Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ Поиск новых многокомпонентных
полупроводниковых материалов и разработка эффективных технологий получения гетероструктур и приборов на их основе является одной из важнейших составляющих современного развития электроники.
Узкозонные твердые растворы А В [1,2], изопериодные подложкам InSb, InAs и
GaSb, перспективны в качестве высокочувствительной базы фотодетекторов в
инфракрасной области спектра. Широкозонные гетероструктуры на основе
арсенида-фосфида галлия необходимы для создания высокоэффективных
оптоэлектронных приборов, работающих в видимом диапазоне. В тоже время
существующие методы получения многокомпонентных твердых растворов(МТР),
изопериодных подложкам InSb, InAs, GaSb и GaP, имеют ряд проблем [1].
Некоторые из них можно решить введением компонентов, которые позволят
компенсировать структурные и термодинамические несоответствия. В качестве
одного из таких компонентов может быть применен висмут. Его введение в
расплав при кристаллизации МТР обеспечивает морфологическую стабильность
фронта кристаллизации, уменьшение плотности дефектов, вызванных
отклонением от стехиометрии[3]. Указанные достоинства наиболее эффективно могут быть реализованы в методе зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ), для которого характерны малое пересыщение на фронте кристаллизации, высокая изотермичность, низкие значения концентрационного переохлаждения[1] и возможность управления распределением компонентов по толщине слоя. Кроме того, легирование висмутом дает возможность формировать заданную энергетическую структуру кристалла.
В этой связи диссертационная работа, посвященная исследованию процессов роста и свойств гетероструктур на основе висмутсодержащих твердых растворов InSb, GaSb, InAs и GaP, является актуальной как с научной, так и с практической точек зрения.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение процессов кристаллизации, выявление
закономерностей кинетики эпитаксиального роста многокомпонентных твердых растворов с участием висмута на основе InSb, InAs и GaP в поле температурного градиента и исследование их свойств. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- теоретические исследования фазовых равновесий в многокомпонентных гетеросистемах А В с висмутом и анализ термодинамических ограничений синтеза пятикомпонентной системы In-Ga-As-Sb-Bi и ее подсистем;
- исследование возможностей получения многокомпонентных висмутсодержащих
гетероструктур и анализ распределения компонентов в слоях МТР в зависимости
от условий получения;
экспериментальные исследования кинетики роста висмутсодержащих эпитаксиальных слоев на подложках InSb, InAs и GaP в поле температурного градиента;
исследование зависимости скорости роста от геометрических параметров жидкой зоны и температурных условий;
исследование дефектности эпитаксиальных слоев полученных твердых растворов;
исследование зависимости ширины запрещенной зоны твердого раствора InGaAsSbBi от состава;
- анализ оптических характеристик гетероструктур InSbi_xBiJInSb и GaSb i_xBiJGaSb и возможности их реализации в оптоэлектронных приборах.
1. Предложена методика расчета фазовых равновесий многокомпонентных
изоморфных систем в рамках модели простых растворов с использованием
параметров виртуального соединения GaBi.
Определены термодинамические возможности синтеза из жидкой фазы твердых растворов InBiAsSb и GalnBiAsSb изопериодных InSb, лимитированные с одной стороны распадом твердых растворов, а с другой - ограничениями по плавкости.
Установлен гистерезисный характер температурной зависимости скорости миграции в кристаллической фазе жидких зон GaAsPBi, предварительно прошедших высокотемпературную обработку.
Определен механизм ограничения скорости миграции жидких зон при Т<1250 К для гетеросистемы Ga-As-P-Bi.
Определена зависимость ширины запрещенной зоны (Eg) системы In-Ga-As-Sb-Bi - InSb от состава МТР.
Исследовано влияние висмута на структурное совершенство эпитаксиальных слоев МТР А В , выращенных в поле температурного градиента.
7. Показано, что изменение коэффициента пропускания излучения в
многослойных структурах InSbBi-InSb для создания отражателей (брэгговских
зеркал) при числе слоев 10-15 и более и толщине слоев 0,1 мкм осуществляется
путем изменения числа слоев и/или направления падающего пучка.
Закономерности температурного изменения областей существования твердых растворов GalnBiAsSb и InBiAsSb аналогичны, однако добавление галлия приводит к сокращению областей термодинамической неустойчивости как со стороны InSb, так и других компонентов за исключением висмута.
В поле температурного градиента воспроизводимо кристаллизуются твердые растворы hii.zGazSbi.x.yASyBix/rnSb с х < 0.03, у < 0.05 и z < 0.08;
Alylni.y Sbi_xBix/InSb с х < 0.02 и у < 0.06; GaAsxPi_x
х < 0.075, и уровнем легирования Bi до X Ві =0.15 мол. %, а при введении In
с с
(система Ga- In -As-P-Bi) - X ві =0.75 мол. % и X In - до 2.5 мол. %.
3. Кинетика миграции зон при ЗПГТ, лимитируемая температурой отжига,
приводит к гистерезисной зависимости скорости миграции от температуры.
4. При концентрациях висмута в расплаве 60н-75 мол. % плотность дислокаций для
GaInAs
10 см" . Превышение концентрации приводит к антиструктурному внедрению висмута в решетку твердых растворов, а снижение - к падению устойчивости
системы по отношению к возмущениям межфазных границ, на что указывает анализ состава эпитаксиальных слоев.
5. Формирование минизонной структуры в ^/-содержащих ТР возможно при толщине слоев, образующих сверхрешетку, порядка ( 100-нЗОО) нм.
Получены варизонные гетероструктуры rni_yGaySbi_xBix/InSb и AlyIni_ySbi.x Bix/InSb толщиной до 100 мкм, пригодные для использования в качестве фоточувствительных элементов оптоэлектронных устройств в спектральном диапазоне X ~ ( 7-5-14) мкм.
Разработана методика легирования висмутом МТР на основе InAs и GaSb. На подложках GaP выращены эпитаксиальные пленки GaAsP
и GaInAsP толщиной до 30 мкм, легированные висмутом (п < 5-10 см"), которые могут использоваться в качестве основы для фотоприемных устройств и светодиодов, работающих в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.
Разработаны новые конструкции технологических кассет слайдерного и поршневого типов, позволяющие эффективно управлять составом жидкой фазы МТР по компонентам с высоким коэффициентом сегрегации и использовать структурно-формирующие свойства Ві в гетерокомпозиции.
Разработаны конструкции резонансного р-і-п фотодиода на основе гетероструктуры рл-InSb/i-InSbBi/n InSb.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на Международных научно-технических
конференциях "Современные проблемы машиностроения" (Севастополь, 1999 г.),
"Актуальные проблемы твердотельной электроники и
микроэлектроники"(Таганрог, 2002 и 2004 г.), II Всероссийской конф. по физике
полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-
Петербург, 2000 г.), XI Национальной конференции по росту кристаллов (Москва,
2004, 2008 г.), 51 Международном Коллоквиуме по Мехатронике и
Нанотехнологиям в Техническом Университете Ильменау (Германия, сентябрь
2006 г,), X междунар. науч. конф. и школе-семинаре "Актуальные проблемы
твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, 2006 г.),
международной научно-практической конф. "НАНОТЕХНОЛОГИИ-
ПРОИЗВОДСТВУ" (Фрязино, 2006, 2007 г.), VI и VII междунар. конф. "Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии" (Кисловодск, 2006, 2007, 2008 гг.).
ПУБЛИКАЦИИ По результатам диссертации опубликовано 22 печатные работы, в которых полностью изложены ее основные результаты.
ОБЪЕМ РАБОТЫ И ЕЕ СТРУКТУРА. Настоящая работа состоит из введения и пяти глав, общих выводов, списка литературы, содержит 187 страниц машинописного текста, 121 иллюстрации, 14 таблиц. Библиография включает 155 наименований.
