CC BY
20
УДК 621. 315.592: 548.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ А\хСау1щ_х_уАъ;Р1_ДпР, ВЫРАЩЕННЫХ В ОБЛАСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ
© 2007 г. Н.В. Ермолаева
Твердые растворы Л1хОау1п1-х-уЛ8гР1-г, изопериод-ные подложкам фосфида индия, перспективны для создания на их основе фотоприемников инфракрасного диапазона (Я = 1,3 - 1,4 мкм). Диапазон составов на указанную длину волны (х < 0,07, 0,25 < у <0,31, 0,58 < г < 0,72) принадлежит области термодинамической неустойчивости. В настоящей работе проведено изучение влияния различных факторов на распределение дислокаций по толщине полученных эпитаксиаль-ных слоев (ЭС).
Наблюдение дислокаций несоответствия в гетеро-структурах проводилось с помощью микроскопа ОГМЭ-П3. С поверхности слои стравливались с помощью низкоскоростного полирующего травителя ИС1:СИ3С00И:И202 (2:1:2). Толщина стравливаемых слоев составляла 0,5 - 1,0 мкм. Далее, для каждой получаемой поверхности с помощью селективного травителя МИ40И: И202 (1:15) выявлялись дислокации и проводился подсчет их плотности.
Ранее нами было показано, что для обеспечения устойчивости планарной границы жидкой и твердой фазы и избежания подрастворения подложек фосфида индия технологические параметры процесса зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ) следует изменять в следующих пределах: градиент температуры О = 25 - 50 К/см, толщина жидкой зоны Ь = 200 - 400 мкм, величина переохлаждения раствора-расплава АТ = 4 - 8К [1]. При получении слоев в области термодинамической неустойчивости использованы указанные технологические параметры.
В [2] было выявлено, что эффективным средством управления дислокационной структурой является использование малодислокационных подложек и выбор оптимального соотношения упругих свойств и компонентного состава сопрягаемых материалов. В частности, наблюдается снижение плотности дислокаций в слоях твердых растворов Л1хОау1п1-х-уРгЛ81-г, легированных висмутом. Нами было исследовано влияние качества подложечного материала и состава растворителя на структурное совершенство эпитакси-альных слоев в области спинодального распада.
Кривые 1 - 3 (рисунок) показывают распределение плотности дислокаций для пятикомпонентных твердых растворов (ПТР) Л1хОау1п1-х-уРгЛ81-г, выращенного на подложке фосфида индия с ориентацией (100) с применением гомогенизации раствора-расплава градиентом температур и с защитой подложки от термического травления из расплава индий-висмут.
Зависимость плотности дислокаций для ПТР Л1хОау1п1-х-уЛ82Р1-2: 1 - Л10,05ба0,291п0,б4Л80,б8Р0,32 из расплава 1П0,4ВЧб, = 2-104 см-2; 2 - Л10,07Оа0,252!п0,678Л80,72Р0,28 из расплава 1п04В106, Кпп = 2-104 см 2; 3 - аналогично 1 при = 5-104 см-2; 4 - Л10,05Са0,291п0,64Л80,б8Р0,32
из расплава 1п, N0° = 5-104 см 2; 5 - аналогично 1 при ориентации подложки 1пР (111)
Для ПТР Л1хОау1п1-х-уЛ82Р1-2 состава х = 0,05, у = = 0,29, г = 0,68, выращенных на подложках фосфида индия (1пР) с плотностью дислокаций N0^ = 5 -104 см-2, из расплава 1п04В10,6 наблюдаемая плотность дислокаций составила N0 = 2,8-104 см-2 на глубине к = 7 мкм и 5,6 -104 см-2 вблизи гетерограницы (кривая 3). В слоях аналогичного состава, выращенных из расплава индия, наблюдаемая плотность дислокаций составила 4,0-104 см-2 на уровне толщины к = 7 мкм и 6,3-104 см-2 вблизи гетерограницы (кривая 4).
Таким образом, так же, как и в области абсолютно устойчивых твердых растворов, введение висмута понижает плотность дислокаций в эпитаксиальном слое. Следует отметить, что при концентрации висмута в жидкой фазе более 75 мол.% модуляция состава в эпитаксиальных слоях не наблюдалась. Выращенные эпитаксиальные слои характеризовались высокой плотностью дислокаций (N0 >3-105см-2) на гетерогра-нице и в слое, наличием микровключений нестехио-метрического состава, обогащенных растворителем. По-видимому, указанные микровключения послужили источником внутренних напряжений и привели к интенсивной генерации дислокаций за счет отклонений условий роста от когерентных.
Нарушение пространственной периодичности структуры в ЭС также имело место при их выращивании на подложках InP с ориентацией (111). Мы считаем, что данное явление обусловлено конкуренцией двух процессов: ориентирующим влиянием подложки InP (111) и преимущественной модуляцией структуры вдоль оси наилегчайшего сжатия (направление (100) для соединений типа AmBV).
Наиболее благоприятные условия для однородной модуляции состава складывались при выращивании ЭС ПТР AlxGarIn1-x->,AszPi-z на малодислокационных подложках InP (100) из расплава In0)4Bi06 (кривая 1).
При увеличении мольной доли алюминия до 0,07 плотность дислокаций в ЭС несколько возрастает (кривая 2). Это можно объяснить следующим образом. Твердые растворы в области термодинамической неустойчивости характеризуются более высокой чувствительностью к различного рода флуктуациям (температуры, состава и т.п.), вызывающим более резкое отклонение состава от стехиометрического, чем в области абсолютно устойчивых твердых ратсворов. Это приводит к росту концентрации междоузельных атомов алюминия (Al), галлия (Ga) и вакансий мышьяка (As) и фосфора (Р). Поскольку атомы алюминия характеризуются большим коэффициентом диффузии, они будут стекать на дислокации, образовывать микровключения. Это в свою очередь приводит к росту внутренних напряжений и усилению генерации дислокаций.
Эксперименты показали, что для улучшения структуры и морфологии ЭС с составом х = 0,07, необходимо увеличить содержание висмута в жидкой фазе до 75 мол.%.
В целом наблюдается более резкое снижение плотности дислокаций в глубине эпитаксиальных слоев с составами из области термодинамической неустойчивости, чем для абсолютно устойчивых твердых растворов. Сравнение экспериментальных зависимостей показывает, что при сходных технологических параметрах роста плотность дислокаций в слое с модуляцией состава в два раза ниже таковой для однородного слоя. Таким образом, модуляция состава препятствует движению дислокаций в глубине эпи-таксиального слоя.
Таким образом, для снижения плотности дислокаций и обеспечения однородной модуляции состава целесообразно выращивать ЭС ПТР Л1хОа>1п1-;1.->Л8гР1-г на малодислокационных подложках 1пР (100) из расплава 1п0,4Б1о,б. При необходимости увеличении содержания алюминия в твердой фазе следует повысить содержание висмута в жидкой фазе до 75 мол.%.
Литература
1. Алфимов А.В., Благин А.В. и др. Структурные характеристики эпитаксиальных слоев твердых растворов ЛЮа1пРЛ8, выращенных из Бьсодержащих расплавов // Изв. вузов Сев.- Кавк. регион. Техн. науки. 2000. № 2. С. 74-77.
2. Ермолаева Н.В., Казаков В.В. Влияние различных факторов и состава твердого раствора в системе Л1-Оа-1п-Р-Л8 на формирование дислокационной структуры эпитаксиальных слоев // Изв. вузов Сев.- Кавк. регион. Техн. науки. 2001. № 2. С. 88-90.
Волгодонский институт Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
8 октября 2007 г
