слоев твёрдых растворов; морфология их поверхности; процессы самоупорядочения и формирования субструктуры твёрдых растворов.
Экспериментальное подтверждение процессов самоупорядочения заключается в
описываемом механизме формирования периодических цепей островков и ячеистой гексагональной структуры. Впервые осуществлена теоретическая интерпретация результатов с позиций теории самоорганизации неорганических систем. Ключевые слова: градиентная жидкофазная эпитаксия, субструктура твердых растворов, термомиграция расплава, самоупорядочение, материалы инфракрасной оптоэлектроники.
UDC 621.791.037
GRADIENT CRYSTALLIZATION OF PHOTOSENSITIVE EPITAXIAL A3B5 FILMS AND INVESTIGATION OF THEIR SURFACE
Arutyunyan M.G., Blagin А. V., Popova I.G.,
Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation
[email protected] [email protected] inna111109@,rambler.ru
The article discusses the research results of new electronic equipment materials - photosensitive solid solutions based on indium antimonide. Object of research: growth processes of solid solutions epitaxial layers; morphology of their surface; processes of self-ordering and the formation of substructure of solid solutions. The experimental confirmation of the self-ordering processes is in the described mechanism for the formation of islands periodic chains and a cellular hexagonal structure. The theoretical interpretation of the results from the theory of self-organization positions of inorganic systems was realized for the first time.
Keywords: gradiental liquid phase epitaxy, solid solutions substructure, thermomigration of melt, self-consistency, materials of infrared optoelectronics
Введение. Полупроводниковые структуры с искусственно созданным потенциалом заняли прочное место в физике и технологии оптоэлектронных приборов, поскольку на их основе возможно создание лазеров со сверхмалыми значениями порогового тока и оптоэлектронных приборов с перестраиваемой частотой [1]. Среди них особое место занимают тонкие плёнки на основе бертоллидов А3 В 5, легированные изовалентной примесью — висмутом. Содержание Bi влияет на скорость роста плёнок. Если этот элемент составляет основу расплава (до 80 % по объёму), теплопроводность его низка — не более 10 Дж/(м-с-К) (у индиевых расплавов в 3 раза, а у галлиевых в 6,5 раз выше). Это позволяет поддерживать градиент температуры в зоне кристаллизации.
В статье обсуждаются возможности создания условий самоорганизации в двухфазных многокомпонентных системах «кристалл-расплав», содержащих висмут, и проявления квантовых свойств на мезоскопическом (~ 100 нм) уровне.
\(Ш))
I \QQ/ *
О квантовых свойствах мезоскопических систем
В твёрдой фазе возникают модулированные по составу слои, поскольку внедрение атомов Bi растягивает решетку, и энергетически выгодной является структура с чередованием упругих напряжений разного знака [2]. На участках, обогащенных висмутом, могут проявляться квантово-размерные эффекты. Суть их заключается в следующем. Если характерный масштаб (толшина слоя) d сопоставим с длиной X де-Бройлевской волны носителей заряда,
d ~ 1 ~ h/( 2m*E)12, (1)
где m* — эффективная масса электронов.
В плёнках металлов и чистых полупроводников (Si, Ge) эффективная масса того же
30
порядка, что и обычная масса электрона — 10 кг — уровень Ферми порядка одного электронвольта и длина де-Бройлевской волны порядка 1-10 А. В твёрдой фазе с высоким содержанием полуметаллов, таких как графит, сурьма, висмут, эффективная масса на 2-3 порядка выше. Толщина плёнки (как и длина волны де Бройля) в 30 раз больше — до 30-50 нм.
Слои твёрдых растворов заданного состава, допированные Bi, имеют толщину порядка 50 нм и выращиваются методом градиентной жидкофазной эпитаксии [3]. При этом в слоях образуются области, в которых содержание Bi оказывается повышенным — до 0,04 мол. дол. в системах InSbBi/InSb (по сравнению с матрицей, где это значение не превышает 0,01 мол. дол.). Предельные значения содержания висмута соответствуют результатам моделирования фазовых равновесий [4].
Обсуждение результатов исследования кинетики роста и морфологии плёнок
В работе изучались процессы эпитаксии и свойства слоев четырехкомпонентного твердого раствора — антимонида-висмутида галлия и индия. Кинетика кристаллизации исследовалась поэтапно. В основу эксперимента была положена технология, изложенная в [5]. Композиции «пластина-затравка — пластина-источник» формировались с различной взаимной ориентацией, рассматривались различные комбинации ориентаций (100) и (111).
На рис. 1 приведены данные исследования зависимости скорости роста от толщины жидкой зоны I. Температура кристаллизации поддерживалась в диапазоне от 680 до 685 К.
Большее влияние на скорость оказала ориентация подложки, т.к. именно на ее пластине идет процесс затвердевания. Кристалл-источник растворяется, но и его ориентация имела значение.
Сложное поведение висмута в двухфазной среде, как следует из экспериментов, может играть роль фактора частичного самоупорядочения и формирования субструктуры. Микроскопические исследования поверхности выполнялись для образцов пленок твердого раствора GaxIn1-xSb1-yBiy/InSb.
Согласно [3], в области малых значений толщины жидкой зоны (I □ 30 Мимеет место кинетический режим, при I больше 70 мкм — диффузионный, в промежуточной области — оба механизма («смешанный режим»), обеспечивающий наибольшие значения скорости термомиграции. В области кинетического массопереноса процесс определяется «переносом» поверхности затвердевания [6].
Методика кинетических измерений заключалась в следующем. По окончании процесса градиентной жидкофазной эпитаксии (ГЖЭ) делались сколы образцов, на которых идентифицировались пути зоны; их длина, отнесенная ко времени перекристаллизации, давала значение скорости роста Vр.
Рис. 1. Зависимость скорости роста плёнок Оах1п1_х8Ь1_уЫу/1п8Ь от толщины жидкой зоны (Т=685 К). Ориентация затравки/источника: 1 — (100)/(100); 2 — (100)/(111); 3 — (111)/(111); 4 — (111)/(100)
Установленные факторы влияния на скорость перекристаллизации: толщина расплава, градиент температуры, ориентация пластины-затравки, состав расплава и содержание подпитывающих компонентов в кристалле-источнике.
На микроскопе МИМ-4 (оптическая система с выводом данных на ПК) изучалась поверхность выращенных плёнок и на основе исследований рассматривались кинетические особенности процесса ГЖЭ. Одним из основных факторов явился состав расплава (главным образом, содержание в нём висмута).
Поверхностные фигуры отображены на рис. 2, из которого видно практически зеркальное состояние плёнок. Градиент температуры при росте этих плёнок не превышал 25 К/см, зона имела состав — индий-галлий-висмут в соотношении 3:4:3. Наблюдался послойный рост с небольшими вариациями, приводившими к выделению на микрофотографиях каналов, обогащённых Вг
Рис. 2. Поверхности плёнок антимонида-висмутида галлия индия, х 200 а) ХТ = 30 К/см, Хьв,. = 45 %; б) ХТ = 45 К/см, ХЬв,. = 50 %; в) ХТ = 45 К/см, ХьВг. = 60 %; г) ХТ G = 48 К/см, ХьВг. = 60 %
\(Ш))
Iл
При увеличении содержания Ы до 45-60 % в жидкой зоне возникали фигуры самоупорядочения (рис. 2 б). В тех случаях, когда градиент температуры возрастал до 40-45 К/см, более интенсивной становилась генерация дислокаций, что нашло макроскопическое проявление в виде «спиралей роста» (рис. 2 в).
При дальнейшем повышении градиента температуры скорость достигала экстремальных значений (до 0,7 мкм/мин). Помимо нормального роста, происходило затвердевание в плоскости слоя. На поверхности четко различимы гексагональные фигуры-террасы (пленка четверного твердого раствора Оао,421по,588Ьо,975Б1о,о25/1п8Ь, градиент VI« 45 К/см, содержание Ы в расплаве 65 % (рис. 2 г).
Оценка высоты террас составила от 120 до 170 нм.
Теоретические аспекты работы: самоорганизация субструктуры
Для надежного установления наличия эффектов самоорганизации субструктуры нужны дополнительные исследования. Однако в их пользу говорят следующие факты. Стартовые условия самоупорядочения, как показано в работе [7], выступают следующие факторы:
1. Большое значение имеет движущая сила процесса (для «раскачки» системы, возникновения альтернативных путей преобразований в них). В исследуемом случае этот фактор налицо. Движущая сила — градиент концентраций компонентов — обеспечивается большими значениями градиента температуры VI.
2. Объём ростовой композиции должен быть не слишком мал, чтобы в нём могли макроскопически проявиться флуктуации состава (в рассматриваемых условиях это обеспечено, так как совокупный объем расплава и пластин — кристаллов источника и затравки — составляет не менее 0,3 см .)
3. Плотность массопереноса должна нелинейно зависеть от движущей силы — это выполняется тоже автоматически, поскольку имеет место температурный гистерезис термомиграции [8].
4. Производная от последней по силе должна быть положительной (это вообще очевидно — с ростом градиента температуры скорость перекристаллизации растет). Таким образом, все условия самоорганизации в процессе ГЖЭ выполняются. Очевидно, нужен поиск оптимальных условий для того, чтобы обеспечить формирование приборно-значимой структуры плёнок многокомпонентных твердых растворов соединений А3 В5.
Заключение. В работе обсуждаются свойства новых материалов электронной техники — эпитаксиальных слоев твердых растворов Оа1и8ЬБ1. Показано, что в условиях градиентной жидкофазной эпитаксии становится возможным осуществление технологического режима, обеспечивающего самоупорядочение поверхностной структуры, в частности, формирование островковых цепей и гексагонов с характерным размером порядка 100 нм, которые вносят особенности в электронный спектр и фотоэлектрические параметры новых материалов. Такие материалы привлекательны в качестве активных областей оптоэлектронных приборов среднего ИК диапазона.
Библиографический список
1. Алферов, Ж. И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур / Ж. И. Алферов // Физика и техника полупроводников. — 1998. — Т. 32, Вып. 1. — С. 3-18.
2. Щукин, В. А. Спонтанное формирование полупроводниковых наноструктур.
\(Ш))
Iл
Автореф. дис. ... д-ра ф.-м. наук / В. А. Щукин. — Санкт-Петербург, 1998. — 162 с.
3. Лозовский, В. Н. Градиентная жидкофазная кристаллизация многокомпонентных полупроводниковых материалов / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, А. В. Благин. — Ростов-на-Дону : СКНЦ ВШ, 2003. — 376 с.
4. Благин, А. В. О механизме формирования сверхрешеточных структур в ходе кристаллизации многокомпонентных висмутидов / А. В. Благин // Изв. вузов. Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки. — 2000, № 2. — С. 78-80.
5. Марьев, В. Б. Зонная плавка с градиентом температуры в системах GaP и GaAsP. Автореф. дис. ... канд. ф.-м. наук / В. Б. Марьев. — Новочеркасск, 1974. — 187 с.
6. Лозовский, В. Н. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, В. П. Попов. — Москва : Металлургия. — 1987. — 232 с.
7. Третьяков, Ю. Д. Самоорганизация в физико-химических системах на пути создания новых материалов. (обзор) / Ю. Д. Третьяков, Н. Н. Олейников, Е. А. Гудилин // Неорганические материалы. — 1994. — Т. 30, № 3. — С. 270-290.
8. Баранник, А. А. Кинетика кристаллизации в висмутсодержащих гетеросистемах АМп-БЬ-Bi и Ga-As-P-Bi / А. А. Баранник [и др.] // Неорганические материалы. — 2008. — Т. 44, № 12. — С.1430-1433.
