2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Зведение.............................................................5
“лава 1. Характеристика системы твердых растворов
Ег-Оа-Аэ-Р (обзор литературы)................................9
1.1. Экспериментальное обоснование несмешиваемости
твердых растворов в системе Гп-ва-Аз-Р.......................9
1.1.1. Твердые растворы в системе Гп-Оа-АБ-Р,
выращиваемые на подложках ОаАэ(001)......................10
1.1.2. Твердые растворы в системе 1п-Оа-Аз-Р,
выращиваемые на подложках 1пР(001).......................16
1.2. Оптические свойства твердых растворов 1гЮаА8Р, выращенных в области несмешиваемости............................20
1.3. Просвечивающая электронная микроскопия эпитаксиальных
слоев твердых растворов 1пОаАзР.............................24
1.4. Основные результаты термодинамической теории неустойчивости полупроводниковых твердых растворов..............29
1.5. Основные результаты кинетической теории неустойчивости полупроводниковых твердых растворов.............................35
1.6. Выводы по обзору литературы................................42
Глава 2. Фотолюминесценция и электролюминесценция
эпитаксиальных слоев твердых растворов ГгЮаАзР, соответствующих по составу области несмешиваемости..........45
2.1. Получение экспериментальных образцов способом жидкостной эпитаксии............................................45
2.2. Фото- и электролюминесценция эпитаксиальных слоев
РгЮаАзР....................................................50
3
2.2.1. Методики исследования спектров фото- и электролюминесценции..........................................50
2.2.2. Фотолюминесценция эпитаксиальных слоев 1гЮаАзР, полученных на подложках СаАз(001).............................55
2.2.3. Электролюминесценция эпитаксиальных слоев ЫОаАэР, полученных на подложках СаА$(001) в области несмешиваемости...............................................64
2.2.4. Фотолюминесценция эпитаксиальных слоев ЬЮаАзР, полученных на подложках 1пР(001)..............................70
2.3. Выводы.....................................................71
Глава 3. Исследование структуры эпитаксиальных слоев
твердых растворов ЬЮаАвР, выращенных в области несмешиваемости.............................................75
3.1. Краткое описание методики исследования образцов
на просвечивающем электронном микроскопе....................75
3.2. ПЭМ исследования эпитаксиальных слоев 1пСаАзР, полученных на подложках СаАз(001)...............................80
3.3. Сопоставление оптических и структурных свойств твердых растворов ГпСаАэР, полученных на подложках СаА$(001) в области несмешиваемости.............................89
3.4. ПЭМ исследования эпитаксиальных слоев 1пСаАзР, полученных на подложках 1пР(001)................................97
3.5. Выводы....................................................106
Глава 4. Исследование влияния технологических условий выращивания
на свойства твердых растворов кЮаАвР.......................108
4.1. Исследование свойств эпитаксиальных слоев ЫваЛэР
в зависимости от скорости роста............................108
4
4.2. Исследование свойств эпитаксиальных слоев 1гЮаА$Р
в зависимости от температуры роста............................127
4.3. Выводы.......................................................131
заключение............................................................133
1итература............................................................138
5
Введение
Система твердых растворов Ы-Оа-Аэ-Р широко используется для [зготовления оптоэлектронных приборов. Мощные лазеры и уперлюминесцентные диоды на основе гетероструктур ГгЮаАзРЛпР, случающие в диапазоне длин волн 1.3-1.55 мкм, являются основными (лементами в современных волоконно-оптических линиях связи. Лазеры на >азе гетероструктур ЫОаАэРЛпОаР/ОаАз, работающие в спектральном щапазоне 0.80-0.98 мкм, широко используются в медицине и различных уграслях техники (для лазерной печати и записи информации, для накачки юлоконных усилителей и твердотельных лазеров, в космической технике). В юследнее десятилетие основные усилия были направлены на исследование свойств и оптимизацию параметров таких приборов. В этой связи, наряду с разработками новых конструкций и технологий изготовления, особое знимание следует уделять изучению материалов, используемых для создания лазеров и светодиодов, оптические характеристики которых во многом определяются кристаллографическим совершенством эпитаксиальных слоев и интерфейсов приборной гетероструктуры.
К моменту начала выполнения настоящей работы (1996г.) разнообразные светоизлучающие приборы на основе твердых растворов в системе Тп-Оа-Аэ-Р были успешно получены методами жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ). Однако при выращивании эпитаксиальных слоев многие технологи отмечали ряд трудностей, связанных с несмешиваемостью твердых растворов в достаточно большом диапазоне составов, что препятствовало реализации некоторых эффективных приборных конструкций. Вместе с тем слои твердых растворов, выращенных в области несмешиваемости, имели уникальные особенности в оптических, электрических и структурных свойствах, что отличало их от однородных
6
твердых растворов и указывало на наличие нового сложного объекта -териодической структуры, состоящей из доменов с разным составом твердого раствора. Формирование таких структур представляется важным, ю-первых, как подтверждение успешно развивающейся в настоящее время 'еории неустойчивости полупроводниковых твердых растворов, и, во-вторых, как возможный способ получения наноразмерных объектов, интерес с которым чрезвычайно высок в последнее время. Несмотря на ряд 1убликаций, посвященных этой теме, процессы кристаллизации твердых )астворов 1пСаАзР, а также свойства периодических доменных структур ютаются на сегодняшний день мало изученными. По-видимому, такое юложение объясняется тем, что самоорганизация полупроводниковых доменных структур - довольно новое направление для исследований в ювременной физике твердого тела. С другой стороны, для изготовления радиционных приборов необходимы однородные твердые растворы пОаАэР. Это требует поиска таких условий роста, которые позволили бы юдавить образование доменной структуры в эпитаксиальном слое. Поэтому кспериментальное исследование явления несмешиваемости твердых »астворов 1пСаАзР является актуальным как с научной, так и с практической очек зрения.
Основная цель работы заключалась в исследовании особенностей ристаллизации твердых растворов 1пОаАзР в области несмешиваемости и ;етальном изучении свойств и характеристик выращенных эпитаксиальных лоев. Для выполнения поставленной цели решались следующие основные адачи:
. Изучение оптических и структурных свойств слоев твердых растворов 1пСаАзР, выращенных в области несмешиваемости на подложках СаАз(001) и 1пР(001), методами фото-, электролюминесценции (ФЛ, ЭЛ), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и сканирующей
7
электронной микроскопии.
. Исследование оптических и структурных характеристик слоев твердых растворов 1пОаАзР, полученных в области несмешиваемости, в зависимости от технологических условий: скорости и температуры роста.
. Выявление закономерностей формирования периодических доменных структур в эпитаксиальных пленках твердых растворов 1гЮаАзР, соответствующих по составу области несмешиваемости. Разработка воспроизводимой технологии получения таких структур способом жидкофазной эпитаксии.
. Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами теории неустойчивости полупроводниковых твердых растворов, (иссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка итируемой литературы.
Первая глава посвящена обзору публикаций об экспериментально аблюдаемом явлении несмешиваемости твердых растворов в системе 1-Са-Аз-Р и краткому изложению результатов теории неустойчивости олупроводниковых твердых растворов, используемой многими сследователями для обоснования этого явления.
Во второй главе приведены результаты исследований люминесцентных зойств слоев твердых растворов 1пОаА$Р, полученных в области есмешиваемости на подложках СаАз(001) и 1пР(001).
В третьей главе изложены результаты исследований структуры слоев зердых растворов 1пСаАзР, выращенных на подложках ОаАз(001) и 1Р(001). На основе данных просвечивающей электронной микроскопии, <анирующей электронной микроскопии и люминесценции описаны груктурные свойства твердых растворов ЫСаАэР в области есмешиваемости и за ее пределами.
В четвертой главе рассматривается влияние технологических араметров роста на свойства слоев твердых растворов 1пСаАзР, оответствующих по составу области несмешиваемости.
В заключении формулируются наиболее важные результаты.
Совокупность представленных в диссертации экспериментальных .анных позволяет сформулировать следующие научные положения, ыносимые на защиту:
. Дополнительная полоса в длинноволновой области спектров фото- и электролюминесценции твердых растворов 1пОаАзР, выращенных на подложках ОаАз(001) в области несмешиваемости, обусловлена межзонными излучательными переходами и связана с наличием второй твердой фазы внутри слоя.
. Слои твердых растворов 1пСаАэР, выращенных в области несмешиваемости на подложках СаАз(001) и 1пР(001), состоят из периодически чередующихся доменов с двумя различными составами и параметрами решетки твердого раствора. Размеры доменов лежат в пределах нескольких десятков нанометров, что позволяет характеризовать такие слои как наноструктуры.
. Уменьшение температуры и скорости роста слоев твердых растворов 1пСаА$Р, соответствующих по составу области несмешиваемости, способствует их распаду и формированию наноструктуры.
. Эпитаксиальные пленки ЫСаАэР, полученные в области несмешиваемости способом жидкофазной эпитаксии, содержат переходной слой однородного твердого раствора с характерной толщиной ~100нм, что обусловлено высокой скоростью роста на начальном этапе осаждения.
Диссертационная работа выполнена в лаборатории полупроводниковой юминесценции и инжекционных излучателей ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН.
9
Глава 1. Характеристика системы твердых растворов 1п-Са-А8-Р (обзор литературы).
Технология получения тройных и четверных твердых растворов в системе 1п-Са-Аз-Р способами жидкофазной и газофазной эпитаксии была разработана около тридцати лет тому назад. Многие исследователи сообщали р достаточно высоком кристаллографическом и оптическом совершенстве :аких эпитаксиальных слоев, что позволяло использовать их для создания рптоэлектронных приборов [1-8]. Вместе с тем в системе 1п-Са-АБ-Р :уществуют определенные проблемы, связанные с несмешиваемостью сомпонент твердого раствора в некоторых интервалах температур и составов, 1то затрудняет получение однородных твердых растворов. В настоящее время полупроводниковые твердые растворы выращиваются жидкостной и азофазной эпитаксией, эпитаксией из металлоорганических и гидридных источников, молекулярно-пучковой эпитаксией. Несмешиваемость твердых эастворов наблюдается независимо от выбранного способа роста и, таким эбразом, является свойством самих материалов.
§ 1.1. Экспериментальное обоснование несмешиваемости твердых растворов в системе 1п-Са-А8-Р.
О несмешиваемости твердых растворов судят прежде всего по определенным особенностям в характеристиках выращенных слоев - это /ширение полосы краевого излучения в спектре фотолюминесценции (ФЛ), /меньшение подвижности носителей заряда, изменение морфологии поверхности и т.п. Совокупность таких данных указывает на некоторые неоднородности состава твердого раствора внутри эпитаксиального слоя.
10
В системе 1п-Оа-Аз-Р несмешиваемость проявляется при выращивании гройных и четверных твердых растворов, согласованных по параметру эешетки с подложками СаАэ и 1пР с ориентацией (001) (Рис. 1.1 [9]). В большинстве обсуждаемых работ экспериментальные образцы были получены жидкостной эпитаксией. Другие методы будут указываться в гексте.
§ 1.1.1 .Твердые растворы в системе 1п-Са-А8-Р, выращиваемые на
подложках СаА8(001).
В некоторых работах, посвященных росту 1п1.хОахАз>Р1.у на подложках ОаАз(001), отмечаются области составов, для которых получение однородных твердых растворов при типичных температурах роста (700-800°С) практически невозможно [10-16]. Несмотря на некоторый разброс в сообщаемых данных о протяженности таких областей несмешиваемости, можно сказать, что в целом - это диапазон составов на изопериодической с ОаАэ прямой, простирающийся от ее середины до Ino.47Gao.53P (рис. 1.1).
О наличии неоднородностей в выращенных слоях в первую очередь свидетельствовали спектры ФЛ, которые обычно используются для определения состава твердого раствора. Оказалось, что в указанном промежутке составов твердые растворы демонстрируют уменьшение интенсивности и увеличение ширины пика краевого излучения [10-12]. Кроме того, в спектрах некоторых образцов при температурах ниже 77К присутствовала дополнительная полоса в области низких энергий фотонов. Эти факты проиллюстрированы на рис. 1.2 и 1.3 данными из работ [11,12].
Исследования электрических свойств 1п1.хОахА8уР|.у также подтверждают существование области несмешиваемости, поскольку в том же промежутке составов наблюдается резкое уменьшение подвижности
11
і о -Іи- I л \1^гМЛ К—
1 . V «дч О' О* <-Р чУ> О' 5чч
•<э ‘чО -чО ^ •</) сР -і _* 1Г
<5 V/» о чя <5 О' <?
7^ 770 7^* ^ У У 'У У
іпАб ^ ОаАэ
(0.360 эВ) * (1.424 эВ)
1п ваАБР
1-х х у 1-у
(1.351 эВ) 1пР 0 0.2
0
(2.261 эВ) йаР 0.8 1.0
Область иепрямозоин ых составов
Рис.1.1. Диаграмма составов х-у для 1п1.хСахАБуР1.у при 300К [9]. Координаты х и у дают состав в каждой точке.
Сплошные линии соответствуют изоэнергетическим составам. Пунктирные линии соответствуют изопериодическим составам. Заштрихованные участки на изопериодических с ваАБ и 1пР прямых показывают область несмешиваемости твердых растворов.
12
Длина волны, мкм
Энергия фотонов, эВ
Рис.1.2. Спектры фотолюминесценции слоев ІП|.хСахА5уРі-у различных составов. Слои выращивались способом жидкостной эпитаксии на подложках СаАз(001) при 785°С [11]. Номер на каждом спектре обозначает номер исследуемого образца. Два спектра с номерами 4 и 4! были получены в двух различных точках одного образца.
- Київ+380960830922