Введение к работе
Актуальность темы исследования
Эпитаксиальные структуры из антимонида индия и многокомпонентных твёрдых растворов (МТР) на его основе используются в различных областях электроники[1]. Особенности зонной структуры этих материалов позволяют создать ряд приборов, которые не могут быть изготовлены на элементарных полупроводниках [ 1,3-5 ].
Широкое применение в новых конструкциях оптоэлектронных приборов находят гетероструктуры на основе МТР А В с координатно зависимой шириной запрещённой зоны (Ее) в т.н. варизонных слоях. Интерес к таким структурам вызван возможностью существенного улучшения параметров оптоэлектронных приборов, в частности, фотоэлектрических датчиков и фотодиодов[1,2]. Наряду с этим и введение висмута в МТР А В позволяет эффективно управлять многими параметрами МТР. Самая высокая подвижность электронов и наименьшая ширина запрещенной зоны среди бинарных соединений позволяют значительно повысить пороговую чувствительность и быстродействие фотоприборов на основе изопериодных
InSb ТР, а также расширить спектральный диапазон А«—' (мкм), т.е.
приблизительно 6.1< Я < ІЗмкмсучетом упругих напряжений[3-5].
Технологическим методом получения многих оптоэлектронных приборов на основе МТР A'"BV в силу сравнительной простоты, функциональности и дешевизны является жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ). Однако, несмотря на широкий фронт работ по совершенствованию традиционный методов жидкофазной эпитаксии и разработку новых методов, до последнего времени крайне затруднительно воспроизводимое выращивание совершенных слоев InSbBi/InSb и InAsSbBi/InSb с увеличивающейся шириной запрещенной зоны к поверхности в широком диапазоне толщин. Это связано с основными особенностями
I мснмиюиллыиа]
I IHMNOTtKA I
4 распространенных методов ЖФЭ. К ним относятся, например, существенная величина концентрационного переохлаждения в варианте метода ЖФЭ с изотермическим смешиванием расплавов, невозможность осуществления равновесной подпитки при неизотермических условиях пересыщения раствора-расплава и другие.
Перспективным, но для висмутсодержащих гетеросистем изученным еще недостаточно, методом ЖФЭ является градиентная жидкофазная кристаллизация (ГЖК)[3]. Одно из важных преимуществ ГЖК переддругими методами ЖФЭ (помимо изотермичности и квазиравновесности условий на фронте кристаллизации, контролируемости роста, относительно малой величины концентрационного переохлаждения и др.) заключается в том, что перекристаллизацию заданной области кристалла можно при необходимости повторить, не прерывая процесса. Этот вариант ГЖК - способ возвратно-поступательного движения зоны[3,6] - не нашёл, однако, до сих пор применения в связи с его недостаточной изученностью, несмотря на простоту его осуществления и широкие возможности.
К началу выполнения данной работы в литературе имелась информация об эпитаксиальных варизонньж слоях (ЭВС) элементарных и бинарных полупроводников, технологии получения и характеристиках приборов на их основе[3-5]. Эти сведения весьма ограничены для трех- (ТТР) и практически отсутствуют для четырехкомпонентных (ЧТР) ТР А В . Для висмутсодержащих 1Р А В , получаемых из растворов-расплавов методами ЖФЭ, подобных сведений практически нет. В связи с этим тема данной работы научно нова и практически значима.
Цель и задачи диссертационного исследования
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование ГЖК в варианте возвратно-поступательного движения жидкой зоны применительно к получению варизонньж слоев InSbi^Bix, InAs/.x.jSbxBiy и структур на их основе, выяснение возможности контролируемого
5 изменения состава по толщине, проведение комплексных исследований электрических свойств и совершенства полученных слоев.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
- теоретическое моделирование и экспериментальное исследование
закономерностей роста ЭС и ЭВС ТР InSbi.xBix и InAsi-x-ySbxBiy из расплавов в
процессе однократного и возвратно-поступательного движения жидкой зоны;
анализ распределения компонентов и (пере)распределения примесей в ЭС (ЭВС) InSb,.xBis и InAsi.x.ySbxBiy;
исследование структурного совершенства и электрофизических свойств полученных варизонных слоев;
разработка технологического оформления получения ЭВС ТР InSbi.xBix и InAS].x.ySbzBiy методом градиентной жидкофазной кристаллизации (ГЖК);
разработка практических рекомендаций по оптимизации технологических режимов получения ЭВС InSb/.xBix И InAsl.x.ySbxBiy.
Научная новизна диссертационного исследования
Проведено теоретическое моделирование роста варизонных слоев ТР InSbi-xBix И InAsi-x-ySbxBiy и ожидаемого распределения компонентов ТР и примесей при ЖФЭ (ГЖК) в случае одно- и многократного прохода жидкой зоны.
Экспериментально получены зависимости роста варизонных слоев JnSbi.xBix и InAsi.x.ySbxBiy от различных факторов в поле температурного градиента.
Исследованы структурные и электрофизические свойства полученных ЭС(ЭВС).
Исследованы особенности ЖФЭ (ГЖК) для получения ЭВС InSbi.xBix и InAs/.x-ySbxBiy, разработана оптимальная технологическая оснастка и режимы.
5. Установлены области приложений, где использование ЭВС будет
являться эффективным техническим решением.
Практическая значимость результатов исследования
1. В рамках используемого метода получены экспериментальные
зависимости роста ЭВС InSb/.xBix и InAsi.x.ySbxBiy от различных факторов при
ЖФЭ (ГЖК) при однократном и возвратно-поступательном движении
жидкой зоны.
2. Исследованы ожидаемые свойства ЭС (ЭВС) InSbj.xBix и lnAsi_x.ySbxBiy,
полученных с использованием различных технологических режимов;
3. Разработаны рекомендации по оптимизации оснастки и
технологических режимов получения требуемых профилей и совершенства
варизонных слоев ТР InSbi.xBix и lnAsi.x.ySbxBi/,
4. Результаты работы могут быть использованы для получения ЭВС
InSbi.xBix И InAsI.x.jSbxBiy с заданными свойствами и оптоэлектронньж
приборов на основе антимонида индия.
Достоверность научных положений и результатов исследования Достоверность результатов обеспечивается использованием хорошо зарекомендовавших себя аналитических и численных методов математики, физики, физической химии, строгой обоснованностью приближений в применяемых моделях описания твердых растворов, использованием чувствительных методов исследования (рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализ).
Основные научные положения выносимые на защиту: 1. Метод градиентной жидкофазной кристаллизации в цикле возвратно-поступательного движения жидкой зоны позволяет получать эпитаксиальные (варизонные) слои, обладающие как прямым, так и обратным концентрационным профилем. При этом возможно получение эпитаксиальных слоев с практически однородным распределением компонентов по толщине слоя путем вариации основных технологических
7 параметров: температуры процесса, градиента температуры, толщины жидкой зоны, вида и состава источника.
2. Согласно результатам рентгеноструктурных исследований,
подтвержденным расчетом фазовых равновесий
- твердый раствор InSb/.xBix образуется вплоть 0<дг<0,05, при
дальнейшем увеличении х резко меняется характер структуры;
- твердый раствор InAsi.x.ySbxBiy образуется при 0
3. Оптимальные величины переохлаждений при выращивании
эпитаксиальных слоев твердых растворов InSbj.xBix и InAsi.x.ySbyBix лежат в
интервале 3 *25 К.
Обнаружено влияние направления движения зон (прямое и обратное) на скорость кристаллизации при прочих равных условиях. Для обратного процесса зависимость скорости от толщины зоны не монотонна и имеет три характерные области: возрастания, убывания и стационарности. Кроме того, обнаружен эффект ускорения зон в определенном диапазоне их толщин на этапе перехода из InSb в варизонные слои. Для прямого движения, а также для х=0 (InSbj.xBix), область убывания не обнаружена, но наблюдается эффект блокировки тонких зон на старте. Область уменьшения скорости обратного движения с уменьшением толщины жидкой зоны обусловлена преобладающей ролью межфазных кинетических эффектов вблизи границ зоны.
Добавление висмута увеличивает, а мышьяка уменьшает скорость движения жидких зон при прочих равных условиях.
Изменение параметра решетки в указанной области образования твердых растворов (положение 2) близко к линейному, получение существенно упругонапряженных слоев возможно при содержании висмута в твердом растворе более 0,03 мольной доли.
Изменение типа проводимости, наблюдаемое для твердого раствора InSbBi, связано с изменением соотношения между основными и неосновными акцепторными идонорными примесями.
Апробация и внедрение результатов исследования
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Восьмой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморское, ТРТУ, 2002), Международной Научной Конференции «Кристаллизация в наносистемах» (Иваново, 2002), межвузовских научно-технических конференциях, а также на конференциях, совещаниях, семинарах лаборатории физики полупроводников ВИ ЮРГТУ и кафедры физики ЮРГТУ.
Работа проводилась в рамках научного направления, принятого на кафедре: «Кристаллы и структуры для приборов твердотельной электроники».
Публикации
