CC BY
10ISSN 1606-867Х (Print) ISSN 2687-0711 (Online)
Конденсированные среды и межфазные границы
https://journals.vsu.ru/kcmf/
Оригинальные статьи
Научная статья УДК 539.23
https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/10972
Молекулярно-пучковая эпитаксия метаморфного буфера
для InGaAs/InP фотодетекторов с высокой фоточувствительностью
в диапазоне 2.2-2.6 мкм
Е. И. Василькова1н, Е. В. Пирогов1, М. С. Соболев1, Е. В. Убыйвовк2, А. М. Мизеров1, П. В. Середин3
1Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж И. Алфёрова Российской академии наук,
ул. Хлопина, 8к3, лит. А, Санкт-Петербург 194021, Российская Федерация 2Санкт-Петербургский государственный университет,
Университетская набережная, 7-9, Санкт-Петербург 199034, Российская Федерация
3Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация
Аннотация
Настоящая работа направлена на нахождение оптимальных технологических условий синтеза гетероструктур с метаморфным буфером для фотодетекторов InGaAs/InP волнового диапазона 2.2-2.6 мкм методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Были предложены три варианта буферов, отличающиеся конструкцией и параметрами синтеза. Внутренняя структура полученных образцов была исследована методами рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии. Анализ экспериментальных данных показал, что наибольшая степень релаксации упругих напряжений в активном слое InGaAs наблюдается в гетероструктуре с метаморфным буфером, сформированным с поднятием и опусканием температуры в конце его роста и имеющим вставки сверхрешеток InAs/InAlAs.
Плотность дислокаций в образце с данным буфером оказалась минимальной по сравнению с остальными образцами, из чего был сделан вывод о пригодности гетероструктуры соответствующей конфигурации для изготовления pin-фотодетекторов ближнего ИК диапазона с высокой фоточувствительностью.
Ключевые слова: молекулярно-пучковая эпитаксия, метаморфный буфер, фотодетекторы ближнего ИК диапазона, рентгеноструктурный анализ, просвечивающая электронная микроскопия
Источник финансирования: исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта № 22-79-00146.
Для цитирования: Василькова Е. И., Пирогов Е. В., Соболев М. С., Убыйвовк Е. В., Мизеров А. М., Середин П. В. Молекулярно-пучковая эпитаксия метаморфного буфера для InGaAs/InP фотодетекторов с высокой фоточувствительностью в диапазоне 2.2-2.6 мкм. Конденсированные среды и межфазные границы. 2023;25(1): 20-26. https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/10972
For citation: Vasilkova E. I., Pirogov E. V., Sobolev M. S., Ubiyvovk Е. V., Mizerov А. М., Seredin P. V. Molecular beam epitaxy of metamorphic buffer for InGaAs/InP photodetectors with high photosensitivity in the range of 2.2-2.6 um. Condensed Matter and Interphases. 2023;25(1): 20-26. https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/10972
И Василькова Елена Игоревна, e-mail: elenvasilkov@gmail.com
© Василькова Е. И., Пирогов Е. В., Соболев М. С., Убыйвовк Е. В., Мизеров А. М., Середин П. В., 2023
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
1. Введение
В последнее время активно разрабатываются фотодетекторы ближнего инфракрасного (ИК) диапазона 1-3 мкм. В данный волновой диапазон входит несколько окон прозрачности атмосферы, что открывает возможности для использования его в спутниковых приложениях, приборах ночного видения и тепловизорах, лида-рах, спектроскопии жидкостей и газов, в частности С02, и некоторых других применений [1]. Одной из прочно зарекомендовавших себя систем материалов для коротковолновых ИК фотодетекторов является Ы^а^^ДпР с х ^ 0.53. Активные слои состава 1п0 5^а0 формируются в режиме решеточно-согласованного с подложкой роста и используются для производства детекторов с длиной волны до 1.7 мкм. Для расширения рабочего диапазона в более длинноволновую область необходимо повышать мольную долю индия в активной области, что приводит к появлению упругих напряжений сжатия. Степень рассогласования эпитаксиального слоя с подложкой может достигать ~ 2 % для детекторов с рабочей длиной волны около 2.5 мкм. В таком случае скачкообразно возрастает величина темнового тока, что сильно препятствует эффективной работе прибора. Несмотря на это, ИК фотодетекторы расширенного волнового диапазона могут быть успешно реализованы на основе гетероструктур InGaAs/InP, прибегая к технологии переходного, или метаморфного, буфера [2].
Идея метаморфного буфера заключается в резком или плавном переходе от постоянной решетки одного материала (подложки) к постоянной решетки материала, который применяется в активной области структуры. Параметры и конструкцию такого буфера выбирают так, чтобы предотвратить распространение дислокаций в активные слои гетероструктуры из мета-морфных слоев. Кроме использования для расширения рабочего диапазона ИК фотодетекторов подобные технологии широко применяются для создания самых разных полупроводниковых гетероструктур, таких как транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) [3], лазеры [4], преобразователи солнечной энергии [5].
В рамках данной статьи производился поиск оптимальных условий синтеза переходного ме-таморфного буфера методом молекулярно-пуч-ковой эпитаксии на подложках 1пР для активной области фотодетекторов с высокой фоточувствительностью в диапазоне длин волн 2.2-2.6 мкм. В качестве активной области был выбран трой-
ной твердый раствор InxGa1-xAs с мольной долей In x = 0.83. Конструкция буфера представляла собой линейный градиент несоответствия постоянной решетки с превышением относительно активной области, или «перевсплеском», поскольку такой буфер может скомпенсировать неполную релаксацию напряжений в слое [6]. Использование буфера с линейно изменяющимся составом более эффективно препятствует распространению дислокаций в активную область по сравнению со ступенчатым буфером [7], а также позволяет достичь малой шероховатости поверхности. Кроме того, отсутствие резкого изменения состава в буферном слое позволит уменьшить вероятность возникновения трехмерно характера роста [8].
Буфер и верхний слой-обкладка были сформированы из твердого раствора InAlAs. Фотодетекторы на основе гетероперехода InAlAs/InGaAs демонстрируют лучшие характеристики по сравнению с гомоструктурными фотодетекторами того же диапазона частот. Например, произведение дифференциального сопротивления pin-фо-тодиода R0 при нулевом смещении на площадь фотодиода A, т. е. величина R0A, возрастает как минимум на порядок при переходе к дизайну на гетероструктуре [9], что в свою очередь способствует увеличению удельной обнаружительной способности [10].
2. Экспериментальная часть
С целью исследования влияния режимов роста метаморфного буфера на качество активной области InGaAs и количество прорастающих дефектов было изготовлено три гетероструктуры (#1, #2 и #3). Образцы выращивались методом молекуляр-но-пучковой эпитаксии на полуизолированных "epi-ready" подложках InP (100) с использованием промышленной МПЭ установки Riber MBE49. Преимуществами установки является использование материалов высокой чистоты, наличие прецизионных методов контроля роста и сверхвысокого вакуума во время синтеза, что обеспечивает высокое качество структур. Возможность резкого прерывания и последующего возобновления поступления на подложку молекулярных пучков материалов потенциально позволяет получать резкие гетерограницы, а высокая стабильность температур двухзонных эффузионных источников металлов III группы и крекингового источника мышьяка обеспечивает постоянство состава. Качество слоев контролировалось in situ системой дифракции быстрых электронов на отражение.
Каждый тестовый образец содержал активную область In083GaAs - 500 нм и градиентный буфер InAlAs. Конструкция тестовых структур представлены на рис. 1.
В начале роста производился отжиг подложки InP, а затем выращивался согласованный с подложкой сглаживающий слой In0 52AlAs толщиной 100 нм. Далее метаморфный буфер каждого образца InxAl1-xAs толщиной 2 мкм был сформирован методом градиентного увеличения мольной доли In от 0.52 до 0.87 с превышением содержания индия на 4 % относительно активной области. Градиентный рост буферов проходил путем уменьшения температуры источника алюминия. Кроме того, синтез трех образцов отличался температурным режимом и наличием (либо отсутствием) дополнительных вставок в процессе роста. Метаморфный буфер во всех трех структурах формировался при температуре ~ 400-410 o, а последующие слои ~ 490 0 с соотношением потоков материалов V/III группы ~ 10. Подобные условия с одной стороны могут способствовать релаксации кристаллической решетки за счет низкой температуры подложки [11, 12], а также позволить удержать в буферном слое большинство дислокаций и уменьшить их распространение в верхние слои, а с другой не допустить трехмерный характер роста, о чем свидетельствовала бы точечная картина дифракции.
В отличие от структуры #1, в образце #2 в конце градиентного слоя было произведено пиковое повышение температуры до ~ 520 0. Затем температура подложки была снижена до 100 0 с временем экспозиции 20 минут с последующим
поднятием до 520 0 на 1 минуту, после чего при температуре 490 0 осаждался активный слой. Образец #3 был получен с теми же условиями роста, как и для #2, но дополнительно содержал в градиентном слое по три вставки сверхрешеток InAs/InAlAs через каждые 500 нм.
В процессе осаждения метаморфных слоев характер роста контролировался методом дифракции быстрых электронов на отражение. В начале роста буфера по мере увеличения доли индия происходила реконструкция поверхности (1х1), тяжи начинали утолщаться и размываться, однако по мере заращивания утолщения постепенно исчезали. В процессе дальнейшего роста к концу слоя градиентного буфера и на слое InGaAs наблюдалась полосатая картина дифракции с довольно узкими тяжами и реконструкцией (4х1). Таким образом, в процессе формирования метаморфного буфера наблюдалось существенное улучшение качества поверхности эпитаксиального слоя, что свидетельствует
0 релаксации градиентного слоя по мере увеличения напряжений в зависимости от толщины.
Внутренняя структура полученных образцов была охарактеризована методами рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Исследования методом рентгеновской дифракции производились на дифрактометре ДРОН-8 с установленным мо-нохроматором Бартельса и острофокусной рентгеновской трубкой с типом излучения CuKa1
1 = 0.15406 нм.
Исследования методом ПЭМ проводились на микроскопе Zeiss Libra 200FE с детектором
Рис. 1. Послойный состав тестовых образцов и схематическое изображение градиентного буфера с превышением состава относительно активной области, где [ - рассогласование решеток, г - расстояние от интерфейса подложки
темного поля. Образцы для измерений методом ПЭМ были подготовлены с использованием стандартных процессов утончения.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Рентгенодифракционные исследования
На рис. 2 приведены дифракционные кривые от тестовых структур. На рентгенодифракцион-ной картине каждого образца присутствует пики от подложки 1пР, от слоя InGaAs и между ними от линейно изменяющегося метаморфного буфера. Справа от пика подложки расположен максимум от сглаживающего слоя InAlAs. В структуре #3 наблюдается в 2.5 раза большая интенсивность дифракционного максимума от тестового слоя InGaAs относительно двух предыдущих и наименьшая полуширина пика 0.39° (против 0.47° и 0.51° для #1 и #2 соответственно). Дифракционный максимум от слоя InGaAs образца #3 практически совпадает с расчетным максимумом от полностью релаксированного слоя с составом около 82 %, что близко к целевому составу. Из этого можно сделать вывод, что в данном образце градиентный буфер полностью ре-лаксировал, и дальнейший рост активной области проходил в отсутствии напряжений в слое. В образцах #1 и #2 пик смещен в левую сторону, что может быть связано с наличием остаточного напряжения в слое и неполной релаксации.
3.2. Исследования методом ПЭМ
На рис. 3 представлены темнопольные ПЭМ снимки сечения образцов по [110] кристаллографической плоскости. На ПЭМ изображениях гетероструктур обозначены область метаморф-ного буфера с линейно изменяющимся составом и активная область - слой 1п Ga, As с моль-
х 1-х
ной долей индия х = 0.83. Наблюдаемые дефекты кристаллической структуры можно охарактеризовать двумя основными типами - дислокации несоответствия и прорастающие дислокации. На рис. 3а, соответствующем образцу #1, в слое ме-таморфного буфера наблюдается большое количество прорастающих дислокаций. Кроме того, дислокации находятся также и в активной области InGaAs, что крайне нежелательно для работоспособности прибора. Наблюдаемые прорастающие дислокации являются преимущественно 60-градусными с векторами Бюргерса Ь = я/2 <110>, где я - постоянная элементарной ячейки. То есть, это дислокации, параллельные направлениям [110] и [110] [13]. Кроме того, в активном слое InGaAs наблюдаются также 90-градусные прорастающие дислокации с векторами Бюргер-са Ь = Л а /2 . Часть дислокаций распространяется по всей толщине активного слоя и верхних слоев и выходит на поверхность.
Образец #2 с рис. 3Ь характеризуется меньшей плотностью прорастающих дислокаций по
62 63
2е,град
Рис. 2. Дифракционные кривые тестовых структур относительно симметричного рефлекса 1пР (004)
Е. И. Василькова и др. Молекулярно-пучковая эпитаксия метаморфного буфера для InGaAs/InP...
Рис. 3. ПЭМ изображения тестовых структур в плоскости [110]: а) образец #1, Ь) образец #2, с) образец #3
сравнению с образцом #1. Тем не менее, наблюдается прорастание 60-градусных дислокаций из метаморфного буфера через гетероинтерфейс в активную область. На рис. 3Ь хорошо различимы также дислокации несоответствия. Распределение дислокаций несоответствия по толщине буферного слоя является практически однородным до толщин около 1500 нм, в верхней части буфера образование дислокаций несоответствия прекращается. Этот результат согласуется с теоретическими предсказаниями для метаморф-ного буфера 1пхА1Ь;Аз (с максимальным х = 0.87) толщиной ~1400 нм с линейным профилем [14].
На рис. 3с изображен снимок образца #3. В буферном слое наблюдаются контрастные вставки, характерные для сверхрешеток. Кроме того, в этом образце также заметны прорастающие дислокации и дислокации несоответствия. Плотность прорастающих дислокаций в направлении эпитаксиального роста снижается до тех пор, пока они не останавливаются окончательно в верхней части буферного слоя. На основе анализа рисунка можно сделать вывод о существовании бездислокационной области буфера вблизи интерфейса. Таким образом, вставки InAs/InAlAs в буферном слое помогают ограничить зарождение и прорастание дислокаций.
4. Заключение
В данной работе нами были исследованы различные подходы к МПЭ росту метаморфных бу-
феров с линейным градиентом состава 1п.А11-;А5 для реализации InGaAs рт-фотодетекторов волнового диапазона 2.2-2.6 мкм на подложках 1пР. Используя методы анализа внутренней кристаллической структуры, такие как рентгенодифрак-ционный анализ и просвечивающая электронная микроскопия, были сделаны выводы об эффективности трех различных конструкций буферов в формировании активного слоя, свободного от упругих напряжений сжатия. Была определена оптимальная конфигурация метаморфного буфера. Главной конструктивной особенностью является включение трех тонких вставок сверхрешеток InAs/InA1As через толщины 500 нм. Вместе с тем по завершению роста градиентного слоя буфера было произведено поднятие и опускание температуры подложки. Показано, что в гетероструктурах с данным буфером плотность прорастающих дислокаций в активном слое наименьшая по сравнению с другими тестовыми структурами.
Таким образом, была показана принципиальная возможность синтеза релаксировавших InGaAs/InP гетероструктур с метаморфным буфером методом МПЭ. Авторы предлагают руководствоваться приведенными в тексте статьи технологическими параметрами эпитаксиаль-ного процесса при росте гетероструктур для ИК фотодетекторов с высокой фоточувствительностью в диапазоне 2.2-2.6 мкм.
Е. И. Василькова и др. Молекулярно-пучковая эпитаксия метаморфного буфера для InGaAs/InP...
Заявленный вклад авторов
Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет известных финансовых конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.
Список литературы
1. Zhang Y., Gu Y. Gas source MBE grown wavelength extending InGaAs photodetectors. In: Advances in Photodiodes. IntechOpen; 2011. https://doi. org/10.5772/13910
2. Zhang Y., Gu Y., Zhu C., Hao G., Li A., Liu T. Gas source MBE grown wavelength extended 2.2 and 2.5pm InGaAs PIN photodetectors. Infrared Physics & Technology. 2006;47(3): 257-62. https://doi.org/10.1016/)'. infrared.2005.02.031
3. Лаврухин Д. В., Ячменев А. Э., Галиев Р. Р., Хабибуллин Р. А., Пономарев Д. С., Федоров Ю. В., Мальцев П. П. MHEMT с предельной частотой усиления по мощности f_max = 0.63 ТГц на основе наногетероструктуры In0.42Al0.58As/In0. 42Ga0.58As/In0.42Al0.58As/GaAs. Физика и техника полупроводников. 2014;48(1). Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21310695
4. Kirch J., Garrod T., Kim S., ... Kuan T. S. InAsyP1-y metamorphic buffer layers on InP substrates for mid-IR diode lasers. Journal of Crystal Growth. 2010;312(8): 1165-1169. https://doi.org/10.1016/j.jcrys-gro.2009.12.057
5. Jones R. K., Hebert P., Pien P., ... Karam N. Status of 40% production efficiency concentrator cells at Spectrolab. 2010 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. 2010. p. 000189-000195.: https://doi. org/10.1109/PVSC.2010.5614535
6. Tersoff J. Dislocations and strain relief in com-positionally graded layers. Applied Physics Letters. 1993;62(7): 693-5. https://doi.org/10.1063/1.108842
7. Chen X., Gu Y., Zhang Y. Epitaxy and device properties of InGaAs photodetectors with relatively high lattice mismatch. В: Zhong M. (ed.). In: Epitaxy. InTech; 2018. https://doi.org/10.5772/inte-chopen.70259
8. Zakaria A., King R. R., Jackson M., Goorsky M. S. Comparison of arsenide and phosphide based graded buffer layers used in inverted metamorphic solar cells. Journal of Applied Physics. 2012;112(2): 024907. https:// doi.org/10.1063/1.4737788
9. Zhang Y. G., Gu Y., Tian Z. B., Wang K., Li A. Z., Zhu X. R., Zheng Y. L. Performance of gas source MBE-grown wavelength-extended InGaAs photodetectors
with different buffer structures. Journal of Crystal Growth. 2009;311(7): 1881-1884. https://doi. org/10.1016/j.jcrysgro.2008.10.087
10. Бурлаков И. Д., Гринченко Л. Я., Дироч-ка А. И., Залетаев Н. Б. Детекторы коротковолнового ИК-диапазона на основе InGaAs (обзор). Успехи прикладной физики. 2014;2(2). Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21505376
11. Horikawa H., Ogawa Y., Kawai Y., Sakuta M. Heteroepitaxial growth of InP on a GaAs substrate by low-pressure metalorganic vapor phase epitaxy. Applied Physics Letters. 1988;53(5): 397-399. https://doi. org/10.1063/1.99890
12. Kaminska M., Liliental-Weber Z., Weber E. R., George T., Kortright J. B., Smith F. W., Tsaur B., Cala-wa A. R. Structural properties of As-rich GaAs grown by molecular beam epitaxy at low temperatures. Applied Physics Letters. 1989;54(19): 1881-1883. https:// doi.org/10.1063/1.101229
13. Franzosi P., Salviati G., Genova F., Stano A., Taiariol F. Misfit dislocations in InGaAs/InP mbe single heterostructures. Journal of Crystal Growth. 1986;75(3): 521-534. https://doi.org/10.1016/0022-0248(86)90098-9
14. Побат Д. В., Соловьев В. А., Чернов М. Ю., Иванов С. В. Распределение дислокаций несоответствия и упругих механических напряжений в метаморфных буферных слоях InAlAs разной конструкции. Физика твердого тела. 2021;63(1): 85-90. https://doi.org/10.21883/FTT.2021.01.50403.201
Информация об авторах
Елена Игоревна Василькова, инженер, аспирант, Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж. И. Алфёрова Российской академии наук (Санкт-Петербург, Российская Федерация).
https://orcid.org/0000-0002-0349-7134 elenvasilkov@gmail.com
Евгений Викторович Пирогов, н. с., Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж. И. Алфёрова Российской академии наук (Санкт-Петербург, Российская Федерация).
https://orcid.org/0000-0001-7186-3768 zzzavr@gmail.com
Максим Сергеевич Соболев, к. ф.-м. н., заведующей лабораторией, Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж. И. Алфёрова Российской академии наук (Санкт-Петербург, Российская Федерация).
https://orcid.org/0000-0001-8629-2064 sobolevsms@gmail.com
Е. И. Василькова и др. Молекулярно-пучковая эпитаксия метаморфного буфера для InGaAs/InP...
Евгений Викторович Убыйвовк, к. ф.-м. н., с. н. с., Санкт-Петербургский государственный университет (Санкт-Петербург, Российская Федерация). https://orcid.org/0000-0001-5828-4243 ubyivovk@gmai1.com
Андрей Михайлович Мизеров, к. ф.-м. н., вед. н. с., Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алфёрова Российской академии наук (Санкт-Петербург, Российская Федерация).
https://orcid.org/0000-0002-9125-6452 andreymizerov@ramb1er.ru
Середин Павел Владимирович, д. ф.-м. н., профессор, заведующий кафедрой физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация).
https://orcid.org/0000-0002-6724-0063 pau1@phys.vsu.ru
Поступила в редакцию 10.10.2022; одобрена после рецензирования 31.10.2022; принята к публикации 15.11.2022; опубликована онлайн 25.03.2023.
