Введение к работе
Актуальность представленной работы
Лазерные источники в спектральной области спектра (3-4 мкм) представляют интерес в связи с созданием нового поколения средств волоконно-оптических линий связи на основе флюоритных стекол, уменьшающих величину оптических потерь до 2,5х10"4 дБ/км [1]. Их применение может также существенно повысить эффективность приборов газового анализа , лазерной дальнометрии и т. п.
В качестве материалов для создания инжекционных лазеров в спектральном диапазоне 3-4 мкм могут быть использованы прямозонные во всей области составов многокомпонентные твердые растворы AmBv на основе GaSb как тройные (InAsSb, InGaAs), так и четверные (GalnAsSb, InAsSbP, GaAlAsSb). Четверные твердые растворы, изопериодные с подложками GaSb, имеют важное преимущество перед тройными твердыми растворами, поскольку позволяют изменять ширину запрещенной зоны материала при сохранении периода решетки. В то же время недостатком этих твердых растворов является наличие больших областей составов, недоступных для получения, вследствие ограничений: по области несмешиваемости твердых растворов и по условию молекулярности расплава [2]. Эти принципиальные ограничения не позволяют создавать оптоэлектронные приборы на дискретные длины волн в диапазоне 3-4 мкм на основе только выше описанных соединений A1" Bv . Указанные ограничения могут быть преодолены путем создания пятикомпонентных твердых растворов (ПТР) InGaAsSbP.
Одним из основных методов получения оптоэлектронных гетероструктур является жидкофазная эпитаксия. Очевидны ее преимущества: дешевизна технического оснащения технологического цикла; технологическая чистота; многофункциональность. Метод зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ) наиболее технологичен среди жидкофазных эпитаксиальных методов, так как он обладает высокой равновесностью процесса, позволяет использовать подпитку растущего кристалла и получать эпитаксиальные слои с заданным распределением компонентов как варизонные, так и однородные по составу.
Об экспериментальных исследованиях и практической реализации ПТР в литературе имелась крайне скудная информация, о получении твердых растворов InGaAsSbP в поле температурного градиента -вообще нет. Поэтому диссертационная работа является актуальной и представляет интерес, как с точки зрения применения метода ЗПГТ для выращивания ПТР InGaAsSbP, так и с практической точки зрения.
Цель работы
Целью работы является термодинамическое моделирование ПТР, определение области существования твердых растворов соответствующих пятикомпонентнои системе, изопериодных подложке GaSb, устойчивых относительно спинодального распада; разработка технологии получения новой группы полупроводниковых пятикомпоиентных твердых растворов соединений АШВ изопериодных подложке GaSb, методом зонной перекристаллизации градиентом температуры. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
расчет фазовых равновесий с учетом упругих напряжений и их
экспериментальное подтверждение;
выбор и разработка технологии выращивания ПТР на подложках
антимонида галлия;
экспериментальное исследование кинетики роста эпитаксиальных
слоев;
расчет и экспериментальное исследование коэффициентов
сегрегации компонентов в твердом растворе;
исследование возможности получения варизонных и однородных по
составу эпитаксиальных слоев методом зонной перекристаллизации
градиентом температуры;
исследование структурного совершенства полученных твердых
растворов;
исследование фотолюминисцентных свойств полученных
гетероструктур.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Предложенное термодинамическое описание фазового равновесия (многокомпонентная-жидкая - многокомпонентная упругонапряжен-ная твердые фазы), основанное на точечной аппроксимации квазихимического приближения регулярных растворов, позволяет определить исходные данные для получения твердых растворов требуемых составов методом ЗПГТ.
-
Разработаный способ эпитаксии из жидкой фазы в поле температурного градиента позволяет получать пятикомпонентные твердые растворы InGaAsSbP на подложках GaSb с заданным распределением компонент, электрофизических свойств и повышенным кристаллическим совершенством гетероструктуры.
-
Скорость роста эпитаксиальных слоев InxGai-xAsySbi-y-zPz на подложках GaSb уменьшается во всем диапазоне толщин зон при увеличении Р и As. Добавление In увеличивает скорость роста в
области малых толщин зон { < 20 мкм).
4. Увеличение содержания In в твердом растворе InGaAsSbP/GaSb
расширяет диапазон изопериодных составов с прямыми оптическими переходами и уменьшает коэффициент сегрегации мышьяка.
Научная новизна работы
-
Разработана термодинамическая модель расчета фазовых равновесий многокомпонентный твердый раствор-многокомпонентный жидкий раствор с использованием точечной аппроксимации в квазихимическом приближении регулярных растворов применительно к условиям выращивания эпитаксиальных слоев в поле температурного градиента.
-
Проведен термодинамический расчет фазовых равновесии в системе InGaAsSbP, результаты которого позволяют определить изопериодные составы существующих жидкой и упруго-напряженной твердой фаз.
-
Исследована поверхность ликвидуса систем InGaAsSbP применительно к условиям ЗПГТ методом визуально - термического анализа.
-
Теоретически и экспериментально исследована фазовая диаграмма гетеросистемы InGaAsSbP / GaSb в температурном диапазоне (823-933) К.
-
Получены и исследованы пятикомпонентные новые твердые растворы InxGai-xAsySbi-y-zPz изопериодные подложкам GaSb. (х<0,2 у<0,1 z<0,15)
Практическое значение работы
Представленная в диссертационной работе методика расчета
гетерогенных равновесии, компьютерное моделирование
эксперимента позволяют прогнозировать результаты эпитаксии
пятикомпонентных твердых растворов соединений AnlBv, проводить корректировку и оптимизацию технологического процесса формирования полупроводниковых гетероструктур.
Разработана методика выращивания твердого раствора InxGai-xAsySbi-y-zPz на основе антимонида галлия методом ЗПГТ.
Получены оптимальные технологические режимы выращивания пятикомпонентных гетероструктур для оптоэлектронных приборов работающих в спектральном диапазона 3-4 мкм.
Аппробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах в лаборатории физики полупроводников ВИ НГГУ, на семинарах проблемной лаборатории микроэлектроники НГТУ, 4th International Conference on Interaction in Matter (Poland, Gdansk, 1997), международной научно-технической конференции по актуальные проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники (Дивноморское, 1997 г., 1998 г., 1999 г.), на международной научной
конференции по Физическим процессам в неупорядоченных полупроводниковых структурах (Ульяновск, 1999 г., 2000 г.)
Публикации и вклад автора
