Введение к работе
з
Актуальность темы. Современная технология материалов электронной техники подошла к новому рубежу - синтезу сложных кристаллических полупроводников с заданной субструктурой. Субструктура подразумевает сложную внутреннюю геометрию, в частности, наличие нескольких слоев и/или встроенных каналов с отличающимся от соседних областей составом, а также систем островков, образующих тонкую пленку, и т.д.[1]. Если характерные размеры элементов субструктуры достаточно малы (сотни нм и менее), возможно проявление так называемых квантово-размерных эффектов - новых физических явлений, обусловленных пространственным ограничением. В основе указанных явлений лежит наличие в полупроводниковых материалах с субструктурой многоуровневого энергетического спектра, в том числе, сверхпериодического потенциала. Такие полупроводники рассматриваются в качестве элементной базы электронных приборов нового поколения - электрооптических модуляторов, лазеров с перестраиваемой частотой генерации, высокочастотных когерентных излучателей и сверхчувствительных фотоэлектрических датчиков. Для реализации данных задач используются твердые растворы А В .
В качестве объектов исследования выбраны системы Ga-Sb-Bi, In-Sb-Bi и
Ga-In-As-Sb-Bi. Синтез новых материалов - полупроводниковых структур
GaSb
числе, островковых пленок основа новых технических решений
высокоэффективных фотоприемников в вариантах p-i-n- фотодиодов и лавинных фотодиодов. Сообщений о получении гетероструктур InGaAs
Целью работы является исследование условий роста, структурного совершенства и фотоэлектрических свойств гетерослоев с заданной субструктурой в системах InSbj.xBi/InSb, GaSbj.x BiJGaSb и Gaylnj.yAsj.x Sbx
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
исследование фазовых равновесий в двухфазных системах In — Sb — Bi, Ga — Sb -Bi nGa- In-As-Sb - Bi;
установление закономерностей эпитаксиального роста многокомпонентных полупроводников с заданной субструктурой на основе твердых растворов, изопериодных GaSb, InSb и InAs, для достижения новых возможностей существующих приборов;
3) разработка технологии получения многослойных гетерокомпозиций InSbj.x
Biy/InSb и GaSbi_xBij/GaSb с толщинами слоев порядка 100 нм, а также
островковых пленок Gaylnj.yAsj.xSb^BiWInAs с линейными размерами островков
не более 500 нм:
4) исследование физических свойств гетероструктур твердых растворов,
изопериодных GaSb, InSb nlnAs, полученных в условиях ЖФЭ.
Научная новизна работы
На основе модели избыточных функций - линейных комбинаций химических потенциалов рассчитаны составы равновесных при температурах роста жидкой и твердой фаз в системах In — Sb — Bi, Ga — Sb - Bi и Ga — In—As—Sb — Bi с учетом влияния упругих напряжений.
Установлено проявление эффекта Киркендала-Френкеля в двухфазной системе с резким различием ковалентных радиусов атомов компонентов, что является вероятной причиной вхождения в эпитаксиальные слои висмута с содержанием, превышающем расчетный предел растворимости.
Экспериментально обоснована возможность формирования полупроводниковых материалов на основе висмутсодержащих твердых растворов с характерными размерами субструктуры d ~ 100 нм из жидкой фазы в поле температурного градиента.
4. Сформулированы принципы организации контролируемого воздействия на
двухфазную систему "многокомпонентный расплав — твердотельная
структура" для формирования субструктуры эпитаксиальных слоев.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Возможность получения многослойных структур InSbi-JiiJInSb и GaSb^x Bi/GaSb с толщиной слоев 100-^150 нм в условиях ГЖЭ обеспечивается осуществлением принудительной гидравлической смены растворов в ростовом канале. Формирование каждого последующего слоя начинается при уменьшении времени контакта переохлажденного раствора-расплава с подложкой и смене ячеек, содержащих растворы-расплавы.
Рост и растворение островков на поверхности многокомпонентных пленок Guyln^yAs 1_xSbx
/InAs определяются количеством и распределением по площади дислокационных каналов. Указанные характеристики могут быть стабилизированы на стадии градиентной эпитаксии при достаточном (не менее 60% по объему) насыщении смачивающего расплава висмутом.При уменьшении температуры эпитаксии уменьшается влияние упругих напряжений на распределение мольных долей компонентов и на коэффициенты распределения компонентов и, напротив, такое влияние растет при увеличении мольной доли висмута в расплаве.
4. Методика формирования островковых структур в условиях ЖФЭ должна
включать следующие принципы: 1) осуществление роста структур с резким
различием постоянных решетки подложки и слоя (для структур
GaInAsSb
снижения температуры по заданной динамической характеристике системы с
одновременным сдвигом подложки и приведением ее в контакт с расплавом при
температуре, соответствующей нижней границе ликвидуса; 3)обогащение расплава
висмутом (до 75 % по мольному содержанию), что служит препятствием
коалесценции островков.
5. Организация контролируемого технологического воздействия на двухфазную
систему "многокомпонентныйрасплав - твердотельная структура" должна быть
основана на следующих принципах:
1) принцип использования разных временных масштабов термодинамических процессов; 2) принцип выбора уровня - пространственного масштаба, на котором осуществляется воздействие; 3) принцип соответствия набора параметров
6 воздействия спектру реакций системы; 4) принцип использования инерции процессов тепло- и массопередачи.
Практические результаты
- методом градиентной жидкофазной эпитаксии с принудительной гидравлической
сменой растворов-расплавов в ростовом канале получены многослойные структуры
InSbj_xBi/InSb и GaSbj_xBi/GaSb;
в условиях жидкофазной эпитаксии получены островковые пленки Gayln^yAs^x Sbx
разработана технология формирования слоев висмутсодержащих твердых растворов заданной (d~ 150-200 нм) толщины;
- предложены конструкции оптоэлектронных приборов: фотоприемника на основе
многослойной структуры InSbi.xBij/InSb с длиной волны принимаемого излучения
А, «8,5 мкм и каскадного гетеролазера, работающего на межуровневых переходах с
длинами волн генерации \ = 4,5 мкм и А, « 6,2 мкм на основе многослойной
структуры GaSb !_xBiJGaSb;
- на базе разработанных автором принципов организации контролируемого
технологического воздействия на двухфазную систему "многокомпонентный
расплав - твердотельная структура сформулирована методология планирования
экспериментов по выращиванию многокомпонентных полупроводников с заданной
субструктурой.
Апробация результатов работы
Работа выполнена в лаборатории "Кристаллы и структуры для твердотельной электроники" Южного научного центра РАН в рамках базовых тем № 00.05.21 "Разработка теоретических основ формирования многокомпонентных гетероструктур с заданным энергетическим спектром в поле температурного градиента", № 00-08-21 "Процессы дефектообразования и деградации физических характеристик в многокомпонентных гетероструктурах оптоэлектроники" (№ гос.
регистрации 0120.0850125); на кафедре физики Волгодонского института Южно-
Российского гос. техн. университета (Новочеркасского политехнического
института) в рамках госбюджетной темы № 15.05 "Разработка теоретических основ
формирования многокомпонентных твердых растворов с заданной субструктурой".
Основные результаты работы докладывались и обсуждались в 2003-2009 гг на
семинарах в лаборатории "Кристаллы и структуры для твердотельной
электроники" Южного научного центра РАН, в лаборатории физики
полупроводников ВИ(ф) ЮРГТУ (НПИ), на семинарах проблемной лаборатории
физики ЮРГТУ (НПИ), на X международной научно-технической конференции
"Актуальные проблемы твердотельной электроники и
микроэлектроники"(Дивноморское, 2006 г.), на VI и VII международных конференциях "Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии" (Кисловодск, 2006 и 2007 гг), V международной научной конференции "Кинетика и механизм кристаллизации в наносистемах" (Иваново, 2008) и российских конференциях "Нанотехнологии - производству" (Фрязино, 2005-2008 гг).
Публикации и вклад автора
Похожие диссертации на Исследование процессов роста и свойств многокомпонентных полупроводников с заданной субструктурой в системах Ga-Sb-Bi, In-Sb-Bi и Ga-In-As-Sb-Bi
