CC BY
2ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТВЕРДОГО РАСТВОРА AlGalnSbP НА ПОДЛОЖКАХ InP И GaAs
Донская А.В.
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия
Аннотация
В статье приведены расчеты изопараметрических составов и графики ширины запрещенной зоны для прямых переходов. Для гетероструктуры AlxGayIn1-x-ySbzPi-z/InP согласование пятикомпонентного твердого раствора и подложки возможно при х = 0 * 0.86 , y = о * 1, z = 0 * 1, для гетероструктуры AlxGayIn1-x-ySbzP1-z/GaAs - х = о * о. 99 , y = о * 1, z = о * о. 54 .
Ключевые слова: твердый раствор, изопериодические составы, ширина запрещенной зоны, период кристаллической решетки.
Пятикомпонентные твердые растворы перспективные материалы для использования в приборах оптоэлектроники. Благодаря изменению конфигурации трех параметров, таких как ширина запрещенной зоны Eg, период кристаллической решетки a и коэффициент термического расширения а, можно получать структуры с необходимыми потребителю свойствами. Предварительный расчет позволяет избежать ошибок, временных и ресурсных затрат. В качестве исследования был выбран твердый раствор AlGalnPSb. В статье [1] указана возможность использования его использования в качестве слоя тыльного потенциального барьера в структуре трехкаскадного солнечного элемента. В работе [2] методом зонной перекристаллизации градиентом температур была выращена гетероструктура AlGaInPSb/InP с высокой степенью совершенства.
Расчет ширины запрещенной зоны и периодов кристаллических решеток проводили по уравнениям работ [3-6]. В гетероструктуре AlxGayIn1-x-ySbzP1-z/InP
с увеличением концентрации алюминия в твердой фазе (рис. 1) изопериодические линии смещаются в сторону больших концентраций сурьмы
(4
Рис. 1. Концентрационные зависимости AlxGayIni.x.ySbzPi.z/InP
изопериодических линий
Изопериодические линии описываются уравнением z = A + By (при х = const ). Значения коэффициентов А и В приведены в таблице 1. Исходя из данных таблицы изопериодический состав получают при х = 0 ^ 0.86 , y = о ^ 1
, z = 0 * 1 .
На рис. 2 приведены значения ширины запрещенной зоны (Eg) твердого раствора изопериодического состава. Общая тенденция в изменении ширины запрещенной зоны заключается в росте Eg при повышении концентрации алюминия (x) и сурьмы (z). При этом при фиксированном x наблюдается нелинейное уменьшение ширины запрещенной зоны с увеличением
концентрации сурьмы. Так ширина запрещенной зоны при концентрации галлия y = о. 01 изменяется в интервале значений e = о. 18 ^ 1.87 эВ.
Таблица 1.
Параметры изолиний z = A + By для гетероструктуры AlxGayIn1-x-ySbzP1-z/InP при х = const и Т = 293 К
X .Уmin ymax A zmin zmax B
0.0 1 0 0.9894 1.0106
0.1 0.9 0.0991 0.9943 1.0054
0.2 0.8 0.2017 0.9992 1.0032
0.3 0.7 0.3081 0.9918 1.0237
0.4 0.0 0.6 0.4183 0.9968 1.0371
0.5 0.5 0.5326 0.9893 1.0948
0.6 0.4 0.6512 0.9943 1.1659
0.7 0.3 0.7871 0.9999 1.3624
0.8 0.2 0.9026 0.9917 2.2437
Исследуем влияние отдельных компонентов твердого раствора на согласованность по периодам слой-подложка. По данным рис. 3 при меньших концентрациях алюминия (х) и меньших концентрациях сурьмы (2) удается добиться лучшего согласования периодов кристаллических решеток подложки № и твердого раствора AlGaInSbP, дополнительно получаем широкий диапазон составов твердого раствора, что дает возможность варьировать концентрации компонентов твердого раствора в большом интервале значений.
Рис. 2. Концентрационные зависимости AlxGayIn1-x-ySbzP1-z/InP ширины
запрещенной зоны (у = о. 01 )
а б
Рис. 3. Зависимость от концентрации сурьмы (у = о. 01 ):
а) периода твердого раствора AlGaInSbP; б) степени согласованности слой-подложка
Если повысить концентрацию галлия (у), то при фиксированном значении х ширина запрещенной зоны увеличится на 11%. В остальном характер
зависимости не изменяется (рис. 4). Причем степень согласованности да слой-подложка улучшается (рис. 5).
Рис. 4. Концентрационные зависимости AlxGayIn1-x-ySbzP1-z/InP ширины
запрещенной зоны (у = о. 2 )
а б
Рис. 5. Зависимость от концентрации сурьмы (у = о. 2 ): а) периода твердого раствора AlGaInSbP; б) степени согласованности слой-подложка
0.9 0.8 0.7 0.6 0.S
У
0.4 0.3 0.2 0.1 О
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Z
Рис. 6. Концентрационные зависимости A^Ga^n^Sb^.z/InP изопериодических линий при 5а < 0.001
На рис. 7 изображен диапазон составов твердого раствора AlGalnSbP согласованного по периоду кристаллической решетки с подложкой GaAs. Несмотря на то, что характер зависимости аналогичен гетероструктуре AlGaInSbP/InP, с увеличением концентрации алюминия (x) при фиксированном z наблюдается уменьшение концентрации галлия (у).
Изопериодические линии также описываются уравнением z = A + By (при x = const). Значения коэффициентов А и В приведены в таблице 2. Исходя из данных таблицы изопериодический состав получают при х = 0 ■ 0.99 , y = 0 ■ 1 , z = 0 ■ 0.54 .
О 0.1 0.2 0J 0.4 0.5 О.б
z
Рис. 7. Концентрационные зависимости AlxGayIn1-x-ySbzP1-z/GaAs
изопериодических линий
Таблица 2
Параметры изолиний z = A + By для гетероструктуры AlxGayIn1-x-ySbzP1-z/GaAs при х = const и Т = 293 К.
x ymin .Уmax A zmin zmax B
0.0 0.54 1.0 0.0102 0.5221 0.8986
0.1 0.44 0.9 0.0075 0.5233 0.8919
0.2 0.34 0.8 0.0048 0.5245 0.8851
0.3 0.24 0.7 0.0021 0.5258 0.8783
0.4 0.15 0.6 0.0102 0.5271 0.8706
0.5 0.05 0.5 0.0075 0.5284 0.8639
0.6 0 0.4 0.0604 0.5297 0.8523
0.7 0.3 0.1836 0.5312 0.8344
0.8 0.2 0.2884 0.5324 0.8197
0.9 0.1 0.4093 0.5338 0.8034
График ширины запрещенной зоны представлен на рисунке 8. Характер изменения е более линеен в отличие от твердого раствора AlGaInSbP на
подложке 1пР и изменяется в диапазоне е = о. 30 ^ 2.83 эВ . Это обусловлено
ширикозонностью материала подложки. Причем с увеличением концентрации галлия (у) скорость убывания зависимости уменьшается.
а
б
в
Рис. 8. Концентрационные зависимости А1хОау1п1-х-у8Ь2Р1-2/ОаАв ширины запрещенной зоны при: а) у = о. 6 ; б) у = о. 2 ; в) у = о. 01
Степень согласованности периодов решеток слой-подложка для гетероструктуры АЮа1п8ЬР/ОаАв изображен на рисунке 9. Видна зависимость, что с увеличением концентрации алюминия и сурьмы степень несогласованности линейно увеличивается.
0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
1.
в
Рис. 9. Степень несогласованности периодов кристаллических решеток гетероструктуры A1xGayIn1-x-ySbzP1-z/GaAs от концентрации сурьмы и алюминия
при: а) у = о. 6 ; б) у = о. 2 ; в) у = о. 01
Таким образом несмотря на то, что расчеты проводились для одного и того же твердого раствора A1GaIпSЬP, подложка оказывает влияние на изопериодические линии, ширину запрещенной зоны.
Библиографический список
1. Скачков А.В. Физико-технологические основы создания трехкаскадных фотопреобразователей GaInP/GaAs/Ge с повышенной радиационной стойкостью // Диссертация на соискание кандидатской степени. - 2021.
2. Пащенко О.С. Исследование закономерностей дефектообразования в твердых растворах AlGaInPSb, выращенных на подложках InP.
3. D.L. Alfimova, L.S. Lunin, M.L. Lunina. Inorg. Mater., 50, 113 (2014).
4. V.V. Kuznetsov, E.A. Kognovitskaya, M.L. Lunina, E.R. Rubtsov. Russ. J. Phys. Chem. A, 85, 2062 (2011).
5. D.L. Alfimova, L.S. Lunin, M.L. Lunina, A.E. Kazakova, A.S. Pаshchenko, S.N. Chebotarev. Inorg. Mater., 53, 1217 (2017).
6. K. Shim. Phil. Mag., 94, 3088-3097 (2014)
