CC BY
4
УДК 548.73
Волковский Ю.А., Фоломешкин М.С., Просеков П.А., Галиев Г.Б., Климов Е.А., Пушкарев С.С., Серегин А.Ю., Благов А.Е., Писаревский Ю.В., Ковальчук М. В.
СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЛЕНОК In*Ga1-xAs, ВЫРАЩЕННЫХ С МЕТАМОРФНЫМ БУФЕРОМ НА РАЗНООРИЕНТИРОВАННЫХ ПОДЛОЖКАХ GaAs
Волковский Юрий Андреевич, младший научный сотрудник, irlandez08 @,yandex.ru
Фоломешкин Максим Сергевич, младший научный сотрудник
Просеков Павел Андреевич, к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник
Серегин Алексей Юрьевич, к.ф.-м.н., научный сотрудник
Благов Александр Евгеньевич, д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник
Писаревский Юрий Владимирович, д.ф.-м.н., главный научный сотрудник
Ковальчук Михаил Валентинович, д.ф.-м.н., профессор, член-корреспондент РАН, руководитель научного направления
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, 119333 г. Москва, Ленинский проспект, д. 59, с. 1
Галиев Галиб Бариевич, д.ф.-м.н., главный научный сотрудник Климов Евгений Александрович, к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник Пушкарев Сергей Сергеевич, к.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник
Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В.Г. Мокерова РАН, 117105 г. Москва, Нагорный проезд, д. 7, с. 5
Представлены результаты рентгенодифракционного исследования эпитаксиальных пленок Ino.53Gao.47As, выращенных на подложках GaAs с кристаллографическими ориентациями (100), (111)А с применением технологии ступенчатого метаморфного буфера. Разработана методика определения деформационных параметров кристаллической структуры упруго напряженных слоев In0.53Ga0.47As с кристаллографической ориентацией (111)А по данным высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии. Определены деформационные параметры кристаллической структуры исследуемых образцов.
Ключевые слова: высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия, деформация, метаморфный буфер, эпитаксиальная пленка
STRUCTURAL FEATURES OF InxGax-xAs FILMS GROWN WITH A METAMORPHIC BUFFER ON THE DIFFER ORIENTED GaAs SUBSTRATES
Volkovsky Yu.A., Folomeshkin M.S., Prosekov P.A., Galiev G.B., Klimov E.A., Pushkarev S.S., Seregin A.Yu., Blagov A.E., Pisarevsky Yu.V., Kovalchuk M.V.
Shubnikov Institute of Crystallography FSRC «Crystallography and photonics» RAS, Moscow, 119333, Russian Federation.
Mokerov Institute of Ultrahigh Frequency Semiconductor Electronics, Russian Academy of Sciences, Moscow, 117105, Russian Federation.
The results of an X-ray diffraction study of In0.53Ga0.47As epitaxial films grown on GaAs substrates with crystallographic orientations (100), (111)А using the step-graded metamorphic buffer are presented. A technique for determining the deformation parameters of the crystal structure of elastically strained In0.53Ga0.47As layers with (lll)A crystallographic orientation based on high-resolution X-ray diffraction data has been developed. The deformation parameters of the crystal structure of the studied samples were determined.
Keywords: double-crystal X-ray diffraction, strain, deformation, metamorphic buffer, epitaxial film
Введение
Эпитаксиальные гетероструктуры являются перспективным материалом для огромного спектра задач современной микроэлектроники. Нужно отметить, что такую популярность многослойные эпитаксиальные пленки заслужили различными способами переноса заряда внутри слоистой системы, а также возможностью контролировать рост дефектов для достижения необходимых параметров. Так исследуемые пленки 1пОаА8, являются подходящим материалом для изготовления фотопроводящих антенн - источников и детекторов импульсного терагерцевого излучения. В получении образцов
применялся низкотемпературный эпитаксиальный рост, в результате которого в объеме эпитаксиальной пленки появляются избыточные атомы А8 и образуются дефекты замещения А8оа (атом А8 в узле Оа). Такие дефекты выполняют функцию захвата фотовозбужденных носителей заряда и обеспечивают ультрамалые времена их жизни (~ 1 пс) [1].
В создании активного слоя образцов 1пхОа1-хА8 применялась технология метаморфного буфера -относительно толстого переходного слоя с градиентом состава, согласующего параметры решетки подложки и вышележащего слоя 1пхОа1-хА8. Метаморфный буфер даёт возможность выращивания на подложке ОаА8 относительно бездефектного слоя
InxGai-xAs с любым значением x. Недостатком данной технологии являются умеренная дефектность и шероховатость поверхности получаемого слоя, которые практически невозможно полностью свести к нулю.
В данной работе для низкотемпературного эпитаксиального роста пленок применялись полуизолирующие подложки GaAs с симметричным срезом поверхности (100) и асимметричном - (111)А (разориентация плоскости относительно поверхности ~ 5.5°). Особенности полученных гетероструктур были представлены в статье [2], в частности, выявлено различие в эффективности генерации терагерцевых волн. Для анализа структурных особенностей образцов на подложках с разными ориентациями поверхности был применен метод высокоразрешающей дифрактометрии [3, 4].
Интерес предложенной в работе методики исследования представляет оценка упругих и начальных деформаций двух групп образцов, выращенных на подложках GaAs (100) и GaAs (111)А, а также анализ возможностей применения предложенного методического подхода к сильно дефектным эпитаксиальным структурам. Материалы и методы
Исследуемые образы были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии из твердотельных источников In, Ga, As на полуизолирующих подложках GaAs с кристаллографической ориентацией (100) и (111)А, при этом подложка GaAs (111)А имела асимметричное расположение плоскости (111) относительно поверхности. По этой причине образцы разделены на 2 группы: 2V-0, 4V-0, 5V-0 с ориентацией подложки (100) и 2V-1, 4V-1, 5V-1 выращенные на подложке GaAs (111A). Дизайн гетероструктур представлен в таблице 1, технологические режимы роста активного слоя указаны в таблице 2, где у - соотношение парциальных давлений молекулярных потоков элементов V (As4) и III групп (Ga, In).
Таблица 1. Дизайн исследуемых образцов
Слой Толщина, нм
Активный слой Ino.53Gao.47As 660
Ступенчатый метаморфный буфер InxGal-xAs, где х = 0.55 ^ 0.05 с шагом 0.05 (11 слоев) 660
Буфер GaAs 35
Подложка GaAs (100), (111)А
Таблица 2. Технологические условия роста активного
слоя In0.53Ga0.47As исследуемых образцов
Пара образцов Tg, °C Y - Pasa/Poa+In
2V 450 22
4V 200 29
5V 200 29
Рентгенодифракционные исследования
проводились на рентгеновском дифрактометре SmartLab Rigaku, оснащенном источником излучения
с вращающимся анодом (мишень Mo), использована спектральная линия MoKal. Регистрацию дифракционных данных осуществляли в двухкристальной схеме с использованием монохроматора Ge-220 двукратного отражения с прорезным каналом и коллимирующих щелей перед образцом и детектором. Щели перед детектором обеспечивали угловую апертуру 0.02°.
С целью разделения вкладов состава твердого раствора и упругой деформации в полную деформацию решетки активного слоя регистрировали соответствующие пары симметричных и асимметричных относительно среза подложки дифракционных отражений: 400 и 511 для образцов на подложках GaAs (100), 111 и 533 - на подложках GaAs (111)A. В ходе предварительных экспериментов было обнаружено, что для симметричных отражений наблюдается наклон кристаллографических плоскостей активного слоя относительно подложки. С целью регистрации кривой дифракционного отражения (КДО) с высоким угловым разрешением образец ориентировали таким образом, чтобы дифракционные отражения активного слоя и подложки находились на плоскости (qx, qZ) в обратном пространстве на одной прямой вдоль оси qz, распределение интенсивности вдоль которой соответствует стандартному угловому 0-20-сканированию [3, 5, 6].
Расчет кристаллографических параметров структуры
Расчет параметров структуры. Оценка параметров структуры активных слоев проводилась с использованием алгоритма расчета, основанного на итерационном подходе [7, 8], который позволяет разделить вклады упругой деформации и начальной деформации, возникающей за счет изменения состава твердого раствора.
По полученным экспериментально значениям углов Брэгга 0ш рассчитывались соответствующие межплоскостные расстояния dhki. Далее по паре межплоскостных расстояний вычислялись параметры решетки активного слоя с учетом понижения его симметрии в напряженном состоянии. Вследствие большого рассогласования теоретических параметров решетки подложки и активного слоя использовалось приближение тетрагональной сингонии слоя для среза (100) и тригональной сингонии слоя для среза (111) [9].
В результате для образцов со срезом (100) рассчитывались длины базовых векторов a, c, лежащих в плоскости слоя и в перпендикулярном направлении соответственно; для образцов со срезом (111) - длина базового вектора a, не лежащего в плоскости слоя, и значение угла a между базовыми векторами. Поскольку в случае среза (111) вектор a не лежит ни в плоскости активного слоя, ни в перпендикулярном направлении, для удобства дальнейших вычислений рассчитывались эффективные параметры решетки
ае = а-^2(1 — cos а), (1) се = а-^3(2 cos а + 1). (2)
Параметр ae имеет смысл малой диагонали ромба (грань ромбоэдра), лежащей в плоскости слоя, параметр ce является большой диагональю ромбоэдра, лежащей в перпендикулярном плоскости слоя направлении.
В приближении изотропной деформации в плоскости слоя рассчитывали относительно упругую деформацию ец в данной плоскости [10, 11]. Для среза (111) расчет выполнялся по формуле
Ей = '
(3)
где Сц, Cl2, C44 - упругие константы (модули) слоя, которые в первом приближении можно принять равными известным упругим константам подложки [9]. Отметим, что в данном случае величина деформации ец выражена относительно параметра решетки слоя ar в свободном (недеформированном) состоянии, а не относительно параметра решетки подложки. Далее рассчитывалось приближенное значение параметра ar; для среза (111) расчет проводился по формуле
Ur (1+£||)V2.
(4)
После этого в линейном приближении уточнялись значения мольной доли индия х и упругих констант
7GaAs
X =
aInAs-aGaAs'
(5)
Ctj = C^sx + cGaAs(1 -x),
(6)
где a
GaAs „InAs
Cjj
Cjj
параметры решетки
и упругие константы ОаА8 и 1пА8 соответственно. Далее с использованием уточненных значений расчет итерационно повторялся несколько раз, начиная с выражения (3). Достаточно точное приближение получается уже после третьей итерации.
С использованием полученных уточненных параметров рассчитывались упругая деформация в перпендикулярном поверхности слоя направлении е± и релаксация слоя R. Для среза (111) расчет выполнялся по формулам:
4^4-2(^+2^2) _ се-аг- 73
Е| = Е||
4С£+С?1 +2Ci
R = 1 +■
аг- V3 iGaAsV2
(ar-aG°^s) ■ V2'
(7)
(8)
Обсуждение результатов
о 10"-с
о 10!
2V (100)
GaAs
28.5
0/20, 0
о
ю5
= 1 о4
л
:
о
S ю5
101 о1 10°
2V <111)
120 124
0/20, "
Рисунок 1. Экспериментальные угловые зависимости дифракционных отражений 004 и 111 образцов 2V-0 (a) и 2V-1 (б) соответственно. На графике отмечены положения дифракционных пиков подложки GaAs и
активного слоя InxGai-xAs
На рисунке 1 представлены КДО симметричных отражений (рефлексов) 004, 111 образцов 2V-0 и 2V-1 соответственно. Для остальных образцов КДО имели аналогичный вид со схожими особенностями. Видно, что помимо дифракционного пика подложки на КДО наблюдается ряд малоинтенсивных пиков, соответствующих метаморфному буферу, а также выделяющийся на фоне остальных несколько более интенсивный пик активного слоя (рис. 1а).
Вследствие наличия дефектов кристаллической структуры исследуемых образцов дифракционные пики заметно уширены и перекрываются друг с другом. Так, в случае образцов на подложках ОаА8 (111)А точно определить положение пика активного слоя на КДО весьма затруднительно (рис. 1б). В связи с этим для достаточно точного определения величины угла Брэгга пика активного слоя проводилась дополнительная процедура регистрации
дифракционных данных, описанная в предыдущем разделе.
В соответствии с развитой методикой и алгоритмом расчета по формулам (3)-(8) в таблице 3 представлены значения ряда структурных и деформационных параметров активного слоя изученных образцов, где a, c - параметры решетки тетрагонально деформированного слоя; а, а- параметры решетки тригонально деформированного слоя; ar - параметр решетки полностью релаксированного слоя; x -мольная доля In; R - релаксация слоя; ец, е± - упругие деформации в плоскости слоя и перпендикулярном направлении соответственно. Также приведены экспериментальные значения разориентации (наклона) ram активного слоя относительно плоскостей (001) и (111) подложек GaAs (001) и GaAs (111) соответственно.
Таблица 3. Расчетные и экспериментальные параметры активного слоя InхGal-хAs по данным
рентгеновской дифрактометрии
Образец a, A c, A (а, град) ar, A X R, % sy x 10-3 s± x 10-3 Ют, град
2V-0 5.8782 ± 0.0024 5.8807 ± 0.0001 5.8794 ± 0.0012 0.558 ± 0.003 99.4 ± 0.6 -0.22 ± 0.21 0.22 ± 0.21 0.92 ± 0.01
4V-0 5.8457 ± 0.0013 5.90166 ± 0.00004 5.8739 ± 0.0006 0.5446 ± 0.0016 87.2 ± 0.3 -4.79 ± 0.12 4.73 ± 0.11 1.51 ± 0.01
5V-0 5.8699 ± 0.0005 5.89439 ± 0.00002 5.8822 ± 0.0002 0.5652 ± 0.0006 94.64 ± 0.12 -2.09 ± 0.04 2.07 ± 0.04 1.25 ± 0.01
2V-1 5.7804 ± 0.0021 89.20 ± 0.02 5.8204 ± 0.0011 0.4126 ± 0.0028 51.9 ± 1.5 -13.83 ± 0.35 6.90 ± 0.17 1.74 ± 0.01
4V-1 5.8751 ± 0.0026 89.873 ± 0.026 5.8815 ± 0.0013 0.563 ± 0.003 94.4 ± 1.2 -2.2 ± 0.4 1.13 ± 0.23 1.64 ± 0.01
5V-1 5.776 ± 0.006 88.97 ± 0.06 5.827 ± 0.003 0.430 ± 0.007 41.0 ± 4.0 -17.7 ± 1.0 8.8 ± 0.5 2.23 ± 0.01
Выводы
Развит методический подход к рештенодифракционным исследованиям
эпитаксиальных пленок InxGai—As, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs с ориентациями (100), (111)A с использованием технологии метаморфното буфера. Методом высокоразрешающей дифрактометрии определены структурные и деформационные параметры активного слоя InxGai-xAs исследуемых структур: параметры решетки, состав, упругие деформации и степень релаксации.
Продемонстрирована принципиальная возможность исследования и проведения сравнительного анализа сильно дефектных монокристаллических структур с применением методик на основе
высокоразрешающей рентгеновской
дифрактометрии. Для анализа образцов с ориентацией поверхности (111)A развита методика определения параметров кристаллической структуры эпитаксиальных слоев в приближении тригональной сингонии упруго деформированного слоя.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН с использованием оборудования ЦКП (проект RFMEFI62119X0035) в части разработки методики и алгоритма расчета, и в рамках Соглашения Минобрнауки РФ от «12» октября 2021 г. № 075-152021-1362 в части развития рентгенодифракционных методик.
Список литературы
[1] Krotkus A. et al. Ultrafast carrier trapping in Be-doped low-temperature-grown GaAs // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 75. P. 3336. DOI: 10.1063/1.125343
[2] Kuznetsov K.A. et al. Photoconductive antennas based on epitaxial films In0.5Ga0.5As on GaAs (111)A and (100)A substrates with a metamorphic buffer // Laser Phys. Lett. 2018. V. 15. P. 076201. DOI: 10.1088/1612-202X/aac7bb
[3] Благов А.Е. и др. Рентгеновская диагностика многослойных HEMT-гетероструктур
In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As/ In0.52Al0.48As с наноразмерной вставкой InAs в квантовую яму // Кристаллография, 2017, том 62, № 3, с. 355. DOI: 10.7868/S002347611703002X
[4] Чуев М.А. и др. Phase relations and the shape of the x-ray rocking curves from heterostructures with quantum wells // JETP Letters. 2009. V.90. №3. P.186-190. DOI: 10.1134/S0021364009150065
[5] Bowen D.K., Tanner B.K. High resolution X-ray diffractometry and topography. Taylor & Francis, 1998. 252 p.
[6] Серегин А. Ю. и др. Экспериментальное и теоретическое исследование трехкристальной схемы высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии в методе картирования обратного пространства // Кристаллография. 2019. Т. 64. № 4. С. 521. DOI: 10.1134/S0023476119040180
[7] Fewster P.F. X-Ray Scattering from Semiconductors and Other Materials. 3rd Edition. World Scientific Publishing, 2015, 493 p.
[8] Дроздов Ю.Н. // Изв. РАН. Сер. физ. 2005. Т. 69. № 2. С. 264.
[9] Peter Y.Yu., Cardona M. Fundamentals of Semiconductors. Physics and Material Properties. 4th Edition. Springer, 2010. 775 p.
[10] Yang K., Takayoshi A., Schowalter L.J. Strain in pseudomorfic films grown on arbitrarily oriented substrates // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 65. P. 2789. DOI: 10.1063/1.112564
[11] Bartels W.J., Nijman W. X-ray double-crystal diffractometry of Ga1-xAlxAs epitaxial layers // J. Cryst. Growth. 1978. V. 44. P. 518. DOI: 10.1016/0022-0248(78)90293-2
[12] Галиев Г.Б. и др. Эпитаксиальный рост пленок Ino.5Gao.5As в низкотемпературном режиме на подложках GaAs (100) и (111)A с метаморфным буфером // Кристаллография. 2017. Т. 62. № 6. С. 956. DOI: 10.7868/S0023476117060108
[13] Lee D., Park M. S., Tang Z. Characterization of metamorphic InxAh-xAs/GaAs buffer layers using reciprocal space mapping // J. Appl. Phys. 2007. V. 101. P. 063523. DOI: 10.1063/1.2711815
