СУБСТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ А3В5 Середин, Павел Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

Уникальность свойств многослойных гетероструктур определяется атомными и электронными процессами, протекающими как в самих слоях, так и на границах между слоями. В связи с этим происходит постоянная модернизация технологий получения этих структур одновременно с развитием прецизионных методов диагностики и теории явлений в низкоразмерных системах.

Полупроводниковые соединения A₃B₅ и твердые растворы на их основе, в которых можно управлять шириной запрещенной зоны путем изменения состава, получать сверхструктурные фазы и доменную структуру, остаются в центре внимания исследователей в области полупроводниковой оптоэлектроники. Эти твердые растворы (ТР) имеют положительную энтальпию образования, что создает возможность их спонтанного распада при определенных температурах. В результате распада ТР могут самопроизвольно возникать структурные и фазовые неоднородности, в том числе сверхструктурные фазы упорядочения с образованием доменной структуры. Такие сложные системы наряду с бинарными соединениями А₃В₅ являются исходными материалами для компонентов микро и оптоэлектронных устройств.

Спонтанное возникновение периодически упорядоченных структур на поверхности и в эпитаксиальных пленках полупроводников охватывает широкий круг явлений в физике твердого тела и в полупроводниковой технологии, обусловленных процессами самоорганизации в конденсированных средах. Взрыв интереса к данной области связан с необходимостью получения полупроводниковых наноструктур с характерными размерами <100 нм. Спонтанное упорядочение наноструктур позволяет получать включения узкозонных полупроводников в широкозонной матрице и наоборот, и тем самым создавать локализующий потенциал для носителей тока. Периодические структуры таких включений могут образовывать сверхрешетки, состоящие из квантовых ям, проводов или точек. Явления спонтанного возникновения наноструктур создают основу для новой технологии получения упорядоченных массивов неоднородностей — базу для опто- и микроэлектроники нового поколения.

Актуальность проблемы упорядочения в то же время связана и с модификацией фундаментальных свойств полупроводниковых систем, обусловленной изменением симметрии сфалеритной структуры соединений А³В⁵, следствием которого является возможное изменение ширины запрещенной зоны, переход от непрямозонного к прямозонному полупроводнику, инверсному порядку следования зон, усложнению оптических спектров сверхструктурных фаз в результате снятия вырождения с состояний потолка валентной зоны и дна зоны проводимости.

Обзор современной литературы дает представление о спонтанном упорядочении и образовании наноразмерных неоднородностей в твердых растворах на основе III- V. Однако, хорошо развитые теоретические представления в этих работах зачастую не подкреплены экспериментально. Потому экспериментальные исследования возникновения наноструктур в результате упорядочения или распадов в системах твердых растворов для достаточно хорошо согласованных по параметрам решетки твердых растворов Al_xGa_1-xAs, Ga_xIn_1-xP, Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y, а также в метаморфных ТР In_xGa_1-xAs и многослойных структурах являются актуальными и практически важными.

Очевидно, что прогресс в экспериментальном изучении физических свойств квантоворазмерных структур тесно связан с развитием технологии их получения и в значительной мере им и определяется. Изготовление квантово-размерных структур в большинстве случаев требует создания полупроводниковых гетеропереходов с необходимыми свойствами. Для создания структур с двумерным электронным газом на основе гетеропереходов основным условием является требование близости параметров кристаллических решеток у обоих полупроводников, образующих гетеропару. Нарушение этого условия может привести к образованию высокой плотности дислокаций несоответствия вблизи гетерограницы, что резко ухудшает свойства переходов и делает невозможным наблюдение эффектов размерного квантования.

Поэтому моделирование физических процессов в полупроводниковой технологии, позволяющих выявлять оптимальные режимы получения ненапряженных эпитаксиальных слоев твердых растворов А₃В₅ максимально согласованных с параметром решетки монокристаллической подложки, в том числе с помощью легирования высокими концентрациями, по-прежнему остаются одной из актуальных задач современной физики и технологии полупроводниковых гетероструктур.

Такие исследования проводятся в данной диссертационной работе.

Цель работы заключалась в установлении основных закономерностей образования микро - и нано неоднородностей в гетероструктурах в результате распадов тройных и четверных твердых растворов на основе А₃В₅ или их упорядочения, а также в определении технологических условий полного согласования параметров решетки твердых растворов различных составов с монокристаллической подложкой GaAs (100).

Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие основные задачи:

-Исследование особенностей возникновения квазипериодических неоднородностей: сверхструктурных фаз упорядочения, микро- и нанодоменов в однослойных эпитаксиальных гетероструктурах на основе тройных твердых растворов Al_xGa_1-xAs, Ga_xIn_1-xP, выращенных методами жидкофазной и МОС-гидридной эпитаксии на GaAs(100), рентгеноструктурными, микроскопическими и оптико- спектроскопическими методами;

-Определение параметров кристаллических решеток и оптических свойств новых фаз;

-Изучение фазообразования под влиянием спинодального распада твердых растворов;

-Влияние легирования диспрозием и промежуточного буферного пористого слоя GaAs на свойства эпитаксиальных гетероструктур Ga_xIn_1-xP:Dy/por-GaAs/GaAs(100); -Определение условий получения ненапряженных, полностью согласованных по параметру кристаллической решетки с подложкой GaAs(100), эпитаксиальных твердых растворов AlxGa1-xAs различных составов путем легирования кремнием и углеродом. Определение необходимых концентраций соответствующих примесей; -Определение параметров решетки и состава доменов, образующихся при спинодальном распаде четверных твердых растворов GaxIn1-xAsyP1-y в составе тройных эпитаксиальных слоев, выращенных на монокристаллических подложках GaAs (100);

-Идентификация колебательных состояний и определение структурных и оптических параметров многослойных эпитаксиальных гетероструктур с квантовыми ямами и w-канавками методом ИК-спектроскопии.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Закономерности возникновения сверхструктурных фаз упорядочения в эпитаксиальных тройных ТР полупроводников A₃B₅ при половинном замещении в металлической подрешетке на основе комплексных исследований структурными и спектроскопическими методами.

2. Образование сверхструктурной фазы упорядочения являющейся химическим соединением AlGaAs₂ в эпитаксиальных твердых растворах Al_xGa_1-xAs при x~0.50. Кристаллическая решетка обнаруженной фазы AlGaAs₂ описывается тетрагональной структурой InGaAs^-ram (Layered Tetragonal) с параметрами с =2а =2*5.646=11.292А, а'=5.6532А и направлением упорядочения [100].

1—Г UUU

. Появление новой интенсивной эмиссионной полосы в спектрах фотолюминесценции с энергией Б^2.17еВ наряду с основной полосой Б^2.05еВ в твердом растворе Al_{0 50}Ga_{0 50}As обусловлено образованием сверхструктурной фазы AlGaAs2.

2. 1. Возникновение фазы упорядочения Ga₂InP₃ в виде квазипериодических доменов при распаде твердых растворов Ga_xIni_-xP с x~0.50 обеспечивает хорошую планарность и минимальные внутренние напряжения кристаллической решетки в гетероструктурах Ga_xIn_1-xP/GaAs(100).

   2. Обнаружение упорядоченной стехиометрической фазы InGaAs2 в метаморфных твердых растворах In_xGa_1-xAs, выращенных на GaAs(100).

   3. Образование микродоменов с поперечной слоистой наноструктурой при спинодальном распаде четверных твердых растворах In_xGa_1-xAs_yP_1-y, заключенных между слоями тройных ТР Ga_xIn_1-xP.

   4. Определение условий полного согласования параметров кристаллических решеток эпитаксиальных твердых растворов Al_xGa_1-xAs с подложкой GaAs(100) в результате образования четверных твердых растворов (Al_xGa_{1- x}As)_1-ySi_y и (Al_xGa_1-xAs)_1-yC_y при легирования высокими концентрациями кремния или автолегировании углеродом.

   Научная новизна

   Все результаты, сформулированные в научных положениях, получены впервые, начиная от постановки задачи исследования до численных расчетов, сравнения с экспериментом и интерпретации полученных данных. Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

   1. Впервые получены экспериментальные данные о возникновении структурной неустойчивости в гетероструктурах Al_{0 50}Ga_{0 50}As/GaAs (100) с образованием сверхструктурной фазы, являющейся химическим соединением AlGaAs2. Решетка обнаруженной фазы AlGaAs₂ описывается структурой InGaAs₂-^m (Layered Tetragonal) с [100]-направлением упорядочения.

   Тетрагональное сжатие чередующихся слоев, заполненных различными атомами Ga или Al, разделенных слоями мышьяка, происходит за счет слоевого упорядочения атомов Al и Ga в подрешетке A . Определена величина тетрагонального сжатия в направлении эпитаксиального роста 0.997а и параметры кристаллической решетки а"=5.6532 А, с^±=2а^±=2*5.646=11.292 А. Фаза упорядочения может образовывать домены и антидомены, состоящие из 10 элементарных ячеек фазы AlGaAs₂ и 10 элементарных ячеек антифазы GaAlAs₂ длиной 1.13 нм.

   2. 4. 1. Впервые экспериментально установлено, что при росте эпитаксиальных гетероструктур Ga_xIni__xP/GaAs(100) с x~0.50 возникает фаза упорядочения Ga₂InP₃ имеющая решетку CuPt-B-типа и параметр кристаллической решетки a^u=5.6455 А в виде квазиупорядоченных доменов. Показано, что параметр решетки фазы упорядочения Ga₂InP₃ мало отличается от параметра решетки матрицы твердого раствора Ga₀₅₄In₀₆₆P, которая обладает хорошей планарностью.

         2. Впервые обнаружена сверхструктурная фаза InGaAs₂ в метаморфных твердых растворах In_xGa_1-xAs, выращенных на GaAs(100). Элементарная ячейка фазы упорядочения InGaAs2 кристаллической решеткой типа Layered Tetragonal состоит из 10 элементарных ячеек типа сфалерита c параметром элементарной ячейки a^v=5.3577A. Атомы в металлической подрешетке сверхструктурной фазы InGaAs₂ должны быть расположены таким образом, чтобы параметр кристаллической решетки в направлении роста был равен параметру неупорядоченного твердого раствора, а параметр в плоскости роста испытывал сжатие вследствие возникновения явления упорядочения. Образование сверхструктурной фазы InGaAs₂ не влияет на хорошую планарность эпитаксиального твердого раствора In_xGa_1-xAs.

         3. Экспериментально показано, что при спинодальном распаде четверных твердых растворов Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y могут образовываться квазиупорядоченные домены, ориентированные вдоль направления [110] со слоистой поперечной наноструктурой. Максимумы фотолюминесценции доменов разных составов могут иметь близкие значения, если лежат вблизи одной изоэнергетической линии.

         4. В многослойных эпитаксиальных гетероструктурах с погруженными слоями GaAs и InAs напряжения растяжения или сжатия в окружающих слоях w-канавок могут приводить к частичному расслоению твердых растворов и локализовывать в них оптические фононы, как это происходит в случае сверхрешеток.

         5. Впервые экспериментально установлена и обоснована возможность полного согласования параметров кристаллических решеток твердых растворов Al_xGa_1-xAs различных составов и монокристаллической подложки GaAs за счет управляемого введения в решетку твердого раствора кремния и углерода с образованием твердых растворов (Al_xGa_1-xAs)_1-ySi_y и (Al_xGa_1-xAs)_1-yC_y.

         При высоких концентрациях углерода (y>0.001) атомы примеси могут концентрироваться на дефектах кристаллической решетки твердого раствора (Al_xGa_1-xAs)_1-yC_y с образованием нанокластеров углерода.

         В результате обобщения совокупность полученных результатов работы можно охарактеризовать как крупное научное достижение в области диагностики полупроводниковых гетероструктур на основе A₃B₅ с квазипериодическими неоднородностями дифрактометрическими и спектроскопическими методами.

         Практическая значимость

         2. 4. 5. 1. Разработанная методика регистрации запрещенного рефлекса (600) гетероструктур А3В5 на больших брэгговских углах отражения позволяет производить прецизионные измерения параметров компонент гетероструктур с точностью до четвертого знака, за счет использования рефлекса (600) монокристаллической подложки GaAs(100) в качестве внутреннего стандарта.

                  2. Прецизионные измерения параметров решеток кристаллических решеток и частот оптических фононов в системах с микро- и нано неоднородностями составляют основу структурно-спектроскопической диагностики гетероструктур, необходимой для разработки технологий устройств оптоэлектроники.

                  3. Моделирование технологических процессов в координатах: параметры кристаллических решеток ТР - состав ТР - температура роста ТР - давление при росте ТР позволяет определять оптимальные режимы получения полупроводниковых гетероструктур AlGaAs/GaAs(100) с полностью согласованными параметрами решетки путем растворения кремния и углерода в кристаллической решетке Al_xGa_1-xAs при образовании твердых растворов (Al_xGa_1- xAs)i-ySiy и (AlxGai-xAs)i-yCy.

                  4. Полученные автором результаты внедрены и активно используются в технологических процессах роста гетероструктур в Лаборатории полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

                  Научная обоснованность и достоверность полученных экспериментальных результатов, представленных в диссертационной работе, определяется использованием современной экспериментальной техники и воспроизведением обнаруженных эффектов в ряде зарубежных научных коллективов, о чем свидетельствуют ссылки в статьях, обзорах и монографиях на опубликованные автором работы по теме данной диссертации. В частности:

                  Результаты экспериментальных исследований явления упорядочения и распада в твердых растворах на основе A₃B₅ с возникновением неоднородностей, в том числе наноразмерных, подтверждают теоретические данные других авторов, исследовавших аналогичные проблемы.

                  Данные по изучению структурных свойств методами рентгеновской дифракции, спектроскопии колебательных состояний подтверждаются прямыми экспериментами (включая данные по электронной микроскопии, полученные как в рамках диссертационного исследования, так и другими авторами) и согласуются с существующими теоретическими представлениями.

                  Результаты расчетов спектров ИК отражения однослойных и многослойных гетероструктур с достаточно высокой точностью совпадают с экспериментальными данными, а их интерпретация соответствуют выводам других авторов, исследовавших подобные структуры.

                  Основные результаты работы получены в Воронежском государственном университете в течение 2001-2012 гг. в соответствии с планами НИР Университета по направлению: «Физика полупроводников» в рамках научной школы проф. Домашевской Э.П. "Атомное и электронное строение твердых тел".

                  Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

                  1. 5-й Международной конференции "Явления релаксации в твердых телах". (Воронеж, 2004)

                  2. 2-й, 3-й, 4-й Всероссийских конференциях "Физико-химические процессы в конденсированных состояниях и на межфазных границах". (ФАГРАН-2004, ФАГРАН - 2006, ФАГРАН - 2010 ), Воронеж, 2004, 2006, 2010

                  3. 4-й, 5-й, 6-й Международных научных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», Кисловодск, 2004, 2005, 2006.

                  4. 6-й, 7-й Всероссийских молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Санкт-Петербург 2004, 2005

                  5. 9-й, 10-й 11-й конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов - 2004, 2005. 2006 Владивосток

                  6. 3-ей международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе САПР, АСНИ, СУБД и систем искусственного интеллекта (ИНФОС - 2005) Вологда 2005.

                  Четвертом международном междисциплинном симпозиуме Фракталы и прикладная синергетика «ФиПС-2005», Москва 14-17 ноября 2005г.

                  7. European Conference on Applications of Surface and Interface Analusis ECASIA'05 (Vienna, 2005), ECASIA'09 (Antalya, 2009),

                  8. 10, 11 симпозиумах "Нанофизика и Наноэлектроника", 2006г. 2007г. Нижний Новгород

                  9. Международной конференции "GaAs - 2006". Томск.

                  10. 10-й Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2006. Иркутск 2006г.

                  11. Seventh International Young Scientists Conference "Optics and High Technology Material Science SP02006" Kiev, Ukraine, 2006

                  12. 15^th International symposium "Nanostructures: Physics and technology" 2007, Novosibirsk

                  13. 8-й Российской конференции по физике полупроводников "ПОЛУПРОВОДНИКИ- 2007" г. Екатеринбург, 2007

                  14. 6-й 7-й Всероссийской школы конференции "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" г. Воронеж 2007, 2009

                  15. 6-й Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". Санкт-Петербург 2008

                  16. 16^th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology. Institute of Automation and Control Processes, Vladivostok, Russia 2008

                  17. Nanostructure materials, applied optics and photonics. International school for young scientists within the framework of the 16^th international simposium "Nanostructures: Physics and Technology". Vladivostok, Russia 2008.

                  11-ой научная молодежной школе по твердотельной электронике «Нанотехнологии, наноматериалы, нанодиагностика» Санкт-Петербург 2008.

                  18. 17th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" Minsk, Belarus 2009

                  19. NATO Advanced Recearch Workshop "Advanced materials and technologies for Micro/Nano-Devices, Sensor and Actuators" NanoDSA'2009, St.Peterburg, Russia, June 29 - July 2, 2009

                  20. 4-ой Всероссийской конференции с международным участием "Химия поверхности и нанотехнология" 2009, Хилово, Псковская обл.

                  21. Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи "Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов" Белгород, 2009

                  22. XII Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике Иркутская обл., Россия, 2010 г.

                  23. 5th International Workshop on Crystal Growth Technology June 26 - 30, 2011 Berlin, Germany

                  24. E-MRS 2011 Fall Meeting, September 19 - 23, 2011 Warsaw University of Technology,

                  Poland

                  11th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-11) St. Petersburg (Russia), October 2011

                  Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 печатных работ, из них 25 статей опубликованы в изданиях, соответствующих перечню ВАК РФ рецензируемых научных журналов и изданий, в том числе зарубежных, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук. Три работы опубликованы без соавторов. Отметим, что данный список не включает публикации в трудах отечественных и международных конференций, а также статьи автора, прямо не связанные с темой диссертации.

                  Личный вклад автора является основным и заключается в формулировке проблемы, постановке задач исследования, выбора методов исследования, проведении экспериментов, анализе, моделированию и интерпретации полученных данных, обосновании основных положений диссертации и развития научного направления - диагностика низкоразмерных полупроводниковых систем с квантово- размерными неоднородностями дифрактометрическими и спектроскопическими методами.

                  Научные гранты, имеющие отношение к выполнению данной работы: Грант Президента РФ 2011 года. МК-736.2011.2 "Фундаментальные основы создания и исследование характеристик фотоэлектрических и оптоэлектроных устройств на основе управляемой самоорганизации, самосборки и

                  сверхструктурирования в эпитаксиальных твердых растворах полупроводников А_зВ₅"; Грант РФФИ 09-02-97505-р_центр_а "Получение эпитаксиальных гетероструктур с нанодоменами и сверхструктурными фазами в результате контролируемого спинодального распада тройных и четверных твердых растворов на основе А_зВ₅"; Грант РФФИ 06-02-96313-р_центр_а "Сверхструктурное упорядочение в эпитаксиальных наноструктурах Al_xGai_-xAs/GaAs(100)"; Грант РФФИ 09-02-90719-мобст "Научная работа российского молодого ученого Середина Павла Владимировича в Учреждении Российской академии наук Физико - техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН";

                  Проект ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы" ГК 16.740.11.0316 «Атомное и электронное строение квантово - размерных неоднородностей и наноструктур на основе кремния и полупроводников А_ЗВ₅для функциональной нано и оптоэлектроники»

                  Проект ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы" 14.740.11.0704 "Фундаментальные исследования атомного и электронного строения квантово - размерных неоднородностей в низкотемпературных гетероструктурах на основе твердых растворов полупроводников АЗВ5"

                  Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с выводами и содержит 308 страниц текста, включая 96 иллюстраций, 38 таблиц , и списка цитируемой литературы из 178 наименований.

                  Похожие диссертации на СУБСТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ А3В5

                  

                  Создание и исследование высокоэффективных быстродействующих фотодиодов для средней ик-области спектра (2-5 мкм) на основе узкозонных гетероструктур А3В5Коновалов Глеб Георгиевич

                  

                  Исследования деформированного состояния полупроводниковых гетероструктур на основе соединений А3В5 с помощью электронного зондаУманский, Владимир Евгеньевич

                  Фотолюминесцентные свойства гетероструктур на основе CdxHg1-xTe с потенциальными и квантовыми ямами, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксииГорн, Дмитрий Игоревич

                  

                  Получение и свойства гетероструктур на основе многокомпонентных антимонидов А3 В5 с низкой термодинамической устойчивостью Когновицкая Елена Андреевна

                  

                  Транспортные свойства гетероструктур на основе магнитных полупроводниковЕрмолов Алексей Викторович

                  

                  Принципы построения и свойства гетероструктур на основе соединений III-N, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксииПетров Станислав Игоревич

                  

                  Молекулярно-пучковая эпитаксия и свойства низкоразмерных гетероструктур на основе узкозонных соединений A3B5Семенов Алексей Николаевич

                  

                  Оптические свойства гетероструктур InGaAsN на основе GaAsКрыжановская Наталья Владимировна

                  Оптические свойства слоев и гетероструктур на основе нитридов III группыСахаров, Алексей Валентинович

                  

                  Анализ особенностей оптических и электрических свойств сложных алмазоподобных полупроводников и гетероструктур на их основе Борисенко Сергей Иванович