Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Лазерные гетероструктуры среднего ик-диапазона, гетеровалентные интерфейсы (особенности получения и конструирования)
1.1. Краткая характеристика узкозонных соединений А3В5 с параметром кристаллической решетки близким к InAs 11
1.2. Лазерные гетероструктуры среднего ИК-диапазона на основе антимонидов металлов Ш-группы 19
1.3. Гетероэпитаксия соединений А2В6 на подложках А3В3 и особенности формирования гетеровалентных интерфейсов 25
ГЛАВА 2. Аппаратное обеспечение молекулярно-пучковой эпитаксии и методы диагностики гетероструктур
2.1. Основные принщшы и аппаратное обеспечение молекулярно-пучковой эпитаксии 36
2.2. Методы in situ и ex situ диагностики 42
ГЛАВА 3. Свойства mAs/CdSe/M&Cdi^e гетероструктур, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии
3.1. Свойства твердого раствора MgtCdi^Se кубической модификации 46
3.2. Молекулярно-пучковая элитаксия твердого раствора MgrCdj.Se на подложках InAs (001) 51
3.3. Выращивание слоев M&Cdi-jSe методом эпитаксии с повышенной миграцией атомов на поверхности 60
3.4. Оптические, структурные и электрические свойства слабо напряженных гетероструктур CdSe/ MgrCdi xSe 63
ГЛАВА 4. Особенности формирования и свойства гетеровалентного интерфейса InAs/A2B6
4.1. Формирование гетеровалентного интерфейса InAs/A В 74
4.2. Гибридные гетероструктуры с гетеровалентным InAs/A2B6 интерфейсом . 84
4.3. Электронные свойства гетеровалентного интерфейса InAs/A2B6 93
ГЛАВА 5. Гибридные AlIGau*As>Sbi >/InAs/MgrCdi ISe гетероструктуры для лазеров среднего ик диапазона
5.1. Концепция лазерной гетероструктуры с асимметричными барьерами. 98
5.2 Структурные и оптические свойства гибридных лазерных AlxGai^As^bi.^biAs/MgrCdi-tSe гетероструктур, выращенных методом двухстадийной молекулярно-пучковой эпитаксии 102
5.3. Исследование свойств спонтанного и лазерного излучения гибридных гетероструктур Al^Gai.^As^Sbi.ybiAs/MgrCdi-xSe лазерных диодов. 111
Заключение 117
Цитируемая литература 119
- Лазерные гетероструктуры среднего ИК-диапазона на основе антимонидов металлов Ш-группы
- Основные принщшы и аппаратное обеспечение молекулярно-пучковой эпитаксии
- Выращивание слоев M&Cdi-jSe методом эпитаксии с повышенной миграцией атомов на поверхности
- Гибридные гетероструктуры с гетеровалентным InAs/A2B6 интерфейсом
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
Современное развитие науки и техники требует разработки дешевых и надежных источников когерентного излучения в широком диапазоне длин волн, начиная от ультрафиолетового и заканчивая инфракрасным (ИК). Важное место занимает средний ИК диапазон (2.5—5 мкм), в котором лежат интенсивные линии молекулярного поглощения и важные атмосферные окна прозрачности. Перестраиваемые одномодовые лазеры данного спектрального диапазона идеально подходят для высокочувствительного контроля остаточных газов, а, соответственно, для контроля промышленного производства и мониторинга загрязняющих и токсичных газов [1]. К другим их применениям относятся эффективные источники ИК излучения для волоконных линий связи на основе флюоридных стекол, а также высокомощные лазеры для лазерных радаров и целеуказателей.
Полупроводниковые лазерные диоды вследствие их компактности, высокой эффективности, надежности и дешевизны наиболее привлекательны по сравнению с распространенными твердотельными и газовыми лазерами. Первые полупроводниковые лазерные диоды среднего ИК диапазона были реализованы на основе халькогенидов свинца [2]. Сейчас они активно используются в высокоразрешающей спектроскопии благодаря возможности перекрытия с их помощью широкого диапазона длин волн от 3 до 30 мкм. Однако малые выходные мощности таких лазеров из-за малой теплопроводности халькогенидов свинца, а также недостаточная надежность не позволили найти им более широкого применения.
Большой интерес представляют соединения А В с параметром кристаллической решетки близким к а = 6.1 А, поскольку электронные и оптические свойства гетероструктур на их основе могут варьироваться в широком диапазоне. Уже в начале 1960-х годов появились первые публикации,
5 в которых сообщалось о возможности применения данной группы соединений для получения лазерных диодов, излучающих в среднем ИК-диапазоне. К началу выполнения диссертационной работы (2000 г.) благодаря новым представлениям в области конструирования и технологии получения гетероструктур был сформирован значительный задел в развитии полупроводниковых лазеров на их основе. Однако лазерная генерация в диапазоне длин волн 2.5—5 мкм при инжекционной накачке в непрерывном режиме при комнатной температуре в A3BS лазерах до сих пор не реализована. Наилучшие результаты получены в антимонидных структурах с гетеропереходами П типа с W-образным расположением квантовых ям (КЯ), которые показали генерацию при температуре 200 К на длине волны Я, = 3.25 мкм при непрерывной инжекционной накачке [3]. Однако вследствие специфики зонной структуры узкозонных соединений А3В5 существует ряд проблем, препятствующих достижению высоких рабочих температур и больших мощностей в лазерах среднего ИК диапазона, среди которых основными являются безызлучательные потери на Оже-рекомбинацию и внутризонное поглощение [4], а также токовые утечки через р—n-переход, возникающие вследствие недостаточного электронного ограничения дырок в активной области гетероструктур.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке технологии и конструкции, а также комплексному исследованию гибридных лазерных двойных гетероструктур на основе согласованных по параметру кристаллической решетки соединений А3В5 и А2В6, в которых благодаря новым конструктивным решениям возможно, в частности, подавление токовых утечек носителей из активной области.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.
Цель работы заключалась в проведении зонного конструирования лазерных гетероструктур среднего ИК диапазона на основе системы материалов
6 (Al,Ga,In)(As,Sb) и соединений А2В6, с параметром кристаллической решетки близким к biAs (MgCdSe, ZnTe), а также в разработке и оптимизации технологических режимов молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) этих соединений А2В6 с основным акцентом на проблеме формирования когерентного гетеровалентного интерфейса А3В5/А2В6.
Для достижения поставленной цели, в ходе работы решались следующие основные задачи'.
апробирование различных способов подготовки InAs (001) подложек (или LiAs поверхности в случае гибридных гетероструктур) для дальнейшей МПЭ соединений (Cd, Mg, Zn)(Se, Те);
достижение воспроизводимости процесса отжига подготовленной поверхности InAs (001) и получение требуемой реконструкции поверхности;
отработка различных режимов инициации роста соединений А2В6 на поверхности InAs, включая исследование закономерностей эпитаксии с повышенной миграцией атомов (ЭПМ) слоев MgrCdj-jSe и внедрение туннельно-прозрачного буферного слоя ZnTe;
определение разрывов зон на гетеровалентном интерфейсе InAs/A2B6 в зависимости от способа его формирования посредством исследования:
транспортных свойств двумерного электронного газа в тонкой КЯ InAs с гетеровалентным интерфейсом InAs/A В ;
фото- и электролюминесцентных свойств гибридных гетероструктур с InAs активной областью, в том числе и проявляющей эффекты размерного квантования;
отработка режимов МПЭ твердого раствора MgxCdi-rSe кубической
модификации, обеспечивающих получение эпитаксиальных слоев
высокого структурного качества;
исследование закономерностей встраивания атомов кадмия и магния в твердый раствор MgrCdi-^Se при варьировании режимов роста;
исследование зависимости ширины запрещенной зоны и разрывов зон на гетерогранице CdSe/MgrCdj-jSe от состава твердого раствора MgrCdi-^Se в области малых концентраций магния (х < 0.3);
изучение оптических свойств гетероструктур с псевдоморфными КЯ CdSe между барьерами Mg,Cdi_*Se;
разработка конструкции и технологии гибридных лазерных гетероструктур, излучающих в среднем ИК диапазоне.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит в применении принципиально новой конструкции двойной лазерной гетероструктуры на основе систем материалов (Al, Ga, In)(As, Sb) и (Cd, Mg, Zn)(Se, Те) для получения лазерной генерации в среднем ИК-диапазоне. Среди значимых результатов диссертационной работы следует отметить:
Впервые методом МПЭ выращены слои твердых растворов Mg^Cdi-^Se (0<д:<0,3) кубической модификации на подложках InAs(OOl) и исследованы их структурные, оптические и электронные свойства.
Впервые получены гетероструктуры с КЯ из кубического CdSe между барьерами MgrCdi^Se с интенсивной фотолюминесценцией (ФЛ) в диапазоне энергий 1.8—1.9эВ. Проведенные ФЛ и рентгеновские исследования подтверждают наличие квантового ограничения носителей заряда в слое CdSe, заключенном в барьерах M&Cdi-xSe, и позволяют экспериментально измерить разрывы валентной зоны (ВЗ) и зоны проводимости (ЗП) на MgrCdi_xSe/CdSe гетерогранице.
Предложена методика серной пассивации поверхности подложки InAs (001) с последующим отжигом в условиях сверхвысокого вакуума, позволяющая получать атомарно гладкую поверхность InAs с
8 реконструкцией (2x4)As, пригодную для формирования методом МПЭ структурно совершенного гетероинтерфейса A2B6/InAs.
Впервые получена лазерная генерация в среднем ИК диапазоне при инжекционной накачке КЯ в двойной гибридной гетероструктуре р-AlGaAsSb/n-InAs/n-MgCdSe, выращенной методом двухстадийной МПЭ. Длина волны излучения при 77 К составила X = 2.775 мкм, а пороговая плотность тока Jmp = 3—4 кА/см2.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
При молекулярно-пучковой эпитаксии слоев твердых растворов MgxCdi-jcSe коэффициент встраивания магния ссд^ при температурах 7/7 = 250—350С и соотношении потоков JvilJu ^ 1 практически равен единице и не зависит от давлений в падающих пучках. В этих же условиях атомы Cd частично десорбируются с поверхности роста, причем скорость десорбции уменьшается с увеличением соотношения потоков Jw/Ju.
Твердые растворы Mg^Cdi^Se, формируемые на подложках InAs (001) в условиях сохранения псевдоморфизма в области составов х<0.3, обладают кристаллической структурой сфалерита и прямой структурой энергетических зон.
Псевдоморфные гетероструктуры CdSe/MgcCdi-^Se с решеткой сфалерита проявляют свойства гетеропереходов I типа. Увеличение содержания MgSe в твердом растворе до х<0.3 сопровождается монотонным возрастанием ширины запрещенной зоны и разрывов ВЗ и ЗП, причем разрыв ВЗ можно описать уравнением АЕу=0.66х (эВ).
Инициация роста слоев Mg*Cdi_xSe на (2х4)А8-стабилизированной поверхности InAs (001), пассивированной в водном растворе Na2S, как с использованием режима низкотемпературной (200С) ЭПМ, так и при внедрении ультратонкого буферного слоя ZnTe в режиме обычной
9 МПЭ при 300С приводит к уменьшению плотности протяженных дефектов на гетероинтерфейсе InAs/A2B6 до уровня ниже 106 см""2.
5. Гетеропереход InAs/CdSe, сформированный при начальной выдержке
поверхности InAs под потоком Cd, является переходом II рода, в
котором зона проводимости InAs лежит выше, чем у CdSe, в то время
как внедрение атомов магния в матрицу CdSe, либо использование
туннельно-прозрачного слоя ZnTe, выращенного в Те обогащенных
условиях, приводит к трансформации гетероперехода InAs/A В в тип
I, т. е. к изменению знака разрыва зоны проводимости.
6, Гибридные AlGaAsSb/InAs/(ZnTe)/MgCdSe р—і—п гетероструктуры с
гетеровалентным интерфейсом вблизи активной области
обеспечивают эффективное ограничение электронов и дырок и
пригодны для создания гетероструктур инжекционных лазеров,
излучающих в среднем ИК диапазоне.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах:
XI International Conference on МВБ, Beijing, China, 2000;
XXX International School on the Physics of Semiconducting Compounds, Jaszowiec, Poland, 2001;
International Workshop "Middle Infrared Coherent Sources", St. Petersburg, Russia, 2001;
X International Conference on II-VI Compounds, Bremen, Germany, 2001;
Material Research Society Symposium, Boston, USA, 2001;
International Conference on MBE, San Francisco, USA, 2002;
11th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Saint-Petersburg, Russia, 2003;
3rd International Conference on Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures, Acireale, Italy, 2003.
10 XI International Conference on П-VI Compounds, Niagara Falls, USA, 2003;
VI Всероссийская конференция по физике полупроводников, Санкт-Петербург, Россия, 2003.
Лазерные гетероструктуры среднего ИК-диапазона на основе антимонидов металлов Ш-группы
Основными примесями для легирования соединений АЪ5 являются примеси замещения. В качестве легирующей примеси могут использоваться элементы П, IV и VI групп. Для легирования InAs в качестве доноров и акцепторов используют Si и Be, соответственно, которые позволяют получать высокие уровни легирования, низкие коэффициенты диффузии (Si) и практически единичный коэффициент замещения соответствующих атомов в кристаллической решетке [16]. Для акцепторного легирования слоев антимонидов металлов Ш-группы широко используется бериллий, демонстрирующий высокую растворимость и низкую способность диффузии по кристаллической решетке при достаточно высоких уровнях легирования порядка 10 см и высоких температурах до 530С [17]. В качестве донорной примеси могут использоваться теллур, селен и сера. Наибольшее распространение для получения донорных слоев антимонидов нашел теллур, как в чистом виде, так и в составе различных соединений, например, РЬТе [18].
Значительный прогресс в формировании гетероструктур на основе соединений А3В5 стал возможен благодаря развитию современных методов эпитаксии, таких как молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) и газофазная эпитаксия из паров металлоорганических соединений (ГФЭ МОС).
Технология МПЭ представляет собой метод испарения и конденсации в вакууме, отличающийся высокой прецизионностью и чистотой. Прогресс в МПЭ неразрывно связан с последними достижениями сверхвысоковакуумной техники, благодаря чему появилась возможность обеспечивать внутри ростовой камеры вакуум выше 10" Па, необходимый для формирования молекулярного пучка. Использование режимов, обеспечивающих низкие скорости конденсации вещества, применение чистых источников напыляемых материалов, сверхвысокий вакуум, точный контроль температуры подложки и плотности молекулярных пучков, а также различные методы диагностики растущего слоя определили следующие возможности метода МПЭ: получение гладких бездефектных поверхностей за счет послойного механизма роста; получение сверхтонких слоев с контролем толщины на моноатомном уровне; формирование гетероструктур с резким и заданным по определенному закону профилем изменения состава; создание полупроводниковых структур со сложным профилем легирования. Для МПЭ гетероструктур на основе узкозонных InAs и близких ему по составу твердых растворов в качестве подложек обычно используются InAs и GaSb. В этом случае рассогласование параметров кристаллической решетки между слоями и подложкой не превышает 1%, что является важным при формировании приборных гетероструктур, к которым предъявляется требование высокого структурного совершенства.
В силу близости ковалентных радиусов алюминия и галлия даже значительное отклонение в составе, в металлической подрешетке, не приводит к сильным изменениям в периоде решетки твердых растворов GalnAsSb и AlGaAsSb. В этом случае состав по металлическим компонентам выбирается, исходя из требуемой ширины запрещенной зоны и показателя преломления твердого раствора. Обеспечение согласования параметров решетки с подложкой возможно лишь изменением содержания металлоидных компонентов, что является сложной задачей вследствие неполного встраивания элементов V группы [19, 20]. Доля встраиваемого мышьяка определяется конкуренцией в зависимости от температуры роста, соотношения потоков элементов III и V групп, соотношения As/Sb и скорости роста.
Альтернативой объемным слоям являются короткопериодные сверхрешетки, которые демонстрируют хорошие структурные, оптические и электрические свойства. Преимуществом цифрового режима роста методом МПЭ является тот факт, что состав активной области и барьеров определяется временами осаждения элементов, что позволяет проводить рост структуры в целом без изменения потоков.
К настоящему моменту наиболее развитой является технология получения лазеров ИК-диапазона на основе халькогенидов свинца, которые уже в течение двадцати лет пригодны для коммерческого использования [21]. Они обеспечивают широкий диапазон длин волн при различных температурах и токах, и работают при температурах вплоть до 290 К в импульсном [22] и до 225 К в непрерывном режиме [23]. Однако низкая теплопроводность, присущая халькогенидам свинца, не позволяет использовать эти лазеры для получения высокой выходной мощности при комнатной температуре.
Благодаря новым представлениям в области конструирования гетероструктур и достижениям в области технологии получения эпитаксиальных слоев и интерфейсов за последние годы достигнут значительный прогресс в развитии полупроводниковых лазеров на основе антимонидов и фосфидов элементов Щ-группы, имеющих ряд преимуществ по сравнению с другими источниками когерентного излучения данного спектрального диапазона. Наибольший прогресс был получен для лазерных гетероструктур на основе антимонидов, причем обозначилось два основных направления их развития: гетероструктуры на гетеропереходах I и П типа.
Первые успехи были связаны с использованием лазерных гетероструктур на основе гетеропереходов I типа. Импульс к исследованию структур лазерных диодов среднего ИК-диапазона на основе соединений А В дало развитие жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), позволяющей получать согласованные с подложкой по параметру решетки многокомпонентные твердые растворы и гетероструктуры. Уже в 1976 году было сообщено о получении стимулированного излучения в импульсном режиме при комнатной температуре на длине волны 1.78 мкм в двойной гетероструктуре (ДГС), в которой в качестве активной области и ограничивающих слоев служили GaSb и AlGaAsSb, соответственно [24]. Пороговая плотность тока составила 6.2 кА/см. Улучшения параметров лазерных гетероструктур связаны с использованием в качестве активной области твердого раствора GalnAsSb [25], а также ограничивающих слоев AlGaAsSb с высоким содержанием А1 [26]. Рекордное значение пороговой плотности тока в структуре, выращенной методом ЖФЭ, с 55% содержанием А1, составило 1.5 кА/см , а длина волны при комнатной температуре 2.3 мкм [27]. Путем увеличения содержания In и As в GalnAsSb длина волны лазерной генерации была увеличена до 2.48 мкм [28].
Основные принщшы и аппаратное обеспечение молекулярно-пучковой эпитаксии
На основе экспериментов с модулированными пучками были развиты представления, согласно которым основную роль при МПЭ играют элементарные процессы адсорбции, миграции и десорбции атомов и молекул [63]. В кинетических моделях все процессы описываются при помощи перемегатых — концентраций атомов в адсорбционном слое. Простейшая кинетическая модель МПЭ ZnSe была предложена в работе [64]. В модели не учитывается уменьшение скорости роста при высоких температурах эпитаксии за счет десорбции Se, и она адекватно описывает МПЭ ZnSe лишь при сравнительно низких температурах роста.
Наиболее детальное рассмотрение кинетики роста при МПЭ ZnSe(OOl) было проведено в работах [65] и [66]. В предложенной модели были приняты к рассмотрению четыре основных процесса на поверхности роста: 1. адсорбция атомов в некоторое мобильное промежуточное (физадсорбированное) состояние; 2. десорбция атомов из этого состояния с конечным временем жизни; 3. хемисорбция атомов в состояния на поверхности; 4. десорбция атомов с поверхности в физадсорбированное состояние (де-адсорбция). При этом предполагалось отсутствие адсорбции атомов Zn на поверхности, покрытой Zn, с образованием Zn-Zn связей, и, соответственно, атомов Se на поверхности Se, что обосновывается высоким равновесным давлением пара соответствующих элементов при температуре роста. В модели в качестве подгоночных использовалось шесть параметров: коэффициенты адсорбции атомов Zn и Se в физадсорбированное состояние, константы скорости десорбции и де-адсорбции Zn и Se. Параметры в кинетических уравнениях определялись путем подгонки модели к эксперименту. В целом, кинетические модели дают широкие возможности для детального изучения процессов происходящих на поверхности, в том числе и нестационарных, в чем и состоит их основное преимущество перед термодинамическим подходом. Тем не менее, недостатками кинетических моделей является большое число подгоночных параметров, сложная взаимосвязь параметров кинетической модели и параметров роста и трудность учета взаимодействия атомов в твердом растворе, что делает неэффективным применение кинетического подхода при описании МПЭ твердых растворов.
Учет кинетических ограничений на встраивание атомов при МПЭ соединений А В возможен путем введения соответствующих эмпирических коэффициентов встраивания элементов и нахождения их экспериментальных зависимостей от условий МПЭ роста (7д, соотношения потоков элементов металлов и металлоидов и т. д.) [67]. При таком подходе предполагается, что полный поток от поверхности роста состоит как из равновесной термализованной составляющей, которая учитывается термодинамически через константы равновесия реакций и баланс потоков, так и неравновесной или нетермализованной составляющей (учитывается коэффициент встраивания соответствующего элемента).
Под коэффициентом встраивания атомов элемента П группы понимается эффективная часть полного потока атомов, которая термализуется на поверхности роста и может быть встроена в кристаллическую подрешетку в условиях обогащения поверхности атомами VI группы (и наоборот). В работе было показано, что наиболее летучий элемент, т. е. элемент с максимальным давлением паров (сера) имеет минимальный коэффициент встраивания, и, наоборот — коэффициент встраивания магния является максимальным.
Было обнаружено, что для слоев ZnSe, выращенных при единичном соотношении потоков элементов VI и П группы в измеренном температурном диапазоне (250-350С) не обнаружено существенного изменения скорости роста ZnSe при неизменном потоке Zn, что свидетельствует о независимости а%, ОТ Тп (или о слабой десорбции Zn с поверхности) в указанном температурном диапазоне. В работе [68] было проведено исследование скорости роста ZnSe как функции различных параметров путем наблюдения осцилляции дифракции быстрых электронов (ДБЭ). Было установлено, что при выращивании в Se-стабилизированных условиях уменьшение скорости роста ZnSe наблюдается лишь при температурах более 380С. Следствием этого экспериментального наблюдения является температурная зависимость коэффициента встраивания Se, причем его уменьшение наблюдается при уже с температур порядка 260С. Абсолютное значение а сильно зависит от типа используемого источника Se, уменьшаясь приблизительно в 1.5 раза при переходе от обычного эффузионного источника с 7se=200C к источнику с разложителем с температурой крекинговой зоны 380С. Это, по-видимому, связано с увеличением времени термализации высокотемпературных молекул на поверхности роста.
В работе [67] при изучении МПЭ ZnSe было сделано предположение, что коэффициент встраивания Zn а%, в условиях сильного пересыщения по Se равен единице, что позволило путем построения зависимости скоростей роста слоев ZnSe от соотношения потоков VI и П группы определить абсолютный коэффициент встраивания цинка при стехиометрических условиях роста. В области Se/Zn l коэффициент встраивания Zn не зависит от соотношения потоков Se/Zn, а скорость роста определяется уже потоком Se.
Выращивание слоев M&Cdi-jSe методом эпитаксии с повышенной миграцией атомов на поверхности
Манипулятор подложки состоит из двух частей: механической части (10) для перемещения держателя образца из передающей позиции в ростовую, обеспечивающей также и азимутальное вращение подложки, и электрической части, содержащей нагреватель подложки с термопарой (11), ионизационный манометр Байярда-Альперта (12) и главную заслонку (13).
Для контроля температуры подложки установка МПЭ снабжена вольфрам-рениевой термопарой, измеряющей из-за конструктивных особенностей установки температуру молибденового держателя подложки. Приклейка подложки на молибденовый держатель осуществляется вручную при помощи индиевого припоя, и, таким образом, является важным этапом, от которого зависит точность определения температуры подложки. Другой не менее важной задачей является обеспечение стабилизации теплового режима на стадии роста. В установках МПЭ предусмотрено автоматическое регулирование температуры за счет создания обратной связи между ЭДС на термопаре и мощностью, подаваемой на нагреватель подложки. Тем не менее, если термопара не находится в прямом контакте с держателем образца, автоматически не удается добиться поддержания постоянства температуры роста. При фиксированных молекулярных потоках это обстоятельство приводит к изменению состава кристаллизуемых твердых растворов. Одной из причин изменения состава твердого раствора в процессе эпитаксии может служить отсутствие стабилизации Тп перед началом эпитаксии, так как при пониженных температурах эпитаксии требуется довольно значительное время (до получаса) для установления теплового равновесия.
Установка МПЭ, предназначенная для отжига подложек, специально оборудована инфракрасным пирометром, принцип действия которого основан на измерении интенсивности инфракрасного излучения, испускаемого разогретым телом, в узком спектральном диапазоне. Промышленные модели оптических пирометров различаются как по спектру чувствительности, так и по шкале измеряемого диапазона температур. Для корректного измерения температуры объекта также необходимо знать его излучательную способность (коэффициент серости тела), для установки которой предусмотрен регулятор эмиссивности. Кроме того, на точность показаний пирометра оказывают влияние тепловые помехи от нагревателей эффузионных ячеек и подложки, степень запыления наблюдательного окна, толщина подложки и ее тип и т. д., а также изменение излучательной способности поверхности роста в процессе МПЭ. Для измерения температуры подложки был использован волоконно-оптический инфракрасный пирометр MICRON-680-1-0450-2000-CHL, рабочий диапазон температур которого составляет 450-2000С со спектральной чувствительностью в диапазоне 0.78-1.06 мкм.
В торцевой части установки находится испарительный блок (14), содержащий восемь портов для размещения эффузионных источников (15), Также там предусмотрено окно для инфракрасного оптического пирометра (17) и входы-выходы двух криопанелей, через которые заливается хладогент (18).
Каждый эффузионный источник (19) состоит из тигля с испаряемым веществом, резистивного нагревателя и экрана для уменьшения тепловых потерь. В качестве материала тигля используется пиролитический нитрид бора, который химически слабо активен вплоть до температур порядка 1500С. Температуры испарительных ячеек контролируются с помощью вольфрам-рениевых термопар и могут регулироваться независимо друг от друга, что позволяет управлять соотношением интенсивностей молекулярных пучков. Каждая испарительная ячейка снабжена индивидуальной заслонкой с пневматическим приводом к вакуумному вводу вращения (16), что обеспечивает автономное прерывание молекулярных пучков. Время срабатывания заслонки, т. е. перекрытия молекулярного пучка, составляет около 0.1 с. Это заметно меньше времени выращивания одного монослоя при типичной для МПЭ скорости роста (менее 1 мкм/ч).
Помимо обычного эффузионного источника молекулярного пучка Se использовался также модифицированный источник с высокотемпературным разложителем и клапаном с регулируемой апертурой, предназначенный по спецификации для испарения под мышьяк (RJBER. VAC 500 As valved cracking cell). Модификация заключалась в замене молибденовых частей конструкции на танталовые с целью предотвращения их химического взаимодействия с расплавленным селеном. Среди преимуществ крекингового источника по сравнению со стандартным твердотельным источником можно выделить следующие: возможность быстро и прецизионно изменять интенсивность потока Se в диапазоне до нескольких порядков величины без изменения температуры загрузки; повышение стабильности молекулярного потока селена во времени; увеличение максимальной загрузки материала, что позволяет проводить более 300 эпитаксиальных процессов без вскрытий камеры роста на атмосферу для перезарядки источника; возможность предотвращения взаимодействия фоновых потоков селена с поверхностью подложки, которое имеет место при использовании обычного бесклапанного источника. Источник VAC500 состоит из двух функциональных частей: 1 — цилиндрический титановый резервуар с материалом и регулировочный клапан; 2 — передаточная труба (transfer tube) и высокотемпературная зона (рис. 2.2). При использовании источника необходимо согласование температурных режимов объемной, передаточной и крекинговой зон. Для МПЭ структур на основе соединений А2В6 в качестве материалов источников использовались сверхвысокочистые материалы: элементарные Zn(6N), Se(6N), Cd(6N), Mg(5N), Te(6N). Для n-легирования использовался ZnCl2(5N).
Гибридные гетероструктуры с гетеровалентным InAs/A2B6 интерфейсом
Свойства твердого раствора MgrCdi Se практически не изучены и количество работ, в которых существует хотя бы упоминание о нем, сильно ограничено. В работах [95, 96] о твердом растворе Mg Cdi Se упоминается лишь косвенно, и основное внимание уделяется твердому раствору ZnMgCdSe, который может использоваться в "сине-зеленых" и "желтых" лазерах, соответственно. В работе [97] слои MgcCdi_rSe кубической модификации предлагается использовать в качестве эмиттеров лазерной гетероструктуры, излучающей в зеленой части спектрального диапазона. Однако никаких систематических исследований свойств MgxCdi_ Se в рамках этой работы проведено не было.
Исключением является работа [98], в которой сообщается о комплексных исследованиях оптических, электрических и структурных свойств объемных кристаллов MgrCdi-xSe. Для получения кристаллов авторы использовали метод Бриджмана, в связи с чем кристаллизация MgcCd Se осуществлялась в равновесной для него гексагональной структуре. Подобных работ, посвященных свойствам кубического твердого раствора Mg Cdi Se, полученного методом МПЭ, нет, и вся информация касается лишь бинарных соединений CdSe и MgSe.
В частности, селенид кадмия привлекает к себе внимание как основной материал для создания газоанализаторов, в частности, детекторов кислорода [99]. Также на его основе возможно получение поляризационных материалов, например, четверть- и полуволновых пластинок для работы с излучением СО- и С02-лазеров. С развитием технологии МПЭ появились работы, посвященные исследованиям свойств кубического CdSe, выращенного на сильно рассогласованной по параметру решетки подложке GaAs [100, 101]. Селенид кадмия стал активно исследоваться в связи с возможностью его применения в качестве материала активной области сине-зеленых лазеров на основе халькогенидов цинка [102, 103]. К настоящему моменту времени хорошо изучены свойства и аспекты МПЭ роста твердых растворов Zni Cd Se, кристаллизующихся в решетке сфалерита [6, 67]. Кроме того, большое внимание уделяется вопросам получения и формирования квантово-размерных наноостровков CdSe в матрице ZnSe. В таких структурах вследствие большого рассогласования по параметру решетки с подложкой GaAs (7%) плоскости CdSe толщиной до З МС, вставленные в матрицу ZnSe, трансформируются в уширенный градиентный твердый раствор Zni_xCdxSe, содержащий обогащенные селенидом кадмия квантовые диски, которые играют роль центров локализации и излучательной рекомбинации [104].
Свойства селенида магния со структурой сфалерита также слабо изучены, а приводимые значения параметров носят оценочный характер [105]. В основном селенид магния представляет интерес как компонент твердого раствора MgtZni S Sei. , который используется в качестве эмиттеров при формировании лазерных структур, излучающих в сине-зеленом диапазоне [106].
Таким образом, все сведения, касающиеся свойств объемных CdSe и MgSe, кристаллизующихся в решетке цинковой обманки, представляются крайне противоречивыми, а информация о МПЭ слоев твердого раствора Mg Cdi_xSe кубической модификации практически отсутствует.
Одной из целей диссертационной работы стало изучение свойств твердого раствора MgrCdi-xSe кубической модификации, полученного методом МПЭ. Для этого в связи с доступностью качественных подложек InAs (001), а также небольшим рассогласованием параметров решетки CdSe и InAs, которое составляет всего 0.3% (см. рис. 1.1), в качестве объекта исследований была выбрана гетеропара InAs/CdSe. Основные параметры CdSe и MgSe, а также ряда других соединений с параметром решетки близким к а = 6.1 А, приведены в табл. 3.1. Вследствие отсутствия достоверных данных относительно упругих постоянных для MgSe, предполагалось, что c j(MgSe) = c /(ZnS), принимая во внимание кристаллографическое сходство изоэлектронных аналогов.
Добавление атомов магния в матрицу CdSe приводит к образованию твердого раствора MgcCdi_xSe. С увеличением содержания магния х параметр кристаллической решетки твердого раствора MgrCdi-xSe, кристаллизующегося в решетке цинковой обманки, изменяется в соответствии с правилом Вегарда: где ctMgSe и ctcdse— параметры кристаллической решетки MgSe и CdSe кубической модификации. При х = 0.1 параметры решетки твердого раствора MgrCdi-jSe и подложки InAs (001) практически совпадают.
Исходя из структурных свойств селенидов кадмия и магния, следует, что равновесной модификацией твердого раствора Mg Cdi e является гексагональная кристаллическая структура. Однако, несмотря на это, начальные стадии роста при любом рассогласовании параметров решетки слоя MgtCdi- Se и подложки mAs (001) протекают по механизму псевдоморфизма. В этом случае слои Mg ;Cdi_xSe заимствуют симметрию кристаллической решетки у подложки InAs и кристаллизуются в решетке сфалерита. При этом все несоответствие межатомного расстояния компенсируется упругими смещениями атомов из своих положений равновесия, благодаря чему обеспечивается когерентность гетерограницы.
В общем случае упругая адаптация кристаллических решеток в плоскости гетерограницы приводит к появлению внешних упругих напряжений, которые называются напряжениями несоответствия. В случае, когда структура сопрягаемых фаз имеет кубическую симметрию, когерентное срастание в плоскости (001) сопровождается тетрагональными искажениями кристаллической решетки. Различными оказываются и периоды решеток в направлениях, перпендикулярном и параллельном плоскости гетерограницы.
Упруго напряженное состояние слоя будет сохраняться до тех пор, пока упругой энергии не окажется достаточно для образования так называемых дислокаций несоответствия. Максимальная толщина слоя, при которой сохраняется его псевдоморфное состояние, называется критической толщиной. Существует множество моделей, позволяющих количественно оценить этот параметр, но наиболее используемыми являются модели Мэттьюза-Блэксли [107] и Пипла-Бина [108].
