Введение к работе
Актуальность темы. Развитие технологии выращивания пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) к настоящему времени достигло уровня, при котором стало возможным создание полупроводниковых сверхрешеток (СР), структур с квантовыми ямами (КЯ), многослойных структур с размерами отдельных слоев вплоть до одного монослоя. Практическое использование уникальных оптических и электрофизических свойств таких искусственно созданных структур связано с созданием новой элементной базы и разработкой на ее основе новейших приборов микро-, нано- и оптоэлектроники.
При росте гетероструктур, структур с КЯ и СР важнейшей проблемой является получение резких гетерограниц и высококачественных слоев составных материалов. Для большинства гомоэпитаксиальных бинарных соединений An,-Bv, таких как GaAs, InAs, InP, имеет место существенный прогресс в росте материала высокого качества. Получены и тройные соединения (GaAlAs, GalnAs, InAlAs и др.) с объемными свойствами, отвечающими всем требованиям приборного применения. Однако, оптимальные условия выращивания этих материалов индивидуальны и могут существенно отличаться друг от друга. В связи с этим, при гетероэпитаксии, гетерограница является местом, где необходимо либо изменять условия роста (что не всегда возможно), либо выбирать некий компромисс (в ущерб свойствам объемных материалов). Поэтому до сих пор является актуальным исследование процессов формирования гетерограниц в различных условиях роста, определение структурного совершенства гетерограниц и их влияния на свойства получаемых структур.
Хотя на данный момент система GaAs-AlAs является наиболее изученной, все еще не до конца ясна природа различия в экспериментально наблюдаемых свойствах между прямой (AlAs на GaAs) и обратной (GaAs на AIAs) границами. Также, нет четкой взаимосвязи между наблюдаемыми во время роста поверхностными сверхструктурами (ПСС) и свойствами гетерограницы.
Для сложной, с точки зрения роста, системы InAs-GaAs (несоответствие параметров решетки ~7%) условия оптимального выращивания напряженных СР, приводимые разными авторами, сильно различаются. Кроме того, СР обычно выращиваются на подложках GaAs(OOl), реже на подложках 1пР(001) и практически нет сведений о
росте СР на подложках InAs(001), а наличие таких объектов позволило бы более полно исследовать свойства этой системы.
Актуальность данной работы заключается в том, что в ней проведен комплекс исследований in situ процессов формирования гетерограниц для систем InAs-GaAs и GaAs-AlAs при МЛЭ методом дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭ). Определены оптимальные условия получения высококачественных напряженных СР InAs-GaAs. Практически синтезированы напряженные СР InAs/GaAs на GaAs(001) и GaAs/InAs на InAs(001) с большим отношением толщин слоев входящих материалов. Исследован процесс формирования прямой (AlAs на GaAs) и обратной (GaAs на AlAs) гетерограниц. Построена диаграмма сверхструктурных переходов на ростовой поверхности AlAs на GaAs(001) и на основе ее определены области получения высококачественных короткопериодных СР AlAs/GaAs и объемного материала Al(Ga)As. Значимость полученных результатов демонстрируется синтезом полупроводниковых структур для физических исследований и приборов микро- и оптоэлектроники.
Целью данной работы было исследование in situ процессов формирования короткопериодных СР InAs-GaAs и GaAs-AlAs при МЛЭ методом ДБЭ. При этом решались следующие задачи:
1. Определение оптимальных соотношений потоков атомов элемен
тов V и III групп, а также температуры подложки во время эпитаксин
для формирования наиболее качественных гетерограниц в СР.
2. Практический синтез короткопериодных напряженных СР
InAs/GaAs на GaAs(001), GaAs/InAs на InAs(001) и короткопериодных
СР AlAs/GaAs на GaAs(OOl) в условиях фазо-сшивающей эпитаксин.
Научная новизна работы. Впервые построена диаграмма зависимости скорости встраивания атомов As для системы InAs-GaAs от температуры подложки во время роста и интенсивности падающего потока As4. Применение данной диаграммы позволило синтезировать высококачественные напряженные СР InAs/GaAs на GaAs(001) и впервые GaAs/InAs на InAs(001) с большим отношением толщин слоев входящих материалов.
В работе проведено комплексное исследование in situ прямой и обратной гетерограниц в системе AlAs-GaAs методом ДБЭ. Впервые построена диаграмма сверхструктурных переходов на ростовой поверхности AlAs на GaAs(001) с учетом процесса сегрегации Ga.
Синтезированы высококачественные СР InAs/GaAs и AlAs/GaAs, шероховатость гетерограниц в которых, по данным фотолюминесценции (ФЛ), просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ВРЭМ) и комбинационного рассеяния света (КРС), не превышала одного-двух монослоев. Наличие подобных объектов позволило впервые исследовать эффекты локализации оптических и свертки акустических фононов, определить дисперсию оптических фононов для компонентов СР методом КРС, в частности для AlAs, нестабильность которого затрудняет исследование дисперсии фононов традиционными методами рассеяния холодных нейтронов.
Практическая ценность работы. Построена диаграмма зависимости скорости встраивания атомов As для системы InAs-GaAs от температуры подложки во время роста и интенсивности падающего потока AS4, на основе которой показана возможность получения высококачественных напряженных СР InAs/GaAs на GaAs(001) и GaAs/InAs на InAs(001) с большим отношением толщин слоев входящих материалов. Установлены основные закономерности формирования прямой и обратной гетерограниц в системе AIAs-GaAs. Определены условия, при которых сегрегация Ga играет существенную роль при формировании прямой гетерограницы. Построена диаграмма сверхструктурных переходов на ростовой поверхности AlAs на GaAs(OOl) с учетом процесса сегрегации Ga. Результаты работы использованы при росте конкретных структур для физических исследований и приборной реализации.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Методика in situ определения отношения потоков атомов элементов III и V групп, непосредственно встраивающихся в растущую пленку.
-
Результаты экспериментальных исследований закономерностей роста напряженных высококачественных СР InAs/GaAs на GaAs(001) и GaAs/InAsHaInAs(001).
-
Механизмы сдвига фазы осцилляции на временных зависимостях интенсивности зеркального рефлекса картины ДБЭ во время роста GaAsHaGaAs(001).
-
Экспериментальные результаты исследования поведения интенсивности зеркального рефлекса картины ДБЭ при формировании прямой и обратной гетерограниц в системе AIAs-GaAs.
-
Построение диаграммы сверхструктурных переходов на ростовой поверхности AlAs на GaAs(001) по экспериментальным данным ДБЭ.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:
VII Всесоюзной конференции по росту кристаллов; Симпозиум по МЛЭ, Москва, 1988 г.
III Международном Симпозиуме по МЛЭ, Велико-Тырново, Болгария, 1989 г.
V Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам, Берлин, ГДР, 1990 г.
VII Международной конференции по микроэлектронике, Минск, 1990 г.
XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников, Киев, 1990 г.
XXII Международном Симпозиуме по полупроводниковым соединениям, Чеджу, Корея, 1995 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, список которых приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 141 страницу, включая 38 рисунков, 2_ таблицы, список цитируемой литературы содержит 139 наименований.
