Структурно-фазовые превращения на поверхности арсенидов галлия и индия в процессе взаимодействия с селеном Кузубов Сергей Вячеславович

Введение к работе

Актуальность темы. Атомно-гладкие, химически чистые поверхности полупроводников и резкие границы раздела необходимы для создания искусственных полупроводниковых микроструктур, в которых реализуются электронные явления в сверхтонких (квантоворазмерных) слоях и областях гетероструктур, с которыми, в частности, связано новое направление развития полупроводниковой электроники -наноэлектроника.

Многие оптоэлектронные устройства и твёрдотельные элементы с повышенным быстродействием в своей основе используют полупроводниковые соединения A^IHB^v(GaAs, InP, ALAs).

Однако до настоящего времени практическая реализация приборов на основе различных материалов класса A^lnB^v сдерживается проблемой формирования совершенной границы раздела в гетероструктурах металл - A^lnB^v и диэлектрик -A^lnB^v ввиду высокой плотности поверхностных электронных состояний (ПЭС) на этих границах раздела.

Известно, что снижение плотности ПЭС может быть обусловлено реконструкцией поверхностей полупроводников A^lnB^v. Реконструированное состояние полупроводников A^lnB^v наблюдается in situ только на сколотых или очищенных в сверх высоком вакууме (СВВ) поверхностях полупроводников A^lnB^v, в том числе и с адсорбированным монослоем халькогена.

В последние годы разрабатывается халькогенная предварительная обработка поверхности полупроводников с целью снижения ПЭС. Она также применяется для создания гетероструктур на основе полупроводников A^lnB^v. Модификация поверхности A^lnB^v атомами серы или селена, позволяет в принципе осуществлять как химическую, так и электронную пассивацию поверхности. Использование халькогенной пассивации, с одной стороны, позволяет улучшить характеристики различных приборов за счёт существенного уменьшения плотности ПЭС и снижения скорости поверхностной рекомбинации, а с другой стороны, позволяет существенно замедлить процессы окисления полупроводниковой поверхности в атмосфере. В результате такой химической пассивации с поверхности полупроводника удаляется слой окисла, вместо которого формируется тонкая кристаллическая плёнка химически инертного материала. Эта плёнка и выполняет функции сверхтонкого буферного слоя, защищая поверхность подложки от контакта с агрессивными компонентами ростовой среды. Необходимо отметить, что для подложек InAs подобные исследования практически отсутствуют.

Ранее показано, что обработка в парах халькогена приводит к формированию наноразмерных гетероструктур типа полупроводниковый слой соединения A^ln₂B^VI₃ на подложке из полупроводника A^lnB^v, что открывает пути к практической реализации новых различных типов классов приборов на основе A^lnB^v, в частности, солнечных элементов и светодиодов.

В современной литературе представлено большое количество работ, посвященных процессу формирования гетероструктур A^nl2B^VI₃/A^lnB^v, однако вопрос о механизме и кинетике образования новой фазы и структуры формирующейся гетерограницы в процессе реакции гетеровалентного замещения (ГВЗ) мышьяка на селен и, особенно на начальных стадиях процесса, до сих пор остается открытым.

Поскольку именно эти процессы обуславливают структурное совершенство и функциональные характеристики данного класса гетеропереходов целью работы являлось установление закономерностей образования новой фазы на поверхности GaAs и InAs в процессе взаимодействия с селеном.

Работа выполнялась в рамках тематического плана ГБ НИР «Физико-химические основы формирования наноразмерных гетерофазных систем в процессе гетеровалентного замещения» (№ гос.per. 1.1.09) и ГБ НИР «Физико-химические процессы в объёме и на границе раздела в неоднородных твёрдотельных системах» (№ гос.per. 01960012699) кафедры физики Воронежской государственной технологической академии.

Основными задачами исследования, исходя из поставленной цели, являются:

1. Выбор термодинамических условий проведения процессов ГВЗ
отвечающих начальным стадиям образования новой фазы на поверхности GaAs и
InAs при взаимодействии с селеном.

1. Изучение условий получения атомно-гладкой поверхности подложек из GaAs и InAs.

2. Исследование кинетики образования слоев из селенидов галлия и индия на поверхностях подложек соответственно из GaAs и InAs в процессе термической обработки их в парах селена.

4. Исследование топологии и кристаллической структуры поверхности
подложек из GaAs(lOO), GaAs(lll), InAs(lOO) и InAs(lll) обработанных в парах
селена в диапазоне температур и времен процесса, соответствующих начальной
стадии реакции ГВЗ.

Объекты и методы исследования. Исследовались монокристаллические подложки арсенида галлия электронного типа проводимости марки АГЧ-25а <100> толщиной (390 ± 5) мкм, АГЧ-25а <111> В толщиной (390 ± 5) мкм и арсенида индия: ИМЭА-2а <111> В толщиной (350 ± 5) мкм, ИМЭА-2а <100> толщиной (350 ± 5) мкм исходные и обработанные в парах селена. Процессы ГВЗ проводились в СВВ в камере квазизамкнутого объёма (КЗО) в процессе термического отжига.

Исследование кристаллической структуры гетерограниц GaAs(100)-Ga₂Se₃, GaAs(l 1 l)-Ga₂Se₃, InAs(100)-In₂Se₃ и InAs(l 1 l)-In₂Se₃ проводилось в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) Hitachi Н-800 при ускоряющем напряжении 200 кВ и электронографии «на отражение» с помощью электронографа ЭГ-100М. Рельеф поверхности подложек контролировался на атомно-силовом микроскопе (АСМ) Solver-Pro (НТ-МДТ) и сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) JEOP-JSM-6380ГА с системой энерго-дисперсионного анализа ПЧСА-250 для изучения элементного состава поверхности образцов методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА). Толщина образовавшихся пленок халькогенида определялась на эллипсометре ЛЭФ-ЗМ и в некоторых случаях по сколу в СЭМ.

Научная новизна. Обнаружены псевдоморфные к подложке GaAs ГЦК фаза Ga₂Se₃(100) со структурой сфалерита, имеющая 25% упорядоченных вакансий и ГЦК фаза Ga₂Se₃(lll) со структурой сфалерита, имеющая 33% упорядоченных стехиометрических вакансий. При этом в изучаемых гетероструктурах GaAs-Ga₂Se₃

поверхность GaAs(lOO) реконструирована по типу (2x2) и GaAs(lll) по типу (V3xV3)-R30⁰.

Идентифицированы псевдоморфная ГЦК фаза In₂Se₃(l 11) со структурой сфалерита, имеющая 33% упорядоченных стехиометрических вакансий. Определена реконструкция поверхности InAs(lll) по типу (V3xV3)-R30 в гетероструктуре InAs-In₂Se₃ с 33%) упорядоченных стехиометрических вакансий в плёнке In₂Se₃.

Впервые реконструкция поверхности полупроводника A^lnB^v идентифицируется по дифракционным изображениям в ПЭМ в гетероструктурах GaAs( 100)-Ga₂Se₃, GaAs( 111 )-Ga₂Se₃, InAs( 100)-In₂Se₃ и InAs( 111 )-In₂Se₃.

Практическая значимость. В данной работе были получены гетероструктуры GaAs(100)-Ga₂Se₃, GaAs(lll)-Ga₂Se₃, InAs(100)-In₂Se₃ и InAs(lll)-In₂Se₃, в которых сохраняется реконструкция подложки за счёт стабилизирующего действия псевдоморфной плёнки A^ln₂B^VI₂. Эти гетероструктуры могут быть использованы, например, в фотопреобразователях солнечной энергии. Обработка в парах селена может быть использована для пассивации поверхностей арсенидов галлия и индия. Установлен факт ювенилизации поверхности арсенида галлия в результате обработки её в парах селена.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Стабилизация реконструкции GaAs(100)(2x2) псевдоморфным слоем
Ga₂Se₃, а также реконструкции GaAs(lll)(V3xV3)R-30 и InAs(lll)(V3xV3)R-30
псевдоморфными слоями Ga₂Se₃ и In₂Se₃, соответственно. В слоях селенидов A^ln₂Se₃
стехиометрические вакансии в катионной решётки упорядочиваются коррелированно
с типом реконструкции подложки.

3. Происходящая при обработке в парах селена поверхности GaAs(lOO) (Т_п=(600-620) К и времени обработки (5-15) минут) и InAs(lOO) (Т_п=(500-550) К и времени обработки (5-15) минут) реакция ГВЗ анионов приводит к образованию псевдоморфных к подложке релаксированных слоев ГПК фаз Ga₂Se₃(100) и In₂Se₃(100) со структурой сфалерита, соответственно.

4. С увеличением времени обработки в парах селена поверхности InAs(lOO) образуется тонкая плёнка ГЦК фазы со структурой сфалерита In₂Se₃ (а=5.460 А), в которой стехиометрические вакансии не упорядочены.

5. В исследованном диапазоне температур скорость образования селенидов вначале ограничена диссоциацией полупроводников A^lnB^v, а затем диффузией компонентов реакции через слой селенида. При этом для подложек InAs(lOO) наблюдается нарушение условия квазистационарности процесса ГВЗ

5. Процесс ювенилизации поверхности арсенида галлия в результате
обработки в парах селена при Т_п=(600-620) К и времени (5-15) минут объясняется
двухстадийным механизмом формирования слоя селенида галлия. Нарушение
квазистационарности протекания двух механизмов в случае ГВЗ в InAs не позволяет
получить ювенильную поверхность подложки в этом случае.

Личный вклад автора. Постановка задачи и определение направлений исследований осуществлялись д. ф.-м. н., профессором Н.Н. Безрядиным Проведение основных экспериментов осуществлено автором лично. На некоторых этапах в работе принимали участие к.ф.-м. н., доцент Г.И. Котов, к.т.н., доцент Б.Л. Агапов.

Обсуждение результатов на протяжении всей работы проведены вместе с д. ф.-м. н., профессором Н.Н. Безрядиным, к.ф.-м. н., доцентом Г.И. Котовым.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXI Российской конференции по электронной микроскопии «ЭМ'2006» (Черноголовка, 2006г.), XII и XIII национальной конференции по росту кристаллов (НКРК - 2006, 2008) (Москва, 2006 г., 2008г.), III Всероссийской конференции (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология» (Санкт-Петербург, Хилово, 2006г.), X международной конференции «Арсенид галлия и полупроводниковые соединения группы III-V» (Томск, 2006 г.), Молодёжная конференция (Санкт-Петербург, 2007 г.), VIII Российской конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 2007г.), International Conference «Crystal Materials'2010» (ICCM'2010) (Kharkov, Ukraine, 2010), а также на отчетных научных конференциях ВГТА за 2006, 2007, 2008, 2009 года (Воронеж, 2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 21 печатных работах, из которых 4 статьи в журналах рекомендованных ВАК, 4 публикации в журналах, не входящих в перечень ВАК и 13 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 157 страниц машинописного текста, 47 рисунков, 13 таблиц и по структуре состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 172 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

Похожие диссертации на Структурно-фазовые превращения на поверхности арсенидов галлия и индия в процессе взаимодействия с селеном

Структурно-фазовые превращения на поверхностях ионных кристаллов, обусловленные совместным действием электрического и нестационарного теплового полейСтерелюхин Андрей Александрович

Молекулярно-динамическое моделирование структурных и фазовых превращений в свободных нанокластерах и наночастицах на поверхности твердого телаБембель, Алексей Глебович

Термофлуктуационная модель фазовых превращений и ее применение к анализу структурно-напраженного состояния поверхности в задачах лазерной термообработки сплавов на основе железо-углеродГуреев, Дмитрий Михайлович

Воздействие ультразвукового поля и пониженной силы тяжести на электрофизические свойства и структуру монокристаллического арсенида галлияФицуков, Михаил Михайлович

Исследование структурных дефектов монокристаллического арсенида галлия рентгенотопографическим методом на основе эффекта БорманаБуйлов Алексей Николаевич

Нанокомпозитные пленки германия и арсенида галлия : Методика получения, локальная атомная структура, электрофизические и фотоэлектрические свойстваВалеев Ришат Галеевич

Формирование дефектной структуры и свойства арсенида галлия, облученного ионами аргона низких энергий Алалыкин Александр Сергеевич

Эффект фотопьезоэлектрического индуцирования упругих колебаний в высокоомных монокристаллах арсенида галлияРуденко Анатолий Александрович

Квантовый транспорт в вертикальных двойных квантовых точках на основе арсенида галлия при сверхнизких температурахБадрутдинов, Александр Олегович

Исследование межэлектронного взаимодействия в двумерных и квази-одномерных системах в арсениде галлияПрокудина, Мария Геннадьевна