Введение к работе
Актуальность.
Со времени создания первых работающих в непрерывном режиме при комнатной температуре лазеров на основе полупроводниковых гетероструктур (70-е годы прошлого века), они получили широкое применение в различных областях науки, техники и в повседневной жизни человека. Существенного повышения рабочих характеристик лазерных диодов удалось добиться с переходом на наноразмерные гетероструктуры, что стало возможным благодаря развитию таких технологических методов как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) и газофазная эпитаксия с использованием металлорганических соединений и гидридов - МОС-гидридная эпитаксия (МОСГФЭ). При этом наибольшая эффективность генерации излучения достигается в лазерах на основе полупроводниковых гетероструктур с упорядоченными массивами квантовых точек (КТ). Для них характерны меньшие значения порогового тока накачки, большее дифференциальное усиление, более слабая температурная зависимость порогового тока, более высокие рабочие частоты [1].
В настоящее время основным методом создания полупроводниковых гетероструктур с массивами КТ является эпитаксия, осуществляемая по механизму Странского-Крастанова (С-К). Несмотря на широкое использование этого метода, следует отметить и некоторые его ограничения. Механизм С-К реализуется лишь в том случае, когда величина рассогласования периодов кристаллической решетки подложки и осаждаемого материала лежит в определенном диапазоне значений. Это значительно ограничивает круг материалов, для которых он может быть применен. Экспериментальные результаты указывают также, что для лазеров на основе таких структур характерны большие, в сравнении с теоретически предсказываемыми, пороговые токи накачки, а также спектральное уширение пиков излучения. Наиболее вероятной причиной этого является относительной большой разброс размеров КТ и наличие смачивающего слоя, существенно влияющего на оптические свойства и кинетику носителей в КТ. При этом толщина смачивающего слоя зависит от величины решеточного рассогласования подложки и осаждаемого материала и практически не управляется.
Эффективность излучения лазерных диодов на гетероструктурах с КТ зависит также от и структурного совершенства КТ, в частности, от наличия в них дислокаций несоответствия. В связи с этим анализ условий реализации механизма С-К и образования дислокаций несоответствия в формируемых КТ для конкретных полупроводниковых систем представляет собой практически важную задачу.
Альтернативным и относительно новым вариантом создания массивов КТ является т.н. «капельная эпитаксия». Применительно к полупроводникам AinBv она заключается в последовательном осаждении элементов III и V групп и представляет один из вариантов кристаллизации по механизму пар-жидкость-твердое. К сравнительным достоинствам такого метода можно отнести независимость его от величины рассогласования периодов кристаллической решетки подложки и осаждаемого вещества и, как следствие, возможность формирования КТ в изопериодных системах; возможность получения гетероструктур с КТ без смачивающего слоя.
В последние годы появился ряд публикаций, посвященных разработке этого варианта в условиях МЛЭ. В то же время представляет несомненный научный интерес изучение возможности реализации этого механизма в условиях МОСГФЭ как более производительного и экономичного метода.
Цель работы. Анализ условий формирования бездислокационных КТ по механизму С-К и исследование возможности реализации метода капельной эпитаксии в условиях МОСГФЭ в системе InGaAs/GaAs.
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:
Расчетная оценка границ составов эпитаксиальных слоев InxGai_xAs, для которых возможно создание бездислокационных КТ по механизму С-К на подложках GaAs.
Определение возможности осаждения наноразмерных капель индия на подложках GaAs низкотемпературным термическим разложением триметилиндия (ТМИ).
Исследование влияния условий пиролиза ТМИ в проточном реакторе установки МОСГФЭ на размеры и плотность массивов осаждаемых капель индия.
4. Изучение влияния режимов термообработки на геометрические
параметры и изменение состава капель индия, осажденных на подложки
GaAs.
Исследование воздействия предварительной обработки поверхности буферных слоев GaAs фосфином на формирование массива КТ.
Проведение предварительных экспериментов по формированию КТ обработкой наноразмерных капель индия арсином.
Научная новизна.
1. Оценены критические толщины эпитаксиальных слоев InxGai_xAs, обеспечивающие переход к механизму С-К при росте на подложках GaAs. Установлены границы составов и критические толщины эпитаксиальных слоев, для которых возможно получение бездислокационных КТ.
Впервые исследована возможность формирования КТ капельным методом в условиях МОСГФЭ. Показано, что в результате низкотемпературного пиролиза ТМИ возможно осаждение на подложках GaAs плотного массива наноразмерных капель индия и установлены зависимости геометрических размеров капель от условий осаждения.
Показана возможность использования термообработки образцов Іп(ж)-ОаА8(тв) в протоке водорода для направленного регулирования размеров осажденных капель индия.
С применением термодинамического анализа установлены пределы изменения состава капель индия в результате возможного подрастворения подложки GaAs в процессе термообработки.
Практическая ценность работы.
1. На основе проведенных исследований определены технологические
режимы формирования плотных массивов наноразмерных капель индия на
подложках GaAs термическим разложением ТМИ в рабочей камере
установки МОСГФЭ.
2. Установлены режимы термообработки образцов в водородной
атмосфере, способствующие устранению слияния капель индия и
уменьшению их размеров.
3. Проведенные пионерские исследования создают базу для
последующего развития капельного метода получения гетероструктур InxGai_
xAs/GaAs с массивами КТ в условиях МОСГФЭ.
Основные положения, выносимые на защиту.
Формирование КТ в системе InxGai_xAs/GaAs по механизму С-К возможно в интервале составов (0,23 < х < 1). При этом с уменьшением х верхний предел толщин роста бездислокационных КТ возрастает от -9,4 монослоев (МС) при х=1 до -47 МС при х=0,23.
Термическим разложением ТМИ при Т = 150 - 350С на подложках GaAs(lOO) могут быть сформированы массивы наноразмерных капель индия плотностью ~ 0,4 -^ 2-10 см" , высотой -2,5 -^ 12 нм. При прочих равных условиях размеры капель уменьшаются, а плотность их расположения возрастает с понижением температуры пиролиза ТМИ.
Термическая обработка капель индия, осажденных на поверхности подложек GaAs(lOO), в проточной атмосфере водорода при Т > 350С позволяет фрагментировать слившиеся капли индия и уменьшить их размеры.
Возможное подрастворение подложки GaAs с осажденным индием в процессе термообработки при 150<Т<550С не приводит к значительному
изменению состава капель и не может существенно повлиять на характеристики формируемых КТ.
Апробация диссертации.
Основные результаты работы были представлены на конференциях:
1. Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Физические проблемы наноэлектроники, нанотехнологий и микросистем», 22-25 октября 2009 г., Ульяновск; IX международная научная конференция «Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, нанотехнологий» 11-16 октября 2009 г., Кисловодск; III Молодежная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии-2009», 13-14 ноября 2009 г., Москва; XIII Международная научно-техническая конференция «Наукоёмкие химические технологии-2010» 29 июня-02 июля 2010 г., Иваново-Суздаль; Международная научно-техническая конференция и молодежная школа-семинар «Нанотехнологии-2010», 19-24 сентября 2010 г., Дивноморское.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 5 работ в материалах научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста 12 шрифтом Times New Roman и включает, 52 рисунка, 7 таблиц и список цитируемой литературы, состоящей из 113 наименований.
