Ионно-лучевое осаждение наноразмерных структур GaInPAs-GaAs тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Гусев Дмитрий Александрович

• Гусев Дмитрий Александрович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Гусев Дмитрий Александрович

Введение

Глава 1. Обзор литературных источников и постановка задачи исследования

1.1 Физические свойства и возможности применения четырехкомпонентного твердого раствора Оа1пРАв в оптоэлектронике

1.2 Влияние пространственной локализации на электронные свойства полупроводниковых

низкоразмерных структур

1.3 Технологические методы получения полупроводниковых наноразмерных структур

1.4 Метод ионно-лучевого осаждения

1.5 Особенности ионно-лучевого осаждения

многокомпонентных соединений

1.6 Сравнительный анализ методов получения

наноструктур

1.7 Обоснование и постановка задачи исследования

Выводы

Глава 2. Расчет кинетических параметров осаждения многокомпонентных твердых растворов и моделирование процессов формирования наноструктур Оа1пРЛБ в условиях ИЛО

2.1 Расчет коэффициентов распыления компонентов

твердого раствора Оа1пРАв

2.2 Расчет зависимости величины коэффициента распыления

1п от угла падения ионного пучка

2.3 Расчет скорости распыления многокомпонентного

твердого раствора ОаМРАБ

2.4 Расчет скорости осаждения многокомпонентного

твердого раствора ОаТпРЛБ

2.5 Расчет основных параметров твердого раствора

GalnPAs

2.6 Расчетная модель формирования наноструктур

GalnPAs в условиях ИЛО

Выводы

Глава 3. Особенности конструкции установки ионно-лучевого осаждения

для получения наноразмерных структур GalnPAs

3.1 Технологическая установка ионно-лучевого

осаждения

3.2 Методика синтеза многокомпонентных наноразмерных

структур GalnPAs в условиях ИЛО

3.3 Расчет вакуумной системы установки ионно-лучевого

осаждения при выходе на рабочий режим

Выводы

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований получения

наноструктур GalnPAs с помощью ионно-лучевого осаждения

4.1 Результаты СЭМ и АСМ исследований

4.2 Результаты исследования элементного состава наноразмерных

структур выращенных методом ИЛО

4.3 Люминесцентные свойства наноструктур GaInPAs/GaAs и

GalnAs

4.4 Возможности приборной реализации исследованных наноструктур GaInPAs полученных методом ИЛО

в оптоэлектронике

4.5 Практические рекомендации по формированию наноструктур методом ионно-лучевого осаждения

Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ионно-лучевое осаждение наноразмерных структур GaInPAs-GaAs»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. На современном этапе развития технологии полупроводников большое внимание уделяется развитию приложений гетероструктур основанных на квантово-размерных эффектах. Данные

материалы перспективны с точки зрения создания новых устройств на квантовых эффектах. Гетероструктуры на основе системы Оа1пРЛв представляют научный и практический интерес в силу своих оптоэлектрических свойств позволяющих решать достаточно широкий круг задач в оптоэлектронике. На основе твердых растворов Оа1пРЛв изготавливают светодиоды, работающие в инфракрасной области спектра, гетеролазеры и фотоприемники чувствительные к длине волны принимаемого излучения 0,7-0,9 мкм (на подложке ОаЛБ). Для больших длин волн (1-1,6 мкм) также могут быть использованы соединения Оа1пРЛв согласованные по параметру решетки с подложкой 1пР. Формирование многокомпонентных квантово-размерных структур на основе соединения Оа1пРЛв и его твердых растворов в свою очередь позволяет существенно увеличить параметры вышеуказанных приборов и создать ряд новых решений соответствующих довольно широкому кругу требований.

Для получения наногетероструктур ЛШБУ наиболее широкое распространение получили методы молекулярно-пучковой и газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений. Молекулярно-пучковая эпитаксия и МОС-гидридная эпитаксия являются на сегодняшний день наиболее распространенными и эффективными методами формирования полупроводниковых наноразмерных структур. Данными технологическими методами можно формировать наногетероструктуры на основе бинарных и многокомпонентных соединений ЛШБУ. Однако, несмотря на все преимущества, указанные методы характеризуются потребностью в сложном оборудовании и оснастке, что обуславливает поиск альтернативных решений.

В настоящее время относительно простой метод ионно-лучевого осаждения (ИЛО) может представлять интерес как альтернативный метод выращивания

наногетероструктур AIIIBV на основе бинарных соединений и многокомпонентных твердых растворов.

Степень разработанности темы исследования. Метод ИЛО известен достаточно давно и широко применялся для нанесения просветляющих покрытий и тонких пленок металлов и диэлектриков, однако получение наноразмерных структур на основе многокомпонентных полупроводниковых соединений AIIIBV данным методом практически не изучено.

Цели и задачи диссертационного исследования. Цель диссертационной работы: исследование условий формирования и физических свойств наноразмерных структур многокомпонентной системы GaInPAs-GaAs, выращенных в условиях ионно-лучевого осаждения.

Задачи, необходимые для достижения поставленной цели: проведение расчета кинетических параметров осаждения GaInPAs (скорости распыления и роста выращиваемого соединения) в условиях ионно-лучевого осаждения при различных параметрах процесса (температуры подложки, энергии и тока ионного пучка, расстояния от мишени до источника). При этом распыление мишени осуществляется из единого технологического источника;

проведение анализа и расчетов процесса формирования наноразмерных структур GaInPAs при ионно-лучевом осаждении;

проектирование и изготовление технологической оснастки для ростовой камеры установки ионно-лучевого осаждения;

установление зависимости характеристик (формы, размера, плотности распределения) самоформирующихся наноостровков GaInPAs-GaAs от параметров роста (температура подложки, время ростового процесса, энергия распыления) для нахождения оптимальных условий синтеза заданных структур; исследование физических свойств наноразмерных островков GaInPAs. Научная новизна. В диссертационной работе:

предложен метод и алгоритм расчета скорости роста многокомпонентной системы GaInPAs в условиях ионно-лучевого осаждения при распылении элементов из единого технологического источника;

предложена методика моделирования процесса формирования наноостровков твердых растворов Оах1п1-хРуЛв1-у в зависимости от состава распыляемой мишени;

установлена взаимосвязь параметров островковых наноструктур Оа1пРЛв с ростовыми условиями процесса ионно-лучевого осаждения;

определены параметры ростовых режимов, при которых массивы островков Оа1пРЛв характеризуются минимальным разбросом по размерам, высоте и плотности распределения;

проведено исследование морфологии поверхности и оптоэлектрических свойств наноостровков Оа1пРЛв выращенных методом ионно-лучевого осаждения.

Теоретическая и практическая значимость. В работе: предложена методика расчета кинетических параметров осаждения Оа1пРЛв (скорости распыления и роста выращиваемого соединения) в условиях ионно-лучевого осаждения при различных параметрах процесса (температуры подложки, энергии и тока ионного пучка, расстояния от мишени до источника). При энергии ионов Е=2000 эв, значении тока ионного пучка 1=40 мА, расстоянии от источника до подложки Ь=5 см и угле распыления источника а=450 скорость роста составляет порядка УРжт=1,9Л0'9 м/сек;

произведен расчет размеров наноразмерных островков Оа1пЛвР и эффективной ширины запрещенной зоны полученных структур. Показано, что при формировании наноструктур Оах1п1-хЛвуР1-у значение эффективной ширины запрещенной зоны может составлять величину порядка 1,6 эВ, в то время как четырехкомпонентного твердого раствора Оа1пЛвР составляет 1,4 эВ. Радиус островков в среднем составляет порядка 10 нм. Предложен метод расчета зависимости размеров наноостровков от концентрации компонентов твердого раствора;

получены результаты СЭМ и АСМ-исследований морфологии поверхности наноструктур Оа1пЛвР выращенных методом ИЛО при различной температуре осаждаемой подложки (400-600°С), времени процесса осаждения (1-8 мин) и

скорости роста (энергии ионного пучка 700-1200 эВ, ток ионного пучка 18-30 мА). Интерпретация полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что температурный диапазон 550-600°С, время осаждения 3 мин, энергия ионного пучка 1000 эВ и ток ионного 25 мА пучка являются наиболее оптимальными значениями технологических параметров для выращивания массивов наноостровков GaInAsP;

в едином цикле при фиксированных значениях ростовых параметров (энергии ионов - 1000 эВ, токе пучка - 25 мА, времени осаждения равному 3мин и температурах роста 500°С, 550°С и 600°С) были получены наноструктуры трехкомпонентной системы GaInAs-GaAs следующих составов: 1) Ga0,979In0,021As; 2) Gao,95зIno,o47As; 3) Gao,90зIn0,0907As;

проведено исследование фотоэлектрических свойств наноструктур GaInAsP-GaAs выращенных в температурном диапазоне 400-600°С. Изменение положения пика фотолюминесценции слоя с наноструктурами точками GaInPAs наблюдается в коротковолновой области. В температурном диапазоне от 400°С до 500°С наблюдается коротковолновый сдвиг спектра фотолюминесценции примерно от 1,6 эВ до 1,64 эВ, что говорит об уменьшении объема наноструктур. При увеличении температуры от 500°С до 600°С приводит к сдвигу спектра ФЛ в область более длинных волн (примерно от 1,64 эВ до 1,61 эВ), что говорит об увеличении размера наноразмерных островков;

также получены результаты исследования спектров фотолюминесценции наноразмерных структур GaInAs различного состава. Установлено, что при увеличении индия в составе наноструктур пик фотолюминесценции смещается в сторону меньших энергий. А для состава Ga0,90зIn0,097As фотолюминесценция разбивается на два пика. Пик с меньшей энергией соответствует наноструктурам ^=1,386 эВ, а с большей энергией соответствует подложечному материалу -арсениду галлия ^=1,435 эВ;

на основе наноструктур GaxIn1-xPyAs1-y в матрице GaAs разработан вариант конструкции фотоприемника для длин волн принимаемого излучения Х=0,76-0,86 мкм.

Методология и методы исследования. Предметом исследования диссертационной работы является изучение морфологии поверхности, состава и спектральных характеристик наноструктур Оа1пРЛв, выращенных при различных ростовых параметрах в условиях ионно-лучевого осаждения. Изучение морфологии поверхности проводилось методами атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. Исследование элементного состава полученных наноструктур производилось методом рентгеновского флуоресцентного анализа, спектральные характеристики получены при помощи исследования спектров фотолюминесценции образцов.

Положения, выносимые на защиту:

возможность выращивания наноразмерных структур твердых растворов Оах1п1-хРуЛв1-у заданного состава в условиях распылении из единого технологического источника при ионно-лучевом осаждении основана на введении задвижки между подложкой и распыляемым источником на первоначальной стадии процесса;

скорость роста многокомпонентных полупроводниковых соединений при распылении из одного источника лимитирована содержанием элемента, имеющего наименьший коэффициент распыления;

в условиях процесса ионно-лучевого осаждения твердых растворов Оа1пЛвР на подложки ОаЛв при давлении 10-4 Па, температуре подложки 450-550°С, времени осаждения 2-4 мин, энергии ионов 700-1000 эВ и величины тока ионного пучка равной 20-25мА имеет место рост слоев с наноразмерными островками имеющих размерами 7-24 нм и высотой 8-9 нм. Скорость роста при этом составляет 0,5-1 мкм/час;

уменьшение энергии ионов и тока пучка при ионно-лучевом осаждении приводит к увеличению роли диффузионных процессов на поверхности осаждаемого слоя, что ведет к улучшению структурных свойств формируемых наноструктур, но скорость роста при этом снижается. При увеличении энергии и тока пучка скорость роста увеличивается, но при этом увеличивается плотность

островков, разброс по высоте и расположение островков становится менее однородным.

Степень достоверности. Результаты проведенных исследований подтверждается многократной повторяемостью экспериментальных данных, методами металлографического и рентгеноструктурного анализа, АСМ, СЭМ, информацией об электрофизических свойствах исследованных структур и согласием теоретических оценок с экспериментальными данными.

Апробация работы. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ [48-57], в том числе, 3 статьи [48-50] в изданиях рекомендованных ВАК, в которых изложены основные положения диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в 2010-2013 гг на Международной научной конференции "Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности "Астинтех-2010" (Астрахань, 2010 г.), на IV международной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых "Научный потенциал студенчества в XXI веке" (Ставрополь, 2010 г.), на Всероссийской научной школе "Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы" (Новочеркасск, 2011 г.), на девятой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2013 г.), на VI Международной школе «Физическое материаловедение» (Новочеркасск, 2013 г.).

Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации получены лично автором. Автор непосредственно участвовал в планировании диссертационных исследований. Им определены цель, задачи, выбор объектов исследования, разработаны технологические приемы выращивания наноструктур, осуществлены экспериментальные исследования. Проведены измерения электрофизических параметров и морфологии поверхности, выбраны оптимальные параметры роста, дана интерпретация полученных результатов.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Минобрнауки России в рамках государственного задания по проекту 2014/16, код проекта: 2516.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Физические свойства и возможности применения четырехкомпонентного твердого раствора СаТпРАэ в оптоэлектронике

Впервые сообщение о получении эпитаксиальных слоев твердого раствора Оах1п1-хЛвуР1-у, изопериодных с фосфидом индия в интервале составов (х~0,1; у~0,8-Ю,75) появились в работах [1-3]. На этих гетероструктурах были получены фотокатоды, превосходящие по параметрам аналогичные приборы на тройных растворах [1]. В работах [4,5] показано наличие непрерывного ряда твердых растворов (ТР), которые лежат на диагоналях диаграммы составов твердого раствора Оах1п1-хЛвуР1-у, если рассматривать четверной раствор как твердый раствор, образуемый четырьмя бинарными соединениями (в нашем случае ОаЛв, 1пЛв, 1пР и ОаР) [6,7].

Впервые газовая эпитаксия GaInPAs\GaAs была проведена авторами работ [8,9]. Эпитаксиальные пленки хорошего качества с гладкой зеркальной поверхностью осаждались или с переходным слоем толщиной 15-30 мкм или без переходного слоя. Толщина эпитаксиальных пленок Оа1пРЛв без учета переходного слоя составляла 20-50 мкм. Известно, что для твердого раствора Оах1п1-хРуЛв1-у/ОаЛв можно выращивать ТР с изопериодными составами при изменении от 1,43 до 1,96 эВ [10, 11].

На основе ТР Оа1пЛвР с развитием оптической волоконной связи, изготавливаются светодиоды, работающие в инфракрасной части области спектра. С помощью этих четырехкомпонентных полупроводников, на подложках 1пР, можно перекрывать спектральный диапазон от 0,93 мкм до 1,68 мкм. Этот диапазон интересен тем, что входит в область минимальных потерь стеклянных волоконно-оптических волноводов (порядка 1,55 мкм). В 1975 году было сделано одно из первых сообщений об изготовлении гетероструктуры, длина волны излучения которой составляла1,06 мкм при температуре 77 К [12].

Приведем данные по зависимости Eg от состава для четырехкомпонентного твердого раствора (ЧТР) GaInPAs (рисунок 1.1-1.3)[10].

Рисунок 1.1 - Зависимость Eg твердого раствора ОаТпРАБ от состава

Рисунок 1.2 - Eg твердого раствора ОаТпРАв от состава

— ** - ^ Г '

- * " г'''-*- --1 ...... и--........ --- *** ««-■■'* *

. Vх"

** * * "Л ^^н/ ■■'■ (?р= 0,2 - - ■ с^0,3

"V* , 4 * л -С^ 0,5 ■■■ С^О.б

- - - С^0,7

— С

подложка ОаАв

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

С йз, мол.дол.

Рисунок 1.3 - Зависимость Eg твердого раствора Оа1пРАз от состава

Как и для AlGaAs, где возможен почти идеальный переход, так и для GaInPAs, основным требованием к гетероструктуре является идеальное согласование параметров решеток фосфида индия и ЧТР. При помощи этой гетероструктуры была достигнута эффективность светодиода до п=28 % [13]. В этой же работе описывается реализация изопериодной гетероструктуры на GaInAsP/GaAs, которые, впрочем, не позволяют продвинуться в область длин волн, меньше чем 0,668 мкм. Поэтому возникла необходимость использовать в качестве подложки слои GaPAs. Гетероструктуры с активным слоем GaPyAs(1-У) и широкозонными слоями GaInAsP позволяют получать генерацию при 77 K с длиной волны Х=0,6205 мкм для у=0,4 и Х=0,618 мкм для у=0,41.

Особый интерес представляет возможность применения твердых растворов GaInPAs в роли рабочих слоев полупроводниковых гетеролазеров [14-18]. Четырехкомпонентные твердые растворы GaInPAs работают в ИК части спектра. На базе гетероструктур GaInPAs/GaAs и GaInPAs/GaPAs были созданы гетеролазеры оранжевого, желтого и желто-зеленого диапазонов. Изначально

гетеролазеры на базе GaPAs функционировали на длине волны порядка 0,64 мкм при температуре 77 К. Более сложные гетероструктуры GaInPAs работали на длине волны около 0,66 мкм при температуре равной комнатной. Однако эти структуры не позволили продвинуться в коротковолновую часть электромагнитного спектра. Оказалось необходимым использовать в качестве подложки слои GaPAs, в качестве широкозонных слоев - GaInP или GaInPAs, изопериодные с GaPAs. Использование структур GaInAsP предоставило возможность получить генерацию при 77 К около 0,62 мкм. Пороговая

3 2

плотностью тока при этом составляла порядка 4,6-10 А/см [13].

На гетероструктуре GaInAsP/InP также были созданы лазеры инжекционного типа в интервале 1,06-^1,65 мкм [19,20]. Использование светодиодов, фотодиодов, лазеров на базе GaInAs/GaAs и GaInPAs/InP в комбинации с волоконными линиями связи позволило создать ВОЛС (вначале в диапазоне 0,9 мкм, а потом и для 1,3 мкм) [21].

На базе гетероструктур GaInPAs/GaAs изготавливаются фотоприемники функционирующие на длине волны 0,7-0,9 мкм. Для больших длин волн (11,6 мкм) также могут можно использовать соединения GaInAsP выращенные на подложке InP. На основе данных гетероструктур изготавливают как pin-, так и лавинные гетерофотодиоды [10].

На современном этапе развития технологии полупроводников большое внимание уделяется развитию приложений гетероструктур AIIIBV, основанных на квантово-размерных эффектах. Данные материалы перспективны с точки зрения создания новых устройств на квантовых эффектах. Формирование многокомпонентных квантово-размерных структур на основе соединения GaInPAs и его твердых растворов позволяет существенно увеличить параметры вышеуказанных приборов и создать ряд новых решений соответствующих довольно широкому кругу требований.

Простейшей квантово-размерной структурой является тонкая пленка нанометровых размеров. Электроны и дырки в ней движутся в "плоскости" пленки. Волна де Бройля "размазанных в плоскости электронов",

распространяется вдоль активной зоны, "не чувствуя" измерений кристаллической решетки, носящих периодический характер. Другими словами на такую волну не оказывают влияние электростатические силы собственных атомов решетки, ни примесей - скорость электронов увеличивается почти на порядок. Для светодиодов и лазеров это означает увеличение коэффициента усиления вынужденного излучения и как следствие, повышение КПД и значительное уменьшение пороговой плотности тока, а для фотодетекторов -резкое увеличение быстродействия [22].

1.2 Влияние пространственной локализации на электронные свойства полупроводниковых низкоразмерных структур

Если уменьшать размеры проводника настолько, что они станут сравнимы с наномасштабами, то движение электронов проводимости будет физически ограничено размерами области, в которой они могут находиться. Другими словами электроны испытывают эффект локализации, то есть их движение ограничивается потенциальным барьером, отделяющим их от области в которой они могли бы свободно двигаться. Или можно сказать, что электроны оказываются в ограниченной области с отрицательной энергией (потенциальной яме). Можно представить довольно простую модель, которая наглядно показывает характеристики такой области. В данном случае это прямоугольный колодец с очень крутыми стенками. Данная модель ямы может иметь одно, два, три и еще большее количество измерений. Для простоты будем рассматривать одномерный случай [23].

Известно, что уровни энергии одномерной прямоугольной потенциальной ямы, шириной а, со стенками бесконечной высоты задаются уравнением:

Е.. =

2 2 71 Т]

2 та2

2 2

п=Е"п' (1.1)

где Е0 = п2И2/2ша — энергия основного состояния, а квантовое число п в данном случае имеет значения 1,2,3,... . [23].

Данные уровни заполняются электронами снизу - вверх. В случае бесконечно глубокой ямы количество уровней в ней также бесконечно и расстояние между ними прогрессивно увеличивается с увеличением квантового числа п [23].

В том случае если же глубина ямы не бесконечна, то количество уровней En конечно и они лежат ниже соответствующих уровней бесконечно глубокой ямы. В независимости от глубины ямы в ней имеется хотя бы одно связанное состояние Е1. Электроны, находящиеся в таких состояниях в одномерной потенциальной яме, характеризуются волновой функцией щп(х). Вероятность его обнаружения в заданной точке x вычисляется как квадрат волновой функции \уп(х)\ , где п — квантовое число, соответствующее состоянию, в котором находится электрон [23].

В одномерной прямоугольной яме четные и нечетные волновые функции щп(х) чередуются. Для бесконечно глубокой ямы ненормированные волновые функции имеют вид:

уп = sin(nпx\a) п = 1,3,5 K четные функции (12)

щп = sin(nпx\a) п =2,4, 6, К нечетные функции (13)

Четность волновой функции определяется следующим образом:

если щп(х + а/2) = щп(—х + а/2) - функция называется четной если щп(х + а/2) = = — щп (—х + а/2) - нечетной

Также немаловажной разновидностью являются потенциальные ямы

криволинейного поперечного сечения. Для двумерной ямы круглого сечения с

радиусом а и потенциалом, заданным в виде У=0 при 0<<р<<а и У=¥0 снаружи

2 21 1/2

этой области, где р= (х + у ) и tg ф= х/у — полярные координаты.

Существует и трехмерный аналог вышерассмотренной ямы, для которого потенциал равняется нулю при значениях радиальной координаты 0 < < г < < а У 0 - снаружи, где г=(х2 + у2 + 22)1/2. Также часто используемый потенциал -У(х)=1/2кх2, У(р)=1/2кр2 и У(г)=1/2кГ для параболической потенциальной ямы в одно -, дву - и трехмерном случае соответственно [23].

Число электронов, которые могут одновременно находиться на энергетическом уровне Еп, является еще одной его характеристикой. Оно находится в зависимости от комбинаций квантовых чисел, соответствующему данному уровню энергии. Из уравнения (1.1) следует, что в случае одномерной прямоугольной ямы каждому уровню энергии соответствует лишь одно значение квантового числа п. Электрон также имеет спиновое квантовое число т3, принимающее значение т3 = + 1/2 или т3 = -1/2. Для одномерной прямоугольной ямы значение энергии для обоих спиновых состояний одинаково. В соответствии с принципом Паули, на каждом уровне энергии Еп одномерной прямоугольной потенциальной ямы могут находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами. Вырождение всех уровней одномерной прямоугольной ямы равно двум [23].

Многие электронные и другие свойства полупроводников и металлов кардинально меняются при переходе от объемных к низкоразмерным структурам. Некоторые наноразмерные структуры обладают интересными свойствами локализации электронов по одному или двум измерениям и одновременной их делокализации по двум или одном оставшемся.

В случае пространственной локализации по всем трем измерениям электроны оказываются запертыми в трехмерной потенциальной яме, и по всем трем координатам происходит квантование энергии. Количество электронов Ы(Е) и плотность состояний В(Е) определяются в данном случае из следующих выражений:

ЩЕ) = К^®{Е-Е^) (1-4)

О(Е) = К0^3(Е-Е^2 (1.5)

Плотность состояний системы состоит из набора 3 - функций положения, которых совпадают с энергетическими уровнями размерного квантования. Плотность состояний В(Е) является ключевым фактором, влияющим на различные электронные и иные свойства, а она в случаях локализации по различному количеству пространственных измерений наноструктур кардинально отличается. Это значит, что

природа размерности и локализации, связанная с конкретной наноструктурой, оказывает определяющее влияние на ее свойства [23].

1.3 Технологические методы получения полупроводниковых

наноразмерных структур

Низкоразмерные полупроводниковые структуры можно получать различными технологическими методами. Существует много способов, которые, однако, не получили широкого применения вследствие недостаточной эффективности или недостаточно отработанной технологии, используются только в лабораториях или очень ограничено в производстве. В данном разделе рассмотрим только те технологические методы, которые получили наиболее широкое распространение.

Момент ограничения новых идей предельными технологическими возможностями был успешно преодолен с развитием метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Суть технологического метода МЛЭ заключается в процессе испарения и конденсации вещества в сверхвысоком вакууме (Р < 10-9 мм.рт.ст.). К несомненным преимуществам технологии МЛЭ можно отнести прежде всего высокое качество получаемых результатов и их повторяемость которая обеспечивается наличием вакуумного оборудования поддерживающего сверхвысокий уровень вакуума, наличием чистых источников испаряемых материалов, точным контролем температуры подложки а также компьютерным управлением технологическими параметрами процесса.

При всех несомненных преимуществах технология МЛЭ-является достаточно дорогостоящей, в чем и заключается ее единственный существенный недостаток, что вызывает поиск альтернативных методов.

Одним из них является метод газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (МОС-гидридная эпитаксия). В данном случае у поверхности подложки происходит пиролиз исходных газообразных реагентов с выделением пленкообразующих компонентов. При этом подложка нагревается до более высокой температуры, чем окружающая среда.

По сравнению с МЛЭ технологический метод МОС-гидридной эпитаксии отличается своей простотой и обладает более высокой производительностью, однако воспроизводимость результатов в данном методе значительно хуже. Данное обстоятельство связано с длительным временем синтеза и относительно высокими температурами роста.

Интерес к изучению квантово-размерных структур и отсутствие возможности использования технологических методов МЛЭ и ГФЭ способствовали развитию метода жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) [24]. Все группы способов эпитаксиального наращивания из жидкой фазы различаются по способу создания пересыщения в растворе - расплаве [25]. Пересыщение может охватывать либо весь объем жидкой фазы, либо лишь часть, прилегающую непосредственно к поверхности подложки. Непосредственно способы создания пересыщения различаются по параметру, используемому для регулирования величины пересыщения в системе. Термодинамическое равновесие в системе можно устанавливать, изменяя давление пара (Р), концентрацию компонентов (С) и температуру процесса Т. В большинстве способов ЖФЭ регулируемым параметром является температура, так как данный параметр легче всего изменять

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гусев Дмитрий Александрович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Nakajima K., Kusunoki T., Akita K., Kotani T. Phase diagram of the In-Ga-As-P quaternary system and the LPE grouth conditions for lattice satching on InP substrates // J. Electrochem. Soc. 1978. V. 128. 1. P. 12-127.

[2] Nahory R.E., Pollack M.A., Beebe E.D., DeWinter J.C. High-quantue -officiency photoemission on from and InGaAsP photocathode // J. Electrochem. Soc. 1978. V. 125. 7. P. 1053-1058.

[3] Nahory R.E., Pollack M.A., DeWinter J.C. Growth and conditions compositional grading of GaAs1-x-ySbyPx by liquid phase epitaxy // J. Appl. Phys. 1977. V. 48. 1. P. 320-323.

[4] Ilegems I., Panish M.B. Phase Equilibria in III-V Quaternary System -Application to Al-Ga-P-As // J. Phys. Chem. Solids. 1974. V. 35. 3. P. 409-416.

[5] Биркс Л.С. Рентгеновский микроанализ с помощью электронного зонда. М., 1966.

[6] Matavulj P., Gvozdic D., Radunovic J. The influence of nonstationary carrier transport on the bandwidth of p-i-n photodiode // J. Lightwave Technol. 1997. V. 15.

12. P. 2270-2270.

[7] Батура В.П., Вигдорович В.Н., Селин А.А. Четырехкомпонентные твердые растворы соединений группы AIIIBV - перспективные материалы оптоэлектроники // Зарубежная электронная техника. 1998. T. 12. C. 8-52.

[8] Фотолюминесценция твердых растворов арсенид алюминия арсенид галлия, легированный германием / Ж. И. Алферов, Д. З. Гарбузов, О. Ф. Нинуа, В. Г. Трофим // ФТП. 1971. Т. 5. 6. С. 1122 - 1125.

[9] Исследование зависимости параметров твердых растворов AlxGa1-xAs от состава фотолюминесцентными методами / А. И. Базык, В. Ф. Коваленко, Г. П. Пека, В. А. Петряков // ФТП. 1981. Т. 15. 7. С. 1363 - 1367.

[10] Сысоев И.А. Эпитаксия твердых растворов А3В5 с микро- и наноструктурой в поле температурного градиента. Дис.... доктора техн. наук, Ставрополь, 2010. - 262 с.

[11] Многокомпонентные гетероструктуры на Si-подложках / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах / Тезисы докладов V конференции. Т. II. - Калуга, 1990. С. 41 -42.

[12] Коваленко, В. Ф. Гетеропереходы в системе AlAs-GaAs и приборы на их основе / В. Ф. Коваленко // Полупроводниковая техника и микроэлектроника. 1974. 16. С. 12 - 27.

[13] Координатное изменение люминесценции в варизонной Gai-xAlxAs :Si p-n структуре / П. А. Аскаров, В. В. Гутов, А. Г. Дмитриев, А. Н. Именков, Б. В. Царенков, Ю. П. Яковлев // ФТП. 1974. Т. 8. 10. С. 1913 - 1917.

[14] Шаскольская, М. П. Кристаллография / М. П. Шаскольская. - М.: Высшая школа, 1976. С. 391.

[15] Olsen, G. H. The effect of elastic strain on energy band gap lattice parameter in III - V compounds / G. H. Olsen, C. J. Nuese, R. T. Smith // J. Appl. Phys. 1978. V. 49. N 11. Р. 5523 - 5529.

[16] Лозовский, В. Н. Изв. АН СССР. Неорг. материалы. 1975. Т. 11. 7. С. 1165 - 1168 / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, Е. А. Николаева.

[17] Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справ. изд. : в 4-х т. / Л. В. Гурвич, И. В. Вейц, В. А. Медведев [и др.]. - 3-е изд. - Т. III. Кн. 1. -М. : Наука, 1981. - 472 с.

[18] Получение низкоразмерных структур в системе Al-Ga-As методом импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава/ И. Е. Марончук, С. Ю. Ерохин, А. В. Калашников, Т. Ф. Кулюткина, В. В. Курак, А. Д. Кучерук, А. И. Марончук // Свойства тонких пленок: сб-к трудов конференции. - Харьков, 2001. С. 377 - 382.

[19] Богатов А.В., Долгинов Л.М., Дружинина Л.В. и др. Гетеропереходы на основе твердых растворов GaxIn1-xAs1-yPy и AlxGa1-xSbyAs1-y/GaSb // Квантовая электроника. 1974. Т. 1. 10. С. 2294-2297.

[20] Богатов А.В., Долгинов Л. М., Елисеев П.Г. и др. Излучательные характеристики лазерных гетероструктур на основе InP-GaInAsP // ФТП. 1975. Т. 9. 10. C. 1956-1961.

[21] Кузнецов В.В., Лунин Л.С., Ратушный В.И. Гетероструктуры на основе четверных и пятерных твердых растворов соединений AIIIBV. - Ростов н/Д.: Изд.-во СКНЦ ВШ, 2003. - 376 с.: ил.

[22] Лунин Л.С. Фундаментальные основы оптоэлектроники. Физика полупроводников и наноструктур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника: материалы всероссийской молодежной конференции, г. Новочеркасск, 11 -12 октября. / Юж.-Рос.гос. техн. ун-т (НПИ).-Новочеркасск: ЛИК, 2012.-с 8-10

[23] Ч. Пул-мл., Ф. Оуэнс. Нанотехнологии. Москва: Техносфера, 2006.-336

с.

[24] Баранник А.А., Благина Л.В., Драка О.Е., Подщипков Д.Г. Физико-химические основы многокомпонентных полупроводников с заданной субструктурой. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ, 2009. 204 с.: ил.

[25] Лозовский В.Н., Лунин Л.С. Пятикомпонентные твердые растворы соединений A3B5. Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 1992. С 192.

[26] Deith R.N. Liquid-phase epitaxial growth of gallium arsenide under transient thermal conditions // J. Cryst. Growth. 1970. Vol. 7. P. 69-73.

[27] Уфимцев В.Б., Акчурин Р.Х. Физико-химические основы жидкофазной эпитаксии. М.: Металлургия, 1983.

[28] Rode D.L. Isothermal diffusion theory of LPE: GaAs, GaP bubble // J. Cryst. Growth. 1983. Vol. 20. P. 13-23.

[29] Woodal J.M. Isothermal solution mixing growth of thin GaInAs layers // J. Electrochem. Soc. 1981. Vol. 118. P. 150-152.

[30] Геворкян В.А., Голубев Л.В., Петросян С.Г. и др. Электрожидкостная эпитаксия - I, II // ЖТФ. 1977. Т. 47. Вып. 6. С. 1306-1313, 1314-1318.

[31] Лозовский В.Н., Лунин Л.С., Благин А.В. Градиентная жидкофазная кристаллизация многокомпонентных полупроводниковых материалов. Ростов н/Д: Издательство СКНЦ ВШ, 2003. 376 с.: ил.

[32] Ратушный В.И., Мышкин А.Л., Сысоев И.А., Разумовский П.И. Кристаллическое совершенство пятикомпонентных гетероструктур

AlInGaPAs/GaAs // Оптика полупроводников: Тр. междунар. конф. Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2000. С. 164.

[33] Лозовский В. Н. Зонная плавка с градиентом температуры / В. Н. Лозовский; под редакцией проф. докт. техн. наук В. Н. Вигдоровича. - М.: Металлургия, 1972. - 240 с.

[34] Лозовский В.Н., Лунина О.Д. Эпитаксия варизонных слоев AlxGa1-xAs в поле температурного градиента // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1980. Т. 16. 2. С. 213-215.

[35] Бериш Р., Виттмак К., Легрейд Н. и др. Распыление под действием бомбардировки частицами Вып. III. Характеристики распыленных частиц, применения в технике: Пер. с англ. / Под ред. Р. Бериша и К. Витгмака. — М.: Мир, 1998. —551 с., ил.

[36] Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии: Учеб. Пособие для спец. Электронной техники вузов. - М.: Высш. шк., 1984.-320 с., ил.

[37] Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: "Высшая школа". 3-е издание, переработанное, дополненное, 1986 - 386 с.

3 5

[38] Соединения А В . Стрельченко С. С., Лебедев В. В.: Справ, изд. М.: Металлургия, 1984. 144 с.

[39] Смирнов, А. Г. Квантовая электроника и оптоэлектроника / А. Г. Смирнов. - Минск : Высшая школа, 1987. С. 194.

[40] Многокомпонентные гетероструктуры АШВУ на Si-подложках / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах / Тезисы докладов V конференции. Т. II. - Калуга, 1990. С. 41 -42.

[41] Лозовский, В. Н. Пятикомпонентные твердые растворы соединений АШВ\ (Новые материалы оптоэлектроники) / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин. -Ростов-на-Дону : РГУ, 1992. С. 192.

[42] Излучательная рекомбинация в эпитаксиальных структурах GaAs -Ga1-xInxAsl-yPy с плавным переходным слоем / В. И. Осинский, Ф. М. Кацапов, О. Я. Тихоненко, Е. Н. Вигдорович, Л. Б. Плавич // Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах : Тез. докл. / II Всесоюз. конф. Т. 1. -Ашхабад : Ылым, 1978. С. 45 - 46.

[43] Hsieh, J. J. Room-temperature cw opération of buries stripe clouble-heterostructure GaInAsP/InP diode-lasers / J. J. Hsieh, С. С. Shen // Appl. Phys. Lett. 1977. V. 30. N 8. Р. 489 - 431.

[44] В.И Кузнецов Н. Ф. Немилов В. Е. Шемякин. Эксплуатация вакуумного оборудования // М.: «Энергия», 1978 - 208 с.

[45] В.В. Крапухин, И.А. Соколов, Г.Д. Кузнецов. Физико-химические основы технологии п/п материалов // М.: Металлургия, 1982 - 352 с.

[46] Вакуумная техника: Справочник/Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др.; под общ ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. - М.: Машиностроение, 1985.-360 с., ил.

[47] Алферов Ж.И. Физика и жизнь. 2-ое изд., доп. М., СПб., 2001.

[48] Сысоев И.А., Гусев Д.А., Катаев В.Ф., Данилов С.Ю., Закота А.В. Получение четырехкомпонентных соединений А3В5 методом ионно-лучевого осаждения/ Прикаспийский журнал "Управление и высокие технологии"-2010.

4(12).С-.83-88

[49] Сысоев И.А., Лунина М.Л., Алфимова Д.Л., Благин А.В., Гусев Д.А., Середин Б.М. Формирование массивов квантовых точек GaxIn1-xAsyP1-y в процессе ионно-лучевого осаждения // Неорганические материалы.-2013. том 50,

2, с 1-7.

[50] Благин А.В., Сысоев И.А., Лунина М.Л., Гусев Д.А., Шошиашвили И.С. Физико-технологические особенности ионно-лучевого осаждения наноразмерных структур на основе твердых растворов А3Б5. Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Техн. науки.- 2011. 5. С. 125-128.

[51] Закота А.В., Гусев Д.А., Данилов С.Ю. Конструкция установки ионно-лучевого осаждения многокомпонентных полупроводниковых соединений для получения солнечных элементов/ Материалы IV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научный потенциал студенчества в XXI веке» Том первый. Естественные и технические науки. г. Ставрополь: СевКавГТУ, 2010, С 35-37.

[52] Михайлов А.А., Гусев Д.А., Сысоев И.А. Исследование распределения плотности тока ионного пучка источника ионов клан - 53 М при различных режимах работы/ Материалы IV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научный потенциал студенчества в XXI веке» Том первый. Естественные и технические науки. г. Ставрополь: СевКавГТУ, 2010, С 72-75.

[53] Благин А.В., Лунин Л.С., Сысоев И.А., Гусев Д.А. Особенности ионно-лучевого осаждения наноразмерных многокомпонентных пленок/ Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы: сборник тезисов и статей Всероссийской научной школы, г. Новочеркасск, 5-7 сентября 2011 г. / Юж.-Рос. Гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЛИК, 2011 -С 113-115.

[54] Сысоев И.А., Благин А.В., Гусев Д.А. Влияние параметров ионного пучка на процессы формирования массивов квантовых точек GaInPAs в условиях ионно-лучевого осаждения / Материалы VI Международной школы «Физическое материаловедение»- Новочеркасск: ЛИК 2013-с 179-181

[55] Гусев Д.А., Данилов С.Ю., Катаев В.Ф. Технологические особенности получения полупроводниковых соединений типа А3В5 методом ионно-лучевого осаждения / Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности АСТИНТЕХ-2010: материалы Международной научной конференции. - Астрахань, 2010. - С 128-132.

[56] . Гусев Д.А., Данилов С.Ю., Сысоев И.А. Исследование возможностей получения наноструктур на основе соединения InAs\GaAs методом ионно-лучевого осаждения / Студенческая весна: материалы ежегодной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых -Новочеркасск: ЛИК 2010. С 75.

[57] Гусев Д.А. Влияние температурных режимов на процессы формирования массивов квантовых точек GaInAs в условиях ионно-лучевого осаждения / Материалы Девятой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. - Ростов-на-Дону: Ростов-на-Дону , 2013. - С 126-130.

[58] Сысоев И.А., Письменский М.В, Русинов С.В., Марченко А.А. Возможность получения соединений АШВУ методом ионно-лучевого осаждения. Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: IV Междунар. научн. конф., 2004г., г.Кисловодск, Россия. Ставрополь: 2004. Изд-во СевКавГТУ.

[59] Сысоев И.А., Добрынин В.В. Особенности вакуумной части установки инно-лучевого локального напыления. Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Техн. науки. -2004. - Прил. 5. Ростов-на Дону, Изд-во СКНЦ.

[60] Сысоев И.А., Калачев А.Н. Многоионный источник с продольным магнитным полем для нанесения тонких пленок. Известия вузов. СевероКавказский регион. Техн. науки. -2004. - Прил. 5. - Ростов-на-Дону, Изд-во СКНЦ.

[61] Лунин Л.С., Сысоев И.А., Калинин Е.В., Подщипков Д.Г. Новые возможности ионно-лучевых технологий в задачах получения оптоэлектронных устройств на основе многокомпонентных соединений АШВV. Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Техн. науки. -2003. - Спецвыпуск.- Ростов-на Дону, Изд-во СКНЦ.

[62] Сысоев И.А., Вишневский Ю.А. Письменский М.А. Конструкция установки ионно-лучевого осаждения различных материалов с двумя вакуумными узлами. Сборник научных статей ВИ ЮРГТУ.- Новочеркасск: 2002, Изд-во СКНЦ.

[63] Сысоев И.А., Марченко А.А. ПисьменскийМ.В. Перспективы получения наноструктур методом ионно-локального осаждения. Кристаллизация в наносистемах: сб. тез. Междунар. науч. конф.- Иваново, 2002, Изд-во РАН.

[64] Сысоев И.А., Булаков И. М. Демченко С. А. Технология получения металлических контактов на полупроводниковых подложках методами вакуумного напыления. Новые методы теоретических и экспериментальных исследований материалов, приборов и технологий: сборник научных трудов -Новочеркасск: 2001, Изд-во СКНЦ.

[65] Сысоев И.А., Смолин А.Ю., Олива Э.В. Применение ионно-лучевой технологии для получения тонкопленочных солнечных элементов. Тонкие пленки в электронике: сборник докладов 12-го Международного симпозиума -Харьков: 2001, Изд-во ИПЦ «Контраст».

[66] Лунин Л.С., Сысоев И.А., Чеботарев С.Н., Пащенко А.С. Технология и оборудование ионно-лучевого осаждения для получения полупроводниковых квантовых точек. Журнал заводская лаборатория. 2010 г.

[67] Лунин Л.С., Сысоев И.А., Чеботарев С.Н., Пащенко А.С. Получение методом ионно-лучевого осаждения InAs/GaAs с квантовыми точками для фотоэлектрических преобразователей III поколения. «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии»: Тез. докл. X междунар. научн. конфер., 2010 г., Ставрополь: 2010.- Изд-во СевКавГТУ.

[68] Сысоев И.А., Головко С. М., Лапин В. А. Исследование параметров ионно-лучевой установки для получения гетероструктуры Ge на Si. Научный потенциал студенчества в XXI веке: IV Международная научная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых. - Ставрополь, 2010. - Т. 1. - С. 28-29.

[69] Лунин Л.С., Сысоев И.А., Чеботарев С.Н., Пащенко А.С., Алфимова Д.Л. Исследование фоточувствительных гетероструктур InAs/GaAs с квантовыми точками выращенных методом ионно-лучевого осаждения. Журнал поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2011, 6, с. 1-5

[70] Сысоев И.А., Прокопенко Л. Д., Кулешов Д. С., Малявин Ф. Ф., Лапин В. А. Технология формирования металлических контактов солнечных элементов с использованием ионно-лучевого травления. Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - Ставрополь, 2012. - 3 (32). - С. 12-16.

[71] Сысоев И.А., Кулешов Д.С., Малявин Ф.Ф., Лапин В.А. Применение метода ионно-лучевого осаждения/травления для получения полупроводниковых квантовых точек. "Научная дискуссия: инновации в современном мире": материалы I международной заочной научно-практической конференции. Часть I. (23 мая 2012 г.) - Москва: Изд. "Международный центр науки и образования", 2012. - 186 с.

[72] Сысоев И.А., Лунин Л.С., Малявин Ф.Ф., Лапин В.А., Кулешов Д.С. Получение гетероструктур GexSi1-x/Si с квантовыми точками методом ионно-лучевого осаждения. «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов»: тр. XI Междунар. конф. Ч. 2. (13-14 мая 2014 г.) - Курск, 2014. - 460 с.

[73] Сысоев И.А., Шевченко Е.Ф., Малявин Ф.Ф. Комбинационное рассеяние света в продуктах конденсации ионно-лучевого и магнетронного распыления графита. Вестник СКФУ. - Ставрополь, 2014. 6(45), с. 85-89.