Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Разработка эффективных технологий получения совершенных полупроводниковых материалов и приборов на их основе является одной из важнейших составляющих современного развития электроники.
В оптоэлектронике все большую роль играю і мноюкомнонентные твердые растворы (МТР) на основе соединений A3BJ[1]. Узкозонные твердые растворы, изопериодные подложкам антимонида индия (InSb), перспективны в качестве высокочувствительной элементной ба?ы фотодетекторов в инфракрасной области спектра. Возрастающий интерес в полупроводниковых технологиях вызывают также широкпзониыг гетероструктуры на основе арсенида-фосфида галлия Это связано с их некоторыми уникальными свойствами, в частности, с наблюдающейся при определенных условиях эпитаксии автомодуляцией состава[2] На базе автомодулированных структур возможна разработка инжекционных излучателей нового поколения[3]. Однако известные из литературы методы технологии получения МТР. изопериодных подложкам InSb и GaP, имеют ряд существенных недостатков[4]. В этой связи решение технологических проблем получения элементной базы приборов, может быть достигнуто is результате поиска новых компонентов, внедрение которых в эпитакснальные слоя (ЭС) соответствующих МТР позволит компенсировать структурные и термодинамические несоответствия. В качестве одного из таких компонентов может быть применен висмут. Использование Ві в расплаве при кристаллизации МТР дает ряд преимуществ - прежде всего, может обеспечить высокую морфологическую еіяиильноеіь фронта кристаллизации, а также уменьшение плотности дефектов, вызванных отклонением от стехиометрии. Указанные преимущества наиболее эффективно могут быть реализованы в методе зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ)|5|. Этот метод характеризуется малым пересыщением на фронте кристаллизации, высокой изотермичностью и низкими значениями концентрационного переохлаждения, что позволяет выращивать совершенные эпитакснальные слои. Используя при ЗПТТ подпитку из твердого источника или из расплава, можно управлять распределением компонентов по толщине слоя и таким образом выращивать слои как варизонные, так и однородные по составу. Кроме этого, введение в рабочие слои висмута позволяет формировать заданную энергетическую структуру кристалла л управлять фотоэлектрическими характеристиками как узкозонных, так н широкозонных твердых растворов(б). К началу выполнения настоящей работы в литературе имелась ограниченная информация по исследованию
InGaAsSbBi[8], полученных методами жидкофазлой эпитаксии. Сообщений о получении висмутсодержащих МТР, изопериодных
фосфиду галлия, методом ЗПГТ не имелось вообще. Использование в рабочих слоях висмута для снижения дефектности многокомпонентной элементной базы, ограничивающей ее эксплуатационные возможности, рассматривается как перспективное направление всей технологии электронных материадов-бертоллндов (непрерывных твердых растворов). Поэтому тема диссертационной работы является актуальной с научной и практической точек зрения.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью работы является исследование висмутсодержащих многокомпонентных твердых растворов на основе антимонида индия и фосфида галлия, полученных из жидкой фазы в иоле температурного градиента, для улучшения параметров и характеристик существующих и разработки новых оптсэлектроиных приборов. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
выбор и совершенствование методов получения слоев
висмутсодержащих твердых растворов ;
- теоретический анализ фазовых превращений в многокомпонентных
гетеросистемах ;
исследование метастабильных фаз в висмутсодержащих .многокомпонентных твердых растворах на основе антимонида индия и фосфида галлия;
- экспериментальные исследования кинетики роста висмутсодержащих
эпитаксиальных слоев на подложках InSb и GaP;
- анализ распределения компонентов в слоях МТР ln|.xGakSb|.vBi/lnSb,
liii-xGasASzSbbv.jBiyinSb, GaAsxPt.x
- анализ возможностей получения варизонных и однородных по составу
слоев в поле температурного градиента;
- исследование структурного совершенства полученных твердых
растворов;
- экспериментальное исследование фотоэлектрически и спектральных
характеристик многокомпонентных полупроводников, изопериодных InSb
и GaP и аозможностей их реализации в конструкциях оитоэлектронных
приборов.
-
Разработана термодинамическая модель расчета фазовых равновесий в многокомпонентных Ві-содержащих сисіемах с учетом упругих напряжений, процессов упорядочения в твердых растворах и ассоциирования в жидкой фазе.
-
Впервые исследованы закономерности ЗПГТ в системах Ga-ln-Sb-Bi, Ga-As-P-Bi и Ga-ln-As-P-Bi с использованием растворителя на основе Ga-Bi, In-Bi.
-
Обнаружен эффект формирования сверхрешеточной (- 100 G) структуры при кристаллизации Ві-содержащих многокомпонентных твердых раствороа в режиме осциллирующею движения межфазных ітзаниц.
-
Исследовано влияние висмута на структурное совершенство эпитаксиальных слоев МТР АЛВ5, выращенных в поде температурного градиента (развитие дислокаций, локальных макродефектов, микровключений).
-
Установлена роль висмута в формировании электрофизических и фотолюминесцентных свойств узкозонных гетероструктур GalnSbBi/InSb и широкозонных твердых растворов GaAsPBi/GaP.
-
В гетеросистеме Ga-ln-As-Sb-Bi в поле температурного градиента воспроизводимо кристаллизуются твердые растворы ]ti|_xGavAszSl)i-.,-,Ви /lnSb с содержанием х < 0.3, у < 0.03, z < 0.05. 8 системе Ga-In-As-P-Bi возможна кристаллизация твердых растворов (ia|.4!i\ AsJV ,.
/'GaP с содержанием х < 0.06. у < 0.4 и уровнем легирования Bi до X и: =0.12 мол. %. -
При определенных технологических условиях процесса ЗПГТ R системе Ga-As-P-Bi возможно формирование сверхрешеточных гетероструктур, образованных упорядоченным чередованием областей с разным знаком упругих напряжений.
-
Предложенное термодинамическое описание фазовых превращении, основанное на точечной аппроксимации квазихимического приближения регулярных растворов позволяет определить исходные данные для получения требуемых составов эпитаксиальных слоев.
-
Скорость роста эпитаксиальных слоев Ві-содержащих твердых растворов снижается с ростом содержания As за счет уменьшения кинетических и диффузионных параметров процесса. Увеличение содержания Ві в жидкой фазе ведет к увеличению скорости роста вследствие уменьшения теплопроводности расплава.
-
При концентрациях висмута в расплаве 45+60 мол. % понижается плотность дислокаций на гетерогранице и в слое.
-
Спектральный диапазон люминесценции твердых растворов Ga|.xlnx AsjPi-^BWGaP (1,38-М,85 эВ) шире соответствующего диапазона( 1,45-И ,7 эВ) структур, не легированных висмутом. Наличие Ві в структурах, выращенных на подложках антимонида индия, приводит к смешению максимума люминесценции н инфракрасную область спектра.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ: 1. Выращены варизонные слои InGaSbBi и InGaAsSbBi с убывающим содержанием мышьяка толщиной до 200 мкм, а также однородные слои пятнкомпонеитных твердых растворов (ПТР) InGaAsSbBi толщиной до 150 мкм, пригодные в качестве фоточувствительных элементов оптоэлектронных устройств в диапазоне 7+14 мкм. На подложках GaP вырашены эпитаксиальные пленки GaAsP
использоваться для разработки фотоприемных устройств и светодиодов в видимой и ближней инфракрасной области.
2. Разработана технология выращивания узкозонных и широкозонных Bi-
содсржащнх гетероструктур А"'В5 из жидкой фазы в ноле температурного
градиента Сконструирована кассета поршневого типа для получения
МТР с Ві-содержашим растворителем, позволяющая многократно
использовать расплав в технологическом процессе ЗПГТ.
-
Разработан инжекционный излучатель на основе гетероструктуры GaAsP
/GaP. Расчетное значение силы света - не менее 2 мкд при токе 10 мА. -
Разработана принимающая гетероструктура GalnSbBi/InSb. Длина волны принимаемого излучения - 12.5 мкм, максимум пороговой чувствительности - 8-Ю"2 Вт при соотношении енгнал'шум = 10 (значение этого параметра для лабиринтных фотоприемников на основе InSb составляет 10"" Вт[9]), время спада импульса фотоответа (от 0.9 до 0.1 1.,,,х) - 1,5 пс (~ 5 не для аналогичных фотодетекторов) при подаче отрицательного смещения 5В.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях (Unteimolecular Interactions in Matter Gdansk. - Poland, 1997 г., 2ni Polish-German Workshop for mechatronics. ilmenay. Germany May. 14-15, 1998. - Ilmenay, 1998, "Современные проблемы машиноетроения"-Севастополц 1997,1998 и 1999 гг.) Всероссийских конференциях с международным участием, "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники"(Таганрсг, 1997, 1998 и 1999 гг). Третьей международной конференции "Рост монокристаллов, проблемы прочности и тепломассоперенос" (Обнинск, 1999 г.), Международной конференции "Физические
процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1999 г. ) межвузовских научно-технических конференциях, а также на конференциях, совещаниях, семинарах лаборатории физики полупроводников ВИ ІОРІТУ и кафедры физики ЮРГТУ.
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертации опубликовано 29 печатных работ, в которых полностью изложены ее основные положения.
ОБЪЕМ РАБОТЫ И ЕЕ СТРУКТУРА Настоящая работа состоит из введения и пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений, содержит ^^С'Страниц машинописного текста, иллюстраций, р таблиц. Библиография включает^б наименований.
