CC BY
32
УДК 539.2/.6
ПОЛУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ ДВОЙНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР GaSb/GaInPAsSb/GaSb, AlGaInAsSb/GaInPAsSb/GaSb
© 2010 г. А. В. Благин , Д. П. Валюхов , В. Г. Зубрилов , С. В. Лисицын , Л. С. Лунин , Р. В. Пигулев
*Южный научный центр РАН, г. Ростов-на-Дону
Северо-Кавказский государственный технический университет, г. Ставрополь
South Scientific Center RAS, Rostov-on-Don
"North Caucasus State Technical University, Stavropol
'"South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) получены двойные гетероструктуры (ДГС) GaSb/GaInPAsSb/GaSb, и AlGaInAsSb/GaInPAsSb/GaSb. Методами масс-спектрометрии вторичных нейтральных частиц и оже-электронной спектроскопии исследованы состав, толщина и ширина гетеропереходов.
Ключевые слова: жидкофазная эпитаксия; гетероструктуры; спектрометрия; фазовые равновесия; твердые растворы.
оже-электронная спектроскопия; масс-
The method of liquid-fase epitaxy receives double heterostructures GaSb/GalnPAsSb/GaSb, and Al-GalnAsSb/GalnPAsSb/GaSb. Methods of mass spectrometry of secondary neutral particles and auger-electronic spectroscopy investigate structure, a thickness and width of heterotransitions.
Keywords: liquid-fase epitaxy; heterostructures; auger-electronic spectroscopy; mass spectrometry; phase balance; mul-ticomponent firm solutions.
Создание современных полупроводниковых приборов тесно связано с разработкой теоретических представлений и эффективных технологий получения материалов высокого структурного совершенства с заданными свойствами. Пятикомпонентные твердые растворы (ПТР) на основе соединений Аа1Ву привлекают все большее внимание ученых, так как при их кристаллизации можно управлять составом и толщиной слоев, а также формировать заданную энергетическую структуру кристалла [1, 2].
Интересными для исследований в области создания оптоэлектронных гетероструктур, работающих в ИК-диапазоне, являются ПТР GaInPAsSb, изопериод-ные подложкам GaSb, так как они являются прямо-зонными полупроводниками во всей области составов и на их основе можно создавать как ступенчатые, так и разъединенные гетеропереходы II типа. Еще одним преимущественным аспектом этих структур с технологической точки зрения является то, что при их получении нет необходимости легирования, благодаря структурным природным дефектам [3].
В данной работе методом ЖФЭ получены двойные гетероструктуры GaSb/GaInPAsSb/GaSb, AlGaInAsSb/GaInPAsSb/GaSb и проведен их анализ методами масс-спектрометрии вторичных нейтральных частиц и оже-электронной спектроскопии в единых экспериментальных условиях.
Определение технологических параметров жидкостного гетероэпитаксиального процесса получения твердых растворов GaInPAsSb и AlGaInAsSb в диапазоне составов, изопериодных подложкам GaSb, про-
водили на основе анализа фазовых равновесий «жидкость-твердое» в рамках термодинамической модели «Избыточные функции - линейные комбинации химических потенциалов» (EFLCP) [4, 5].
Получение структур GaSb/GaInPAsSb/GaSb и AlGaInAsSb/GaInPAsSb/GaSb осуществлялось модифицированным методом ЖФЭ, основанном на быстром протаскивании подложки под ростовым расплавом, помещенным в узкой вертикальной щели [5]. Шихту для растворов-расплавов формировали из чистых материалов марки 000 и нелегированных бинарных соединений ШР, InAs, GaSb. Получение слоев GaSb производилось при стандартных условиях жид-кофазной эпитаксии. Пятикомпонентный твердый раствор GaInPAsSb наилучшим образом реализовы-вался при следующих условиях: температура эпитаксии 873 К, переохлаждение 12 К и расплав следующего состава xGa = 0,007, х1ъ = 0,993, хР = 0,004 , xAs = 0,079 , xSb = 0,917 . Однородный расплав получали, проводя предварительную (без подложки) гомогенизацию при температуре 923 К в течении 1,5 ч с последующей повторной (в присутствии подложки) при 893 К в течении 10 минут. Расплав приводился в контакт с подложкой на время 3 минуты.
Исследование состава многослойных структур проводили методами масс-спектрометрии и оже-спектроскопии на усовершенствованной установке ЭСО-3 [6].
Масс-спектры вторичных нейтральных частиц получались при травлении поверхности гетероструктуры
ионами аргона с энергией 4 кэВ и плотностью тока 50 мкА/см2. Вторичные частицы регистрировались квадрупольным масс-спектрометром Micromass PC 100 в режиме многоканального ионного мониторинга, отображающего динамику изменения 16 выбранных элементов или соединений. Управление масс-спектрометром модернизировано [7]. Программа удаленного доступа проводит вычитание фона, что облегчает анализ элементов, образующихся в вакуумной камере при давлении аргона 5-10"6 мм. рт. ст.
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Глубина, мкм
Рис. 1. Масс-спектр структуры GaSb/GaInPAsSb/GaSb
Толщина удаленного слоя определялась по скорости травления контрольных образцов при фиксированной энергии и плотности ионного пучка.
На рис. 1. представлен масс-спектр образца GaSb/GaInPAsSb/GaSb. Масс-спектр можно условно разбить на три участка: эпитаксиальный слой GaSb, слой твердого раствора GaInPAsSb и поверхностный слой подложки. Из анализа первого участка видно, что до глубины 7,75 мкм линии галлия и сурьмы имеют вид неизменяющихся кривых, находящихся на уровне 50 %. Лишь с глубины 7,75 мкм начинается плавное уменьшение концентраций сурьмы и галлия. С этой же глубины начинают последовательно проявляться линии индия, мышьяка и фосфора. Этим линиям, наоборот, присущ плавный рост. Существенное изменение этих линий происходит вплоть до глубины 9 мкм, которой предположительно соответствует граница эпитаксиального слоя GaInPAsSb. Таким образом, ширина гетероперехода эпитаксиальных слоев GaSb-GaInPAsSb составляет 1,25 мкм.
На участке спектра 9 - 14,6 мкм, соответствующему пятикомпонентному эпитаксиальному слою, для линий Ш, Р, Ga наблюдается незначительный градиент концентраций до 1 %. Лишенными заметного градиента концентраций являются линии Sb и As. На глубине 14,6 мкм начинается второй гетеропереход шириной 1 мкм.
Из анализа масс-спектров можно судить, что состав экспериментально полученной структуры поэлементно выглядит следующим образом: Ga - 50 %, Sb - 50 % / Ga - 6 %, ¡п - 44 %, Р - 3,75 %, As - 34 %, Sb - 12,25 % / Ga - 50 %, Sb - 50 %. Учитывая, что сумма мольных долей в подрешетках должна
быть равна 1, экспериментально определенный состав структуры нужно записать так: Gao,5Sbo,5/Gao,l2Ino,88Po,o8Aso,68Sbo,24/Gao,5Sbo,5, в то время как рассчитанный в рамках модели EFLCP -Gao,5Sbo,5/Gao,lIno,9Po,lAso,67зSbo,227/Gao,5Sbo,5. При таком содержании элементов расхождение по периоду решетки составляет 0,009 А (5a=1,548x10~3), а AEg= = 0,023 эВ, что в пересчете на длину волны дает расхождение 0,354 мкм. Полученный экспериментально твердый раствор оказался более узкозонный, чем предполагаемый теоретически.
Кристаллизация твердого раствора AlGaInAsSb проводилась при следующих условиях: температура эпитаксии 1173 К; переохлаждение 8 К; состав расплава xlAl = 0,047, xGг1 = 0,778, xln = 0,175, xAs = 0,0022 , xSь = 0,9978 . Перед эпитаксией расплав выдерживался предварительно (без подложки) в течение 90 минут при температуре 1223 К и повторно (в присутствии подложки) в течении 10 минут при 1193 К. Контакт жидкой фазы с подложкой создавался на 3 минуты.
Результатом исследования данной структуры методом масс-спектрометрии вторичных нейтральных частиц является представленный на рис. 2 масс-спектр образца AlGaInAsSb/GaInPAsSb/GaSb общей глубиной порядка 19,6 мкм.
50
10 12 14
Глубина, мкм
Рис. 2. Масс-спектр структуры AlGaInAsSb/GaInPAsSb/GaSb
Из рис. 2 видно, что начальный участок масс-спектра содержит информацию о составе широкозонного ограничивающего слоя ПТР AlGaInAsSb. На этом участке, протяженностью 9,4 мкм, наблюдается значительный градиент концентраций, присущий всем линиям. Самым большим градиентом по толщине эпитаксиального слоя AlGaInAsSb обладают лини Al и Ga - 4 %. При этом интенсивность линии Al по толщине слоя является вполне однородной, в отличие от линий Sb и As, характеризующихся значительным разбросом на участке 4,86 - 9 мкм, что, по-видимому, связано с неоднородностью структуры на микроскопическом уровне. На этом же промежутке подобная неоднородность, хотя меньшей амплитуды, наблюдается и для линии Ga. На глубине 8,9 мкм начинает проявляться присутствие фосфора, концентрация которого плавно нарастает до глубины 10,75 мкм.
Таким образом, переходная область этого элемента оказалась равной 1,85 мкм, хотя отчетливо прослеживаемые границы гетероперехода эпитаксиальных слоев ПТР AlGaInAsSb/GaInPAsSb располагаются на глубине 9,4 и 10,9 мкм. Это дает основание считать, что ширина гетероперехода составляет порядка 1,5 мкм. Данный гетеропереход является самым широким из полученных в рамках представленной работы.
Участок 10,9-16 мкм, соответствующий второму узкозонному ПТР GaInPAsSb, также отражает наличие существенных градиентов концентраций всех составляющих раствор элементов. Однако присутствующие градиенты не столь значительны, как в случае Л1. Самый маленький градиент концентрации наблюдается у линий фосфора. В целом более плавный вид линий этого участка позволяют заключить, что слой ПТР GaInPAsSb более однородный, чем предшествующий.
На глубине 16 мкм начинается второй гетеропереход GaInPAsSb/GaSb шириной 0,9 мкм. На основании представленных масс-спектрометрических данных, состав экспериментально полученной ДГС A1GaInAsSb/GaInPAsSb/GaSb выглядит следующим образом: ПТР A1GaInAsSb вблизи перехода: М -10,5 %, Ga - 31,5 %, ¡п - 8 %, As - 7,5 %, Sb - 42,5 %; ПТР GaInPAsSb: Ga - 5,5 %, Ш - 44,5 %, Р - 4 %, As -34,5 %, Sb - 11,5 %; подложки Ga - 50 %, Sb - 50 %. Следовательно, состав ДГС можно представить в виде A1o,2lGao,6зIno,l6Aso,l5Sbo,85/Gao,llIno,89Po,o8Aso,69Sbo,2з/ Gao,5Sbo,5.
Масс-спектрометрические исследования хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными методом оже-электронной спектроскопии.
Поступила в редакцию
Литература
1. Лозовский В.Н., Лунин Л.С. Пятикомпонентные твердые растворы соединений А3В5 // Новые материалы опто-электроники. Ростов-н/Д, 1992.
2. Лозовский В.Н., Лунин Л.С., Благин А.В. Градиентная жидкофазная кристаллизация многокомпонентных полупроводниковых материалов. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. 376 с.
3. Электрические свойства твердых растворов на основе GaSb (GalnAsSb, GaAlSb, GaAlAsSb) в зависимости от состава / Т.И. Воронина, Б.Е. Джуртанов, Т.С. Лагунова, М.А. Сиповская, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев // ФТП. 1998. Т. 32, вып. 3. С. 278 - 284.
4. Литвак, А.М. Новый термодинамический расчет фазовых равновесий расплав-твердое тело системы AIIIBV /
A.М. Литвак, А.Н. Чарыков // ЖФХ. 1990. Т. 64, вып. 9. С. 2331 - 2337.
5. Интерфазные взаимодействия в пятикомпонентных системах AXB1 -XCYDZE1-Y-Z и AXBYC1-X-YDZE1-Z на основе твердых растворов AIIIBV и их программная реализация / Д.П. Валюхов, В.Я. Зленко, Р.В. Пигулев,
B.Г. Зубрилов, М.В. Плаксина, Д.Г. Подшибков, И.М. Хабибуллин // Сб. науч. тр. Сев.-Кавк. государственного технического университета. Серия естественнонаучная / СевКавГТУ. Ставрополь, 2008. №4. С. 5 - 9.
6. Квантово-размерные InGaAsP/InP РО ДГС лазеры с Х=1,3 мкм (Гпор=410 А/см2, Т=23 °С) / Ж.И. Алферов, Д.З. Гарбузов, С.В.Зайцев, А.Б. Нивин, А.В. Овчинников, И.С. Тарасов // ФТП. 1987. Т. 21, вып. 5. С. 824 - 829.
7. Аппаратно-програмный комплекс для управления оже-электронным спектрометром / И.М. Хабибулин, А.Э. Зорькин, В.Г. Зубрилов, Д.П. Валюхов // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 5. С. 149 - 150.
17 июля 2009 г.
Благин Анатолий Вячеславович - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией «Кристаллы и структуры для твердотельной электроники», Южный научный центр Российской Академии наук. Валюхов Дмитрий Петрович - д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой физики и электроники, Северо-Кавказский государственный технический университет. Тел. (8652) 95-69-92.
Зубрилов Вадим Геннадьевич - старший преподаватель, кафедра физики и электроники, Северо-Кавказский государственный технический университет. Тел. (8652) 94-40-71.
Лисицын Сергей Викторович - канд. физ.-мат. наук, доцент, кафедра физики и электроники, СевероКавказский государственный технический университет. Тел. (8652) 94-40-71.
Лунин Леонид Сергеевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой физики. Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
Пигулев Роман Витальевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра физики и электроники, Северо-Кавказский государственный технический университет. Тел. (8652) 94-40-71.
Blagin Anatoly Vjacheslavovich - Doctor of Phys.-Math. Sciences, professor, managing laboratory «Crystals and structures for solid-state electronics», South Scientific Center RAS.
Valjuhov Dmitry Petrovich - Doctor of Chem. Sciences, professor, head of department of physics and electronics, North Caucasus State Technical University. Ph. (8652 95-69-92).
Zubrilov Vadim Gennadevich - senior lector, of department of physics and electronics, North Caucasus State Technical University. Ph. (8652 94-40-71).
Lisitcyn Sergey Viktorovich - Candidate of Phys.-Math. Sciences, assistant professor, department of physics and electronics, North Caucasus State Technical University. Ph. (8652 94-40-71).
Lunin Leonid Sergeevich - Doctor of Phys.-Math. Sciences, professor, head of department of physics, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Pigulev Roman Vitalevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department of physics and electronics, North Caucasus State Technical University. Ph. (8652 94-40-71).
