Получение эпитаксиальных слоев InAs методом mo-гфэ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Таким образом, на основе полученных данных можно утверждать, что природа материала электрода не влияет на основные закономерности электроокисления анилина.

Литература

1. Органическая электрохимия. /Под ред. М. Байзера и Х. Лунда. М., 1988.

2. Baccon J., Ralph A. // J. Am. Chem. Soc. 1968. Vol. 90. № 4. Р. 6596-9599.

3. David M., Ralph A., William J. // J. Am. Chem. Soc. 1962. Vol. 84. №19. Р. 3618-3622.

4. Андреев В.Н. // Электрохимия. 1999. Т. 37. № 7. С. 824-

829.

5. Хомутов Н.Е. Исследование процессов при окислении

анилина. Дис. ... д-ра техн. наук. М., 1948.

6. Doina B., Alexandr D. // Croatica Chem. Acta. 1998. Vol. 71. № 3. Р. 745-756.

7. Алиев З.М. Электролиз с участием газообразных веществ под давлением: теоретические основы и приоритетные технологические рекомендации/ Дис. ... д-ра техн. наук. Махачкала, 2001.

Дагестанский государственный университет, г. Махачкала 18 июля 2005 г.

УДК 537.311.322

ПОЛУЧЕНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ 1пЛ8 МЕТОДОМ МО-ГФЭ

© 2006 г. Б.А. Матвеев, Л. С. Лунин, М.А. Ременный, Н.В. Зотова, Б.В. Пушный, В.И. Ратушный, Н.В. Литвин, В.В. Уелин

Введение

Излучатели в области фундаментальной полосы поглощения углеводородов v3 являются перспективными для портативных газоанализаторов и приборов аварийного оповещения предельно допустимой концентрации метана, этана, пропана и других газов, как в производственных, так и в бытовых условиях. Источниками излучения в них могут быть полупроводниковые светодиоды (СД), спектральная плотность мощности, эффективность и быстродействие которых существенно превосходят аналогичные показатели тепловых (накальных) источников излучения. Такие СД могут быть созданы на основе полупроводников CdHgTe [1], напряженных слоев ШваАзЛпР [2] или твердых растворов 1пАб8ЬР [3]. По сравнению с полупроводниками А2В6 полупроводники А3В5 отличаются лучшей устойчивостью к деградации и лучшей теплопроводностью, поэтому их использование более предпочтительно.

Структуры 1пА5/1пА$8ЬР, полученные методом ЖФЭ или МОС-гидридной эпитаксией, являются наиболее часто упоминаемыми для указанных выше целей, однако параметры СД (коэффициент преобразования, ширина спектра), созданных на их основе, не являются оптимальными.

Создание резонатора толщиной порядка длины волны излучения с гранями, расположенными параллельно p-n переходу и интегрированного с ним, позволяет сузить спектр излучения [4], увеличить выход излучения нормально к поверхности и одновременно стабилизировать его длину волны при изменении температуры; светодиоды с резонатором отличаются большим сроком службы (15000 ч [5], 30000 ч [6]), что важно для практических приложений [7]. Соответствующие СД с резонаторами интенсивно изуча-

лись в спектральном диапазоне 650-1300 нм [8-10]; в то же время исследования подобных СД в средней ИК области (3-5мкм) крайне немногочисленны [4, 11].

Нами представляются результаты работы по оптимизации режимов роста методом МО-ГФЭ слоев InAs, которые в дальнейшем будут использованы в светодиодах со встроенным резонатором.

Эксперимент

Выращивание слоев InAs проводилось методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений при пониженном давлении (~50 mbar) в реакторе горизонтального типа в установке AIX200. Нагрев подложкодержателя осуществлялся пятью инфракрасными лампами, при этом подложка вращалась относительно центра (технология «Gas foil rotation») дополнительным потоком водорода 300 мл/мин. Источниками мышьяка и индия были, соответственно, AsH3 и 1п(СНз)з.

При выращивании InAs отрабатывалось несколько режимов, при этом поток водорода через In(CH3)3 (температура испарителя - 13 °С) варьировался от 100 до 450 мл/мин. Общий поток водорода через реактор составлял 5,5 л/мин. Слои выращивались в интервале температур от 600 до 650 °С на подложках InAs (100) и GaAs (100). Отношение количества вещества источников элементов пятой и третьей группы варьировалось от 1,5 до 60.

Подложки InAs перед наращиванием обезжиривались в CCl4 и изопропиловом спирте в «со-кслетах» по два часа в каждой из колонн. Затем подложки травились перед загрузкой в реактор: InAs в HNO3:HF:H2SO4 = 1:24:8 30 с; GaAs в H2SO4:H2O2:H2O=1:1:5 30 с. Промывались в дистиллированной воде и сушились в центрифуге при комнатной температуре.

Для предотвращения деградации подложек InAs и GaAs до начала роста при температуре выше 400 °С в реактор подавался минимальный поток арсина (1 млм/мин).

Внешний вид слоев оценивался с помощью электронного («CamScan») и оптического микроскопов. Кристаллографическое совершенство слоев оценивалось по данным рентгеновских измерений на установке «ДРОН». В слоях InAs, выращенных на полуизолирующих подложках GaAs, методом Холла измерялись концентрация носителей тока и их подвижность.

Результаты и обсуждение

Как известно, метод МО-ГФЭ не является равновесным, и газовая смесь, поступающая в реактор, содержит реагентов больше, чем может существовать в равновесии с подложкой при температуре роста. Скорость роста определяется, прежде всего, количеством подаваемых элементов III группы в зону реакции. Зависимость скорости роста от отношения мольных долей источников элементов V и III групп при двух значениях потока водорода через испаритель с TMIn представлена на рис. 1. Из рис. 1 следует, что при увеличении потока водорода через испаритель c In(CH3)3 скорость роста возрастает, а с повышением отношения мольных долей источников элементов (V(vAsH3)/III(vIn(CH3)3)) скорость роста снижается. Это, вероятно, связано с уменьшением скорости доставки индия к поверхности слоя.

3,5-

3,0-

2,5-

й н о о ft

га

о о ft о и U

2,0

1,5-

1,0-

InAs/InAs "p+" (100) H2 150 мл/мин через TMIn InAs/InAs "p+" (100) H2 450 мл/мин через TMIn

U088

U067

U065

U064

—1—i—|—i—|—i—|—i—|—i—|—i—|—i—|—i—|—i—|—i—|—i—|—

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Отношение количества вещества компонентов V и III групп

Рис. 1. Зависимость скорости роста InAs от отношения количества вещества V и III групп при различных значениях потока H2 через TMIn

В интервале отношений количества вещества V/III от 15 до 60 (изменялось количество подаваемого ар-сина в реактор) были получены зеркально гладкие слои. Фотографии поверхности двух типичных слоев представлены на рис. 2. На поверхности попадаются одиночные дефекты, связанные, возможно, с недостаточным качеством подложки. При меньших отношениях V/III поверхность получалась матовой; фотографии поверхности типичного слоя представлены на рис. 3.

б

Рис. 2. Снимки поверхности слоев 1пЛ8: а - и088(У/Ш=31); б - и092(У/Ш=15), сделанные с помощью электронного микроскопа

б

Рис. 3. Снимки поверхности слоя 1пЛ8 И091 (У/Ш=5), сделанные с помощью электронного микроскопа

а

а

На рис. 4 показаны типичные рентгенодифракци-онные кривые качания для лучших (гладких) эпитак-сиальных слоев InAs. Полуширина кривой качания слоя составила 16 arc. sec., что говорит о хорошем структурном совершенстве, так как это значение попадает в интервал для типичной полуширины подложки InAs 10 - 20 arc. sec. [12].

«заращиваются» и их максимальная плотность имеет место на гетерогранице. В данной работе все слои 1пАб имели «и»-тип проводимости. На лучших образцах была

получена концентрация электронов n 300K

= 2-1016 см -3

и подвижность ц

300K

= 19840 см / В • с , что близко к

полученным значениям в работе [16].

1 105

414,2

-700

0

Д6, arc. sec.

700

к 414,0-

s

и

! 413,8

(D И

1 413,65

5 •е

413,4413,2-

§ 413,0

и

\U065 Vi InAs/AM-3 T= =650°C

\ U064

U066

U063

10

15

20

25

30

35

Рис. 4. Рентгенодифракционные кривые качания (излучения CuKa1) для эпитаксиального слоя InAs

Зависимость положения максимума интенсивности фотолюминесценции от отношения мольных долей источников элементов V и III групп представлена на рис. 5. Максимум интенсивности фотолюминесценции смещается в сторону меньших энергий с увеличением отношения мольных долей AsH3(V)/(CH3)3In(III). Это может быть связано с уменьшением концентрации свободных носителей (электронов) в слое [13], что находится в согласии с результатами Холловских измерений слоев на подложках-спутниках. Снижение концентрации донорных примесей, среди которых основным является углерод, мы связываем с тем, что при использовании гидридов (в нашем случае арсина) в результате реакции (AsH 3 ^ AsH - + H + ) высвобождается атомарный водород, который связывает радикалы CHx (x < 3) в стабильную молекулу CH4. В результате эпитаксиаль-ные слои, выращенные в избытке арсина, в меньшей степени легированы углеродом, и концентрация свободных электронов в них ниже, чем в слоях, выращенных при недостатке арсина (рис. 6).

Для электрических измерений слоев InAs выращивались образцы - «спутники», для которых осаждение проводилось на полуизолирующие подложки GaAs. Конечно, в данном случае мы не можем рассчитывать на совпадение абсолютных величин концентрации свободных носителей и подвижности с данными для основных образцов из-за наличия дополнительных дефектов. Однако, по данным работ [14, 15], влияние дефектов, вызванных рассогласованием Да, на электрические свойства слоев с толщиной более 2 мкм минимально. Это объясняется тем, что дефекты

Отношение количества вещества компонентов V и III групп

Рис. 5. Зависимость положения максимума интенсивности фотолюминесценции слоев InAs от отношения V/III при 77К

0,3

с

3

•е

tS

я £

с

0,2

0,1

0,0

375 400 425 450

Energy (meV)

Рис. 6. Фотолюминесценция слоев 1пА8, выращенных при различных отношениях количества вещества У/Ш

Выводы

Разработана технология выращивания преднамеренно не легированных слоев InAs толщиной до 3 мкм (полуширина кривой качания 16 arc. sec.) с концентрацией носителей n 300K = 2 -1016 см -3 и подвижностью ц 300K = 19840 см2 / В • с методом МО-ГФЭ на подложках InAs, проанализированы люминесцентные (при 77К) и структурные свойства слоев. Полученные слои могут быть использованы в светодиодах со встроенным резонатором.

0

5

Литература

1. Hadji E., Bleuse J., Magnea N., Pautrat J.L. // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol. 67(18) P. 2591-2593.

2. Есина Н.П., Зотова Н.В., Матвеев Б.А., Стусь Н.М.,

Талалакин Г.Н., Абишев Т.Д. // Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9(7) С. 391-395.

3. Parry M.K., Krier A. // Electron. Lett. 1994. Vol. 30(23). P.

1968-1969.

4. SchubertE.F., Wang Y.-H., Cho A.Y., Tu L.-W., Zydzik G.J. // Appl. Phys. Lett. 1992. Vol. 60. P. 921-923.

5. Schubert E.F., Hunt N.E.J. // Appl. Phys. 1998. A 66. P. 319 - 321.

6. Aidaraliev M., Zotova N. V., Il 'inskaya N.D., Karandashev S.A., Matveev B.A., Remennyi M.A., Stus' N.M., Talalakin G.N. // Semicond. Sci. Technol. 2003. Vol. 18 P. 269-272.

7. Зотова Н.В., Ильинская Н.Д., Карандашев С А, Матвеев БА, Ременный М.А., Стусь Н.М., Шустов В.В. // ФТП. 2005. Т. 38 (10). С. 1270.

В последнее время всё большее значение приобретает разработка топливных элементов. Электрическая энергия в таких элементах может вырабатываться в результате окисления органических веществ - метанола, этиленгликоля и т.д. Известны также водородно-кислородные топливные элементы. Все они осуществляют прямое превращение химической энергии топлива в электрическую энергию, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями процессы горения [1]. Создание эффективных электрокатализаторов необходимо для изготовления топливных элементов с хорошими рабочими характеристиками. Электрокатализаторы позволяют увеличить скорость электрохимической реакции окисления, в результате чего плотность тока при заданном напряжении возрастает. Другими словами, электрокатализаторы увеличивают мощность элемента - количество электроэнергии, которое можно получить от него в единицу времени. Мощность современных топливных элементов достигает десятков киловатт.

Особый интерес представляют платинорутение-вые электрокатализаторы. Известно, что рутениевые электроды (в отличие от платиновых) не проявляют каталитической активности, тогда как с появлением небольшого количества рутения на платиновом электроде каталитическая активность последнего резко возрастает, что выражается в смещении потенциала

8. Modak P., D'Hondt M., Delbeke D., Moerman I., Van Daele P., Baets R., Demeester P., Mijlemans P. // IEEE Photonics Technology Lett. Vol. 12. №. 8. 2000.

9. Jalonen M., Toivonen M., Kongas J., Salokatve A., Pessa M. // Electron. Lett. 1997. Vol. 33. P. 1989-1990.

10. Depreter B, Moerman I., Baets R., Van Daele P., Demeester P. // J. of Crystal Growth 2000. Vol. 221. P. 674-678.

11. Cevaux D., Green A., Palmer C., Stavrinou P., Roberts C., Philips C. // IEE Proc. Optoelectron. 2003. Vol. 150(4) P. 360.

12. Biefeld R.M., Allerman A.A., Kurtz S.R., Baucom K.C. // J. of Crystal Growth 1998. Vol. 195 P. 356-362.

13. Аллаберенов О.А., Зотова Н.В., Наследов Д.Н., Неуйми-на Л.Д. // ФТП. 1970. Vol. 4(10). P. 1939-1942.

14. Kalem S. //J. Appl. Phys. 1989. Vol. 66 P. 3097.

15. Iamura Y., Shigeta H., Watanabe N. // Jpn. J. Appl. Phys. 1993. Vol. 32. L. 368.

16. Eichel-Streiber C., von., Behet M., Heuken M., Heime K. // J. of Crystal Growth. 1997. Vol. 170 P. 783-787.

августа 2005 г.

начала окисления в катодную сторону и увеличении плотности тока при заданном потенциале.

Целью данного исследования являлось изучение закономерностей осаждения платины и рутения из смешанных растворов на золотую подложку и электрокаталитических свойств полученных электродов в отношении окисления этиленгликоля.

Было решено приготовлять электроды путём электроосаждения из смешанных солянокислых растворов солей Pt и Ru при потенциалах +50 и +200 мВ (относительно стандартного водородного электрода). Использовались растворы с концентрацией HCl, равной 1 моль/л, и общим содержанием солей 1 % по массе. В качестве соли платины использовался гексахлор-платинат натрия Na2PtCl6, в качестве соли рутения -хлорид рутения RuCl3-H2O. Для приготовления этих и других растворов использовалась вода Millipore. Был приготовлен ряд смешанных растворов солей, в котором относительное содержание солей Pt и Ru (по массе) изменялось с шагом в 10 %: от 100 % Na2PtCl6 до 100 % RuCl3. Использовались золотые подложки с общей площадью поверхности 4 см2. Непосредственно перед осаждением протравленная (в течение 10 с) в кипящей царской водке подложка поляризовалась в 1 М HCl анодно (I = +20 мА), затем - высушивалась, взвешивалась и поляризовалась сначала катодно, а потом анодно в 0,5 М H2SO4. Перед каждой поляриза-

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт) 11

УДК 541.13

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ПЛАТИНОРУТЕНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРОВ

© 2006 г. Г.А. Цирлина, А.А. Муковнин, Ф.И. Кукоз