Структурные и оптические исследования упорядочения в эпитаксиальных твердых растворах AlxGa1-xAs/GaAs (100)

Актуальность работы:

Основной тенденцией в развитии современной электроники и средств связи является использование функциональных объектов малых размеров. Так непрекращающееся развитие электронной техники требует применения элементов субмикронных и нанометровых размеров.

Уникальность свойств наноструктур определяется атомными и электронными процессами, протекающими как в самих слоях, так и на границах гетероструктур. В связи с этим в настоящее время происходят не только разработка технологий получения этих структур вместе с прецизионными методами их исследования, но и интенсивное развитие теории явлений в малых объектах, так называемых низкоразмерных системах.

Квантовые гетероструктуры можно выращивать из различных материалов, однако наиболее удачной парой являются монокристаллический GaAs и твердые растворы AlxGai.xAs. Величина х — это доля атомов алюминия, замещающих атомы галлия, обычно она изменяется в пределах от 0.15 до 0.55. Арсениды галлия и алюминия относятся к группе соединений АШВУ. Если GaAs является наиболее изученным и широко применяемым материалом этой группы, то AlAs, напротив, — одно из наименее изученных соединений, что объясняется очень высокой температурой плавления AlAs (1700° С) и неустойчивостью в отношении разложения на воздухе. GaAs и AlAs имеют кристаллическую решетку сфалерита с весьма близкими значениями постоянных решетки и ионности, что обуславливает простоту выращивания AlxGaixAs на монокристаллических подложках из GaAs и относительно высокое совершенство слоев получаемых твердых растворов. Особенностью этой системы является увеличение параметра кристаллической решетки твердого раствора с увеличением содержания атомов А1, замещающих Ga в металлической подрешетке, ввиду больших размеров атомов алюминия. Гетероструктура AlxGai. xAs/GaAs имеет рассогласование решеток <0.15% и наиболее широко используется в различных устройствам и приборах.

В связи с совершенствованием технологий выращивания эпитаксиальных гетероструктур пристальное внимание у исследователей вызывают явления, связанные с возникновением упорядоченных структур в эпитаксиальных слоях твердых растворов тройных систем, которые наряду с бинарными соединениями А3В5 являются основными исходными материалами для компонентов микро и оптоэлектронных устройств.

Актуальность проблемы упорядочения связана с модификацией фундаментальных свойств полупроводниковых систем, обусловленной с понижением симметрии сфалеритной структуры соединений, А В, следствием которого является возможное изменение ширины запрещенной зоны, переход от непрямозонного к прямозонному полупроводнику, инверсному порядку следования зон, усложнению оптических спектров сверхструктурных фаз в результате снятия вырождения с состояний, соответствующих потолку валентной зоны и дну зоны проводимости.

Обзор современной литературы дает достаточно большое количество сообщений о наблюдении спонтанного упорядочения в твердых растворах III-V, однако, упорядочение в системе AlxGaixAs для достаточно хорошо согласованных по параметрам решетки твердых растворов до сих пор остается открытым вопросом.

Цель работы: поиск возможной структурной неустойчивости эпитаксиальных твердых растворов гетероструктур AlxGaixAs/GaAs (100), полученных различными методами, в области составов, близких к х=0.50, с образованием сверхструктурных фаз упорядочения.

Основными задачами исследования, исходя из поставленной цели, являются:

1. Определение характера закона Вегарда в широком диапазоне составов системы эпитаксиальных твердых растворов AlxGai. xAs, выращенных на монокристаллических подложках GaAs (100) методами МОС-гидридной и жидкофазной эпитаксии;

2. Исследование структурной неустойчивости в области составов с х~0.50 рентгендифракционными методами;

3. Получение ИК-спектров от эпитаксиальных слоев AxGai. xAs с целью выявления их особенностей при образовании областей упорядочения с образованием сверхструктурной фазы при х~0.50.

4. Исследование морфологии поверхности эпитаксиальных I гетероструктур AlxGaj. xAs/GaAs (100) методами зондовой микроскопии с использованием атомно-силового микроскопа.

Объекты и методы исследования. Для анализа были представлены образцы гетероструктур AlxGaixAs/GaAs (100), в которых на монокристаллических подложках GaAs (100) выращены эпитаксиальные монокристаллические пленки AlxGai. xAs двумя методами: химическим осаждением из газовой фазы путем разложения металлорганических соединений (МОСГФЭ или МОС-гидридная эпитаксия) и жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ). Исследовались также гомоэпитаксиальные образцы GaAs/GaAs (100), полученные методами МОС — гидридной эпитаксии. Кроме того, для сопоставления результатов была изучена гетероструктура Al0.5oGa0.5oAs/GaAs (100), выращенная методом ЖФЭ.

Для исследований использовались методы рентгеноструктурного анализа, ИК — спектрометрии и методы зондовой микроскопии с использованием атомно-силового микроскопа (АСМ).

Научная новизна работы: определяется тем, что впервые получены экспериментальные данные о возникновении структурной неустойчивости в гетероструктурах AlxGaixAs/GaAs (100) с образованием при х~0.50 сверхструктурной фазы, являющейся химическим соединением AlGaAs2-Решетку обнаруженной фазы AlGaAs2 можно описать структурой InGaAs2-типа (Layered Tetragonal) с [100]-направлением упорядочения.

За счет слоевого упорядочения расположения атомов А1 и Ga в подрешетке Аз происходит так называемое тетрагональное сжатие чередующихся слоев, заполненных различными атомами Ga или А1, разделенных слоями мышьяка.

Фаза AlGaAs2 может образовывать домены и антидомены, состоящие из 10 элементарных ячеек фазы и 10 элементарных ячеек антифазы длиной 1.13 нм.

Практическое значение результатов работы определяется тем, что полученные в ходе исследований данные, могут быть использованы при создании технологии нового соединения AlGaAs2.

Разработанные методики оказываются полезными для улучшения контроля технологических процессов при создании гетеролазеров и других оптоэлектронных приборов.

На защиту выносятся следующие положения.

1. В эпитаксиальных гетероструктурах AlxGa^As/GaAs (100), полученных химическим осаждением из газовой фазы металлорганических соединений и гидридов (МОСГФЭ) при х~0.50, обнаружена структурная неустойчивость с образованием сверхструктурной фазы упорядочения, являющейся химическим соединением AlGaAs2, с параметрами с =2а AiGaAs2=2*5.646=11.292 А и а" =5.6532 ;

2. Величина тетрагонального! сжатия в направлении эпитаксиального роста составляет С AIGaAs2 /2а A10.50Ga0.50As =0.997;

3. Области сверхструктурной фазы упорядочения AlGaAs2 проявляются в виде упорядоченного нанорельефа с периодом ~ 115 нм, кратным параметру слоистой тетрагональной фазы AlGaAs2 с =1.13 нм. Нанорельеф обусловлен образованием доменов (AlGaAs2) и антидоменов (GaAlAs2), сгруппированных в чередующиеся полосы, расположенные под углом 80° <а<90° ввиде «паркета» ;

4. В спектре эпитаксиальной гетероструктуры AlxGai. xAs/GaAs (100) с х~0.50, выращенной методом МОСГФЭ, помимо мод колебаний, отвечающих связям Ga.

As и А1 — As (основным колебаниям), присутствуют еще два осциллятора с частототами oc>i=240 см" 1 и сс>2=320 см" 1, сдвинутыми в сторону длинных волн относительно основных колебаний, появление которых связано с возникновением фазы упорядочения АЮаАэг;

5. Появление интерференционных мод в областях 280−350 см'1, ИКспектра отражения МОС-гидридной эпитаксиальной гетероструктуры AlxGai. xAs/GaAs (100) с х~0.50 обусловлено периодической структурой нанорельефа в областях упорядочения гетероструктуры с периодом нанорельефа 115 нм.

Личный вклад автора. Постановка задачи и определение направлений исследований осуществлялись д.ф.-м.н., профессором Домашевской Э. П. Автором лично проведены все рентгеноструктурные исследования. Автором проведены расчеты всех экспериментально полученных данных. Разработана методика цифрового представления информации при фотографической регистрации рентгенограмм. Усовершенствована методика проведения дисперсионного анализа в модели пленка — подложка с применением современных программных средств, по которой проведено моделирование всех экспериментальных ИК — спектров гетероструктур. Обсуждение результатов проведено совместно с д.ф.-м.н., профессором Э. П. Домашевской.

ИК — спектры отражения получены автором совместно с доцентом Лукиным А. Н. в «Центре коллективного пользования ВГУ» (ЦКПНО ВГУ).

Исследования поверхности поверхности с использованием атомно-силового микроскопа проведены к.ф.-м.н. Гречкиной М. В. в лаборатории наносистем ЦКПНО ВГУ.

Образцы гетероструктур AlxGai. xAs/GaAs (100) получены в Санкт-Петербургском Физико-Техническом институте им. А. Ф. Иоффе.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (ФАГРАН-2004) (Воронеж, 2004 г.), V Международной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 2004 г.), IV Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микрои нанотехнологии», (Кисловодск, 2004 г.), 10-й Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых ВНКСФ-10 (Екатеринбург-Москва, 2004 г.), Шестой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой оптои наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2004 г.), Всероссийской конференции молодых ученых по «Полупроводниковым, диэлектрическим и магнитным материалам: ПДММ — 2004» (Владивосток, 2004 г.), 3-ей международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе САПР, АСНИ, СУБД и систем искусственного интеллекта (ИНФОС — 2005) (Вологда, 2005 г.), European Conference on Applications of Surface and Interface Analysis ECASIA'05.

Vienna, 2005), 5-я международной конференций «Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии» (Кисловодск, 2005 г.), Четвертом международном междисциплинном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика «ФиПС-2005» «(Москва, 2005 г.), Седьмой всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой оптои наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2005 г.), 9-й конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ — 2005, Владивосток), Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника-2006» (Нижний Новгород, 2006г), 10-й конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (ПДММ — 2006, Владивосток).

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 19 печатных работах, цитируемых по ходу изложения диссертации, из которых 5 статей, опубликованных в центральной Российской печати и 1 статья в зарубежном журнале. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения и четырех глав с заключением и выводами, изложенных на 133 страницах печатного текста, включая 43 рисунка, 14 таблиц и список литературы на 86 наименований.

4.4Выводы по главе.

1. Данные ИК спектрометрии отражения показали, что в спектрах МОС-гидридных эпитаксиальных гетероструктур AlxGai. xAs/GaAs (100) с концентрациями А1 в металлической подрешетке х=0.12, 0.16, 0.30 и 0.80 присутствуют две моды колебаний, и этот факт согласуется с имеющимися экспериментальными и теоретическими данными [41, 42].

2. В спектре МОС-гидридной эпитаксиальной гетероструктуры Alo.54Gao.46As/GaAs (100) помимо мод колебаний отвечающих связям GaAs и А1 — As (основным колебаниям), присутствуют еще два осциллятора с частототами cotoi=241 см" 1 и сото2=327 см" 1 сдвинутыми в сторону длинных волн относительно основных колебаний AlAs (соТо=365 см" 1) и GaAs (сото=272 см" 1), появление которых мы связываем с возникновением фазы упорядочения AlGaAs2 в эпитаксиальных твердых растворах AlxGai. xAs выращенных на подложках GaAs (100) со значениями х, близкими к 0.50.

3. Появление интерференционных мод в экспериментальном спектре в области 280−350 см" 1 РЖ — спектра отражения МОС-гидридной эпитаксиальной гетероструктуры Alo.54Gao.46As/GaAs (100) может быть обусловлено возникновением периодической структуры нанорельефа в областях упорядочения гетероструры с х~0.50, обнаруженной методом АСМ [84−85].

4. ИК-решеточный спектр отражения гомоэпитаксиальных структур GaAs/GaAs (100), выращенных методом МОСГФЭ, рассчитанный по методике пленка — подложка, помимо фононных мод в спектре эпитаксиального слоя GaAs и монокристаллической подложки GaAs (100), содержит плазменные колебательные моды, возникающие в связи с большой концентрацией свободных носителей, введенной в подложку легированием и возникающей в пленке большой фоновой концентрацией свободных носителей заряда.

Заключение

и выводы по диссертации.

На основе комплексных исследований в ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты.

По данным дифрактометрического и фотографического методов рентгеноструктурного анализа были определены постоянные кристаллической решетки с учетом упругих напряжений для эпитаксиальных гетероструктур AlxGaixAs/GaAs (100), выращенных двумя методами (МОС — гидридной и жидкофазной эпитаксией). При разложении дифрактометрической линии (400) для МОС-гидридных образцов ЕМ49 и ЕМ135 и рентгенографической линии (711) для образца ЕМ135 па компоненты обнаружено появление дифракционных линий от неизвестной фазы с параметром решетки а=5.649 А меньшим, чем параметр GaAs (100) 5.6532 А. Анализ полученных нами результатов эпитаксии твердых растворов с х~0.50 на подложках GaAs (100) позволяет сделать заключение о том, что обнаруженная нами неизвестная фаза представляет собой химическое соединение AlGaAs2 и является сверхструктурой к решетке сфалерита, которую имеют GaAs, AlAs и твердый раствор AlxGai.xAs. Решетку обнаруженной фазы упорядочения AlGaAs2 можно описать структурой InGaAs2-Tnna (Layered Tetragonal) [25] с [100]-направлением упорядочения.

Предполагая, что области упорядочения в образцах при х~0.50 могут проявлять себя и в морфологии поверхности эпитаксиальных слоев, были предприняты исследования гетероструктур AlxGaixAs/GaAs (100) выращенных различными методами, с малым и большим содержанием алюминия в металлической подрешетке.

По данным, полученным из атомно — силовой микроскопии, на поверхности МОС — гидридного образца с х~0.50 в твердом растворе AlxGai xAs были обнаружены области упорядочения, которые проявляются в виде упорядоченного нанорельефа с периодом ~ 115 нм, кратным параметру с слоистой тетрагональной фазы AlGaAs2. Эти области упорядоченного нанорельефа мы связываем с областями существования сверхструктурной фазы AlGaAs2 с кристаллической решеткой InGaAs2-THna (Layered Tetragonal) и параметрами а" =5.6532 и с =11.292 .

Полученные результаты, относительно появления сверхструктурной фазы AlGaAs2 в МОГФЭ гетероструктурах AlxGaixAs/GaAs (100) при х~0.50, были так же подтверждены методами ИК-спектроскопии на отражение. Так ИК-спектр отражения колебаний решетки МОС-гидридного образца ЕМ49 с х=0.54 помимо мод, соответствующих связям: Ga-As и Al-As в твердом растворе (локализованных около o) ga-as то=272 см" 1 и o>ai-as то=365 см" 1), содержит две группы дополнительных мод, сдвинутые относительно основных колебаний в сторону длинных волн. Первая, лежащая в области 230−245 см" 1, имеет самую малую интенсивность и полуширину среди всех мод, присутствующих в спектре. Вторая группа представляет собой широкую полосу, расположенную между основными колебаниями в интервале 280−350 см" 1, и состоит из нескольких резонансных пиков различной интенсивности, расположенных примерно через 10 см" 1, что указывает на факт интерференции отраженного излучения на нанорельефе образца (рис. 41, Ь).

Присутствие этих осцилляторов в спектре мы связываем с тем фактом, что в структуре эпитаксиальных твердых растворов AlxGaixAs с х=0.50 и х=0.54, выращенных на подложках GaAs (100), появляется сверхструктурная фаза [83−85], представляющая собой химическое соединение AlGaAs2 со структурой InGaAs2-THna (Layered Tetragonal) [25, 72], в структуре которого чередующиеся слои из атомов А1 или Ga разделены слоями As. Появление интерференционных мод вызвано особенностями морфологии в областях упорядочения со сверхструктурной фазой AlGaAs2, т. е. возникновением наноструктурированной поверхности с периодом -115 нм.

Таким образом, на основании экспериментальных и расчетных данных, полученных в ходе работы, можно сделать следующие выводы:

1. Для эпитаксиальных гетероструктур AlxGaj. xAs/GaAs (100), выращенных методами МОСГФЭ и жидкофазной эпитаксии, зависимость изменения параметра кристаллической решетки от состава (закон Вегарда) носит линейный характер;

2. В эпитаксиальных гетероструктурах AlxGaixAs/GaAs (100) с х~0.50, полученных химическим осаждением из газовой фазы металлорганических соединений и гидридов (МОСГФЭ), обнаружена структурная неустойчивость с образованием сверхструктурной фазы упорядочения при х~0.50, являющейся химическим соединением AlGaAs2> с параметрами с =2а =2*5.646=11.292 А и а" =5.6532 ;

3. Величина тетрагонального сжатия в направлении эпитаксиалыюго роста составляет С AlGaAs2/2a A10.50Ga0.50As =0.997;

4. Области сверхструктурной фазы упорядочения AlGaAs2 проявляются в виде упорядоченного нанорельефа с периодом ~ 115 нм, кратным параметру слоистой тетрагональной фазы AlGaAs2 с =1.13 нм. Нанорельеф обусловлен образованием доменов (AlGaAs2) и антидоменов (GaAlAs2), сгруппированных в чередующиеся полосы, расположенные под углом 80 <а<90 в виде «паркета» ;

5. В спектре эпитаксиальной гетероструктуры AlxGai. xAs/GaAs (100) с х-0.50, выращенной методом МОСГФЭ, помимо мод колебаний, отвечающих связям Ga-As и А1 — As (основным колебаниям), присутствуют еще два осциллятора с частототами со]=240 см" 1 и со2=320 см" 1, сдвинутыми в сторону длинных волн относительно основных колебаний, появление которых связано с возникновением фазы упорядочения AlGaAs2;

6. Появление интерференционных мод в областях 280−350 см" 1 ИК — спектра отражения МОС-гидридной эпитаксиальной гетероструктуры AlxGai. xAs/GaAs (100) с х~0.50 обусловлено периодической структурой нанорельефа в областях упорядочения гетероструктуры с периодом нанорельефа 115 нм.