Введение к работе
Актуальность темы. Многие годы усилия исследователей сконцентрированы на
изучении физических свойств полупроводниковых твердых растворов (ТР) AlxGai_xAs и
GaxIni_xP, поскольку тонкие пленки на их основе являются базисом для большинства опто-
электронных компонентов, гетеролазеров, а также элементов эффективных солнечных фо
топреобразователей. Разработка любого из вышеперечисленных устройств требует от по
лупроводникового эпитаксиального материала определенных стабильных электрических и
оптических свойств. Существенно изменять такие свойства можно посредствам введения
небольшого количества примесей и дефектов. Однако, если один тип дефектов может ока
заться полезным, то другой может сделать будущий прибор некачественным.
Известно, что высокая химическая активность редкоземельных элементов обеспечивает связывание примесных атомов, залечивание вакансий и уменьшение вероятности образования антиструктурных дефектов. Они также способствуют снятию напряжений в кристаллической решетке эпитаксиального ТР и его «очищению» от дефектов. Кроме того, поскольку редкоземельные элементы обладают сильными магнитными свойствами, введение их в полупроводниковые ТР на основе А В открывает новые возможности таких материалов за счет взаимодействия свободных носителей и магнитных ионов. Несмотря на теоретическую возможность полного согласования параметров между эпитаксиальным слоем и подложкой, в реальных технологических условиях эти параметры оказываются несколько рассогласованными, что приводит к возникновению в пленке внутренних напряжений. Поэтому большой интерес представляет проблема влияния преднамеренного и непреднамеренного легирования, в том числе элементами четвертой группы кремнием и углеродом, на возможность полного согласования параметров пленки и подложки для тройных ТР различных составов в системе AlGaAs/GaAs(100).
Цель работы. Исследование особенностей атомного и электронного строения, оптических свойств полупроводниковых гетероструктур на основе тройных ТР GalnP и AlGaAs, легированных редкоземельными элементами и элементами четвертой группы -углеродом и кремнием. Выявление технологических условий роста, позволяющих получить наиболее согласованные по параметрам гетероструктуры.
Основные задачи исследования:
определение параметров эпитаксиальных ТР GaxIni_xP:Dy, AlxGai_xAs:C и AlxGai_ xAs:Si, а также влияния легирования на степень их согласования с параметрами подложки GaAs (100) методом рентгеновской дифракции;
получение данных о морфологии поверхности и элементном составе эпитаксиальных пленок методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием микроанализа (МА);
изучение особенностей ИК-решеточных спектров отражения в области однофонон-ного резонанса методом ИК-спектроскопии;
исследование фотолюминесцентных (ФЛ) свойств образцов гетероструктур для определения энергетического спектра эпитаксиальных слоев в условиях непреднамеренного легирования углеродом;
получение данных об особенностях состава и энергетического спектра методом Ра-мановской спектроскопии;
изучение влияния легирования редкоземельными элементами и роста пленки на буферном пористом слое на свойства эпитаксиальных гетероструктур GaxIni_xP/GaAs(100).
Объекты и методы исследования. В работе исследовались гетероструктуры, из
готовленные в лаборатории «Полупроводниковой люминесценции и инжекпионных излу
чателей» Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.
На монокристаллических подложках GaAs с ориентацией (100) химическим осаждением из газовой фазы путем разложения металлорганических соединений и гидридов (МОСГФЭ), а также жидкофазной эпитаксией (ЖФЭ), были выращены монокристаллические пленки ТР GaxIni_xP с различным содержанием индия и галлия в металлической под-решетке и относительно одинаковой толщины.
Также в работе исследовались образцы, представляющие собой гомоэпитаксиаль-ные структуры GaAs :Si/GaAs( 100) и гетероструктуры AlxGai_xAs:C/GaAs(100) и AlxGai_ xAs:Si/GaAs(100) легированные углеродом и кремнием, выращенные методом МОСГФЭ.
Анализ влияния эффектов легирования на свойства исследуемых материалов производился неразрушающими методами, позволяющими получать прямые данные о структуре, оптических характеристиках, морфологии и энергетическом спектре. В данной работе использовался комплекс структурных и спектроскопических методов: рентгеновская дифрактометрия (РД), сканирующая электронная и атомно-силовая микроскопия (СЭМ и АСМ), Рамановская и ИК-спектроскопия, фотолюминесцентная (ФЛ) спектроскопия.
Научная новизна определяется тем, что:
Обнаружено влияние легирования диспрозием на увеличение композиционной однородности ТР Gaxbii_xP:Dy.
Впервые экспериментально установлена и обоснована возможность полного согласования параметров кристаллических решеток ТР AlxGai_xAs различных составов с монокристаллической подложкой GaAs (100) за счет управляемого введения концентраций легирующих элементов кремния и углерода в AlGaAs.
Обнаружены нанокластеры углерода, образующиеся при выращивании ТР AlxGai_ xAs в условиях пониженной температуры методом МОСГФЭ в результате автолегирования высокими концентрапями атомов углерода.
Разработана методика регистрации запрещенного рефлекса (600) в гетерострукту-рах А3В5 на больших брэгговских углах отражения, позволяющая производить прецизионные измерения параметров компонент гетероструктур с точностью до четвертого знака с использованием в качестве репера дифракционной линии (600) подложки GaAs (100).
Практическая значимость результатов работы заключается в определении оп
тимальных технологических условий получения гетероструктур на подложке GaAs (100)
на основе применения комплекса неразрушающих методов рентгеноструктурного анализа,
ИК, Рамановской, ФЛ спектроскопии и растровой электронной микроскопии, которые по
зволяют получать фундаментальные характеристики гетероструктур - параметры кристал
лической решетки ТР, механические напряжения, возникающие в системе пленка / под
ложка, атомный состав и оптические свойства.
Моделирование технологических процессов эпитаксиального выращивания ТР в координатах: параметр решетки - состав - температура - давление позволяет определить оптимальные режимы получения полупроводниковых гетероструктур на основе гетеропа-ры AlGaAs - GaAs с полностью согласованными параметрами решетки путем растворения кремния в кристаллической решетке AlxGai_xAs.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием
современной экспериментальной техники, применением современных и независимых ме
тодов обработки данных и воспроизведением обнаруженных эффектов в ряде зарубежных
авторов. Достоверность созданных компьютерных моделей подтверждается использова-
ниєм современного программного обеспечения, а также согласованностью с имеющимися экспериментальными данными.
Научные положения, выносимые на защиту.
Определение оптимальных технологических условий наилучшего согласования параметров решеток при эпитаксиальном выращивании гетероструктур GaxIni_xP/GaAs (100) методом химического осаждения из газовой фазы МОСГФЭ.
Однородность состава ТР в жидкофазных гетероструктурах Gao;48lno,52P:Dy/GaAs(100), достигаемая путем легирования атомами диспрозия, в результате чего трехкратно уменьшается полуширина дифракционной линии (600) эпитаксиального слоя.
Релаксация напряжений в гетеропаре пленка / подложка в результате создания дополнительного пористого слоя в гетероструктуре GaxIn1.xP:Dy/por-GaAs/GaAs(100) в качестве буферного при наличии рассогласование параметров между тройным ТР и подложкой m = 0,0019.
Образование нанокластеров углерода происходит в результате автолегирования методом МОСГФЭ в условиях роста при пониженной температуре (Т ~ 550С в реакторе) ТР AlxGai_xAs:C высокими концентрациями атомов углерода С<1 ат.%.
Полное согласование параметров кристаллических решеток пленки с подложкой Ао=0 при растворении атомов кремния в ТР AlxGai_xAs с образованием четверного ТР в широкой области измерения х: 0,25<х<0,4, в условиях выполнения обобщенного закона Вегарда для четырехкомпонентной системы ТР AlxGai_xAsi_ySiy.
Личный вклад автора. Настоящая работа выполнена на кафедре Физики твердого тела и наноструктур Воронежского госуниверситета и проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры, а также грантов РФФИ и AWG. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором осуществлено обоснование метода исследования и проведены экспериментальные исследования. Совместно с научным руководителем проведен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на П и Ш Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых учёных по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2009), NATO Workshop "Advanced Materials and Technologies for Micro/Nano-Devices, Sensors and Actuators" (Санкт-Петербург, 2009), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 2009), X Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2009), V Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» «Фагран - 2010» (Воронеж, 2010), XVII Международной молодежной конференции «Ломоносов» (Москва, 2010), 18-th International Symposium 'T4anostractures: Physics and Technology" (Владивосток, 2010), 13-й научной молодежной школы по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наносистем» (Санкт-Петербург, 2010).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 7-й печатных работах в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ, из которых 3 статьи в зарубежных научных журналах. Кроме того, 9 работ опубликованы в трудах конференций.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения с выводами, изложенных на 155 страницах машинописного текста, включая 42 рисунка, 16 таблиц и список литературы из 159 наименований.
Похожие диссертации на Структурные и оптические исследования легированных эпитаксиальных гетероструктур на основе A3B5
