Структурные и оптические характеристики эпитаксиальных пятикомпонентных твердых растворов в гетероструктурах на A3B5 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Терновая, Вера Евгеньевна

• Терновая, Вера Евгеньевна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Терновая, Вера Евгеньевна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

л г

1.1 Основные методы получения твердых растворов на основе А В

1.2 Фундаментальные свойства полупроводниковых твердых растворов (ТР)

на основе А3В3

1.4 Выводы по главе 1. Цели и задачи, решаемые в работе

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Характеристика исследуемых гетероструктур А1хСау1п1_х_уА82Р1_ 2/СаАз(100) и МхСа^АБ^уРу^ /ОаАз(ЮО)

2.2 Современные методы исследования атомного и электронного строения эпитаксиальных гетероструктур на основе полупроводниковых соединений А3В5

2.2.1 Определение состава твердого раствора и внутренних напряжений полупроводниковых гетероструктур на основе А В методами рентгеноструктурпого анализа

2.2.2 Методика определения параметра решетки в составе твердого раствора

в соответствии с законом Вегарда

2.2.3 Методика разложения дифракционных профилей

2.3 Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия. Картирования обратного пространства

2.4 Рамановская спектроскопия (комбинационное рассеяние света)

2.5. Фотолюминесцентная спектроскопия (ФЛ)

2.6 Микроскопические методы исследования поверхности гетероструктур

2.6.1 Атомно - силовая микроскопия (АСМ) наноструктур

2.6.2 Растровая электронная микроскопия (РЭМ)

2.7 Выводы по Главе 2

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР С

ПЯТИКОМПОНЕНТНЫМИ ТВЕРДЫМИ РАСТВОРАМИ АиСа^п^./^Р,. Д}аА8(100) ТИПА А3В5

3.1 Актуальность исследования гетероструктур на основе твердых растворов А1хОау1п ] _х_у Аб2Р 1 _2/ СаАБ( 100)

3.2 Результаты исследований и их обсуждение

3.2.1 Определение состава, параметров и внутренних напряжений твердых растворов в гетероструктурах А1хОау1п1_х_уА82РЬ//СаА8(100) методами

рентгеноструктурного анализа и микроанализа

3.4. Обсуждение полученных результатов и выводы

ГЛАВА 4.ИССЛЕДОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ АМЗа^Аз,^ ТИПА А3В5, ЛЕГИРОВАННЫХ ФОСФОРОМ И КРЕМНИЕМ

4.1 Актуальность исследования гетероструктур с многокомпонентными твердыми растворами А1хОа1.хА81-уРу:81

4.2 Результаты исследований и их обсуждение

4.4 Обсуждение полученных результатов

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурные и оптические характеристики эпитаксиальных пятикомпонентных твердых растворов в гетероструктурах на A3B5»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Исследование и диагностика гетероструктур на основе пятикомпонентных твердых растворов (ТР) А1хОау1п1.х.уА8гР1^/СаАз(100) и четверных ТР, легированных кремнием А1хОа1.хА81.уРу:81/ОаА8(ЮО) на данный момент является перспективным направлением исследований в области физики полупроводников, поскольку

Л г

ТР на основе полупроводниковых соединений А В находят широкое применение в современной электронной технике, интегральной оптике и оптоэлектронике.

После того, как в [1] было продемонстрировано, что ТР в системе ОаАэ - А1Аб близки к идеальным и с их помощью можно реализовать все преимущества гетероструктур, интерес к ним резко возрос. Особое значение имеют твердые растворы полупроводниковых соединений А3В5 с прямыми переходами в структуре энергетических зон. Их применение в оптоэлектронике позволило создать инжекционные лазеры, светодиоды, оптические модуляторы и фотоприемники с рекордными характеристиками [2].

Наиболее успешно квантовые структуры используются для создания гетеролазеров и транзисторов. Применение гетероструктур с квантовыми ямами и сверхрешетками в полупроводниковых лазерах позволяет снизить пороговые токи и использовать более короткие волны излучения, что повышает быстродействие, снижает энергопотребление опто-волоконных систем.

3 5

Свойства бинарных соединений А В , в том числе их спектры фундаментального оптического поглощения, изучены довольно хорошо и представлены в ряде справочников и обзоров. Для твердых растворов экспериментальные данные ограничены узким кругом как материалов, так и составов.

Кроме того, изготовление кристаллической многокомпонентной

структуры из сверхтонких слоев является необычайно сложной задачей. Тем не менее, непрерывный прогресс таких методов тонкопленочной технологии, как молекулярно-лучевая эпитаксия, разложение металлорганических соединений в реакторе (МОС-гидридная эпитаксия) сделали возможным создание высококачественных гетероструктур в системах типа А^СауТп^х. уАз^.ДЗаАБ^ОО) и А1хОа1.хА81.уРу:81/СаА8(100).с хорошо согласующимися постоянными решетки, имеющими требуемые профили потенциала и распределения примесей и фактически бездефектные границы раздела.

Исследование свойств гетеропереходов в сложных гетероструктурах на

3 5

основе А В и усовершенствование технологии выращивания структур жидкофазной эпитаксией дало возможность реализовать непрерывный режим лазерной генерации при комнатной температуре. Повышение требований к бортовым системам космических аппаратов приводит к необходимости создания солнечных батарей (СБ), обладающих более высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками с увеличенным ресурсом работы. Наиболее перспективным путем решения этих задач является создание СБ на основе гетероструктурных фотоэлектрических

3 5

преобразователей из арсенида галлия и родственных ему соединений А В .

3 5

Солнечные фотоэлектрические преобразователи на основе А В обеспечивают существенное увеличение КПД, а также радиационной стойкости в космических СБ по сравнению с батареями на основе кремния.

В полупроводниках широко известны легирующие примеси, которые используются для управления типом проводимости и электросопротивлением, которые представляют собой «мелкие» доноры и акцепторы. Энергии их ионизации очень малы по сравнению с шириной запрещенной зоны данного полупроводника. Также в большом количестве существуют дефекты, называемые "глубокими" центрами. К ним относятся те примеси, энергии активации которых лежат вблизи середины запрещенной зоны.

Несмотря на теоретическую возможность практически полного согласования параметров между эпитаксиальным слоем и подложкой в гетероструктурах, часто в реальных технологических условиях эти параметры оказываются несколько рассогласованными, что приводит к возникновению в пленке внутренних напряжений. Поэтому большой интерес представляет изучение атомного и электронного строения гетероструктур в зависимости от соотношения элементов в составе твердых растворов и возможность полного согласования параметров пленки и подложки для

о г

многокомпонентных ТР на основе А В , а также проблема влияния легирования кремнием на фундаментальные свойства гетероструктур.

Цель работы: Установление закономерностей влияния состава и структурных характеристик на оптические свойства полупроводниковых гетероструктур А3В5 с пятикомпонентными твердыми растворами А1хОау1п1.х_ уА52Р1_7Д}аА8(100) и четверными твердыми растворами А1хОа1_хАз[_ уРу:81/ОаАз(ЮО), легированными кремнием, на основе комплексных исследований методами высокоразрешающей рентгеновской дифракции, растровой электронной и атомно-силовой микроскопии, рентгеновского микроанализа, Рамановской и фотолюминесцентной спектроскопии.

Основными задачами исследования, исходя из поставленной цели, являются:

1) определение параметров решетки пятикомпонентных твердых растворов и степени их согласования с параметрами подложки в гетероструктурах А1хСау1п1.х.уА82Р1.7/СаА5(100);

2) , определение влияния легирования кремнием четверных твердых растворов А1хОа1.хА51.уРу:81/СаАз(ЮО) на степень согласования их параметров с параметрами подложки ОаАэ (100) методом рентгеновской дифракции;

3) получение данных о морфологии поверхности и элементном составе эпитаксиальных пленок многокомпонентных ТР методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием микроанализа (МА);

4) изучение особенностей ИК- спектров отражения многокомпонентных гетероструктур в области однофононного резонанса методом ИК-спектроскопии;

5) получение данных о межатомном взаимодействии и энергетическом спектре методом Рамановской спектроскопии;

6) исследование фотолюминесцентных (ФЛ) свойств образцов многокомпонентных гетероструктур для определения их энергетического спектра.

Объекты и методы исследования;

В работе исследовались гетер о структуры, изготовленные в лаборатории «Полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей» Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Пятикомпонентные твердые растворы А1хСау1п1.х.уА5^1.2 выращивались на установке МОС-гидридной эпитаксии ЕМС011Е 08 3/100 в вертикальном реакторе с высокой скоростью вращения подложкодержателя

1 о 1

на подложках ОаАз(100) марки АГЧТ, легированных теллуром -10 см" .

Также в данной работе исследовались многокомпонентные МОС-гидридные эпитаксиальные гетероструктуры на основе тройных твердых растворов А1хОа1.хАз, полученные в области составов с х~0.20 - 0.50 и легированные атомами фосфора и кремния высоких концентраций.

Анализ влияния эффектов легирования на свойства исследуемых материалов производился методами, позволяющими получать прямые данные о структуре, оптических характеристиках, морфологии и энергетическом спектре. В данной работе использовался комплекс структурных и спектроскопических методов, таких как рентгеновская дифрактометрия, сканирующая электронная и атомно-силовая микроскопия, а также Рамановская и ИК-спектроскопия. Используемые методы являются неразрушающими и позволяют получить полную информацию об атомном и электронном строении и свойствах новых материалов.

Научная новизна определяется тем, что:

1) Впервые в МОС-гидридных гетероструктурах AlxGaylnKx-yAsJVz/GaAs (100) обнаружен частичный распад ТРпри значениях х-0.4 , с образованием фазы, обладающей наибольшими параметрами решеток в данной системе (-5.70 Á), наряду с основной фазой (пятикомпонентным ТР) со средним параметром -5.65 Á, близким к параметру подложки .

2) Впервые законы Вегарда и Куффала в линейном приближении использованы для уточнения составов пятикомпоненгных ТР с учетом экспериментальных значений параметров решеток и энергетических характеристик спектров ФЛ

3) Впервые в Рамановских спектрах гетероструктур AlxGai_xAsyPi_y:Si/ GaAs(lOO), легированных кремнием, обнаружена мода Si-As, доказывающая внедрение атомов кремния в металлическую подрешетку А3В5 наряду с атомами Al и Ga.

Практическое значение

Определены оптимальные технологические условия получения многокомпонентных гетероструктур типа А3В5 на подложке GaAs (100) с помощью комплексного использования методов рентгеноструктурного анализа, Рамановской спектроскопии, фотолюминесценции, растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, которые позволяют получать фундаментальные характеристики гетероструктур: параметры кристаллической решетки ТР, механические напряжения, возникающие в системе пленка / подложка, атомный состав и оптические свойства.

Достоверность_полученных_результатов обеспечивается

использованием современной экспериментальной техники, применением современных и независимых методов обработки данных и воспроизведением обнаруженных эффектов в ряде зарубежных авторов. Достоверность созданных компьютерных моделей подтверждается использованием современного программного обеспечения, а также согласованностью с имеющимися экспериментальными данными.

Положения, выносимые на защиту:

1) значения параметров кристаллических решеток и коэффициентов деформации пятикомпонентных твердых растворов в гетероструктурах AlxGayIn i _х_у AszP i _Z/GaAs( 100);

2) методика уточнения составов пятикомпонентных ТР в приближении линейных законов Вегарда и Куффала с использованием экспериментальных значений параметров решеток и энергетических характеристик спектров ФЛ;

3) образование наноразмерных неоднородностей на поверхности гетероструктур AlxGayIn1_x.yAs/Pi_z/GaAs(100) при частичном распаде пятикомпонентных твердых растворов со значениями х~0.4;

4) внедрение атомов кремния в металлическую подрешетку ТР AlxGai_ xAsi_yPy:Si с образованием связей Si-As .

Личный вклад автора

Настоящая работа выполнена на кафедре Физики твердого тела и наноструктур Воронежского госуниверситета и проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры, а также грантов РФФИ. Все включенные в диссертацию данные получены лично автором или при его непосредственном участии. Автором осуществлено обоснование метода исследования и проведены экспериментальные исследования. Совместно с научным руководителем проведен анализ и интерпретация полученных результатов, сформулированы основные выводы и научные положения, выносимые на защиту

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов» (Белгород, 2009); V Всероссийская конференции «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» «Фагран-2010» (Воронеж, 2010); XVII

Международная молодежная конференции «Ломоносов» (Москва, 2007); 6-я Всероссийская школа-конференция (Воронеж, 2007); Всероссийская молодёжная научная конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт Петербург, 2006 г.); 12 Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург — 2010); 11th Int. Conf. on ATomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures, (St. Petersburg, Oct. 3-7, 2011).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 14-и печатных работах, в том числе 7 статей опубликованы в научных изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций. 6 работ опубликованы в трудах конференций.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, включая 33 рисунка, 11 таблиц и список литературы из 94 наименований.

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту. Даны сведения о публикациях и апробации работы.

В первой главе приводится обзор литературы, в котором изложено современное состояние вопроса о фундаментальных свойствах полупроводниковых твердых растворов на основе а3в5, а также подробно рассмотрены современные методы эпитаксиального роста

3 5

многокомпонентных твердых растворах (TP) в гетероструктурах на А В . Обсуждается возможность полного согласования параметров пленки и подложки в многокомпонентных TP, а также проблема влияния легирования кремнием на фундаментальные свойства гетероструктур.

Во второй главе представлено описание двух серий образцов.

1-ая серия: пятикомпонентные эпитаксиальные гетероструктуры А1хОау1п1.х.уАзгР1./СаА8(100), полученные методом МОС- гидридной эпитаксии при химическом осаждении из газовой фазы металлорганических соединений и гидридов.

2-я серия: четырехкомпонентные эпитаксиальные гетероструктуры А1хОа1_хА81_уРу:81/ОаА8(ЮО), легированные кремнием. Эти гетероструктуры были также получены методом МОС- гидридной эпитаксии .

Обе серии образцов были получены в лаборатории «Полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей» Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

В третьей главе представлены результаты исследований состава, параметров и внутренних напряжений пятикомпонентных твердых растворов в гетероструктурах А1хСау1п | _х_у АзгР [ _-Д}аА8( 100) методами

рентгеноструктурного анализа на основе моделирования рентгеновских отражений, результаты микроскопических исследований поверхности гетероструктур методами РЭМ и АСМ, результаты исследований межатомных связей в ТР методами Рамановской спектроскопии и ИК-спектроскопии. Обсуждается влияние структурных характеристик на фотолюминесцентные спектры многокомпонентных гетероструктур.

В четвертой главе приводятся исследования образцов многокомпонентных гетероструктур А1хОа1.хА81.уРу:81/СаА5(100), легированных кремнием, методами высокоразрешающей рентгеновской дифракции, Рамановского рассеяния, а также фотолюминесцентной спектроскопии. Обсуждаются вопросы возможного влияния на спектры ФЛ глубоких центров, возникающих в ТР при легировании высокими концентрациями кремния.

В заключении подведены итоги по результатам диссертационной работы в целом и сформулированы основные выводы работы.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Основные методы получения твердых растворов на основе А3В5

Изготовление сложных полупроводников на основе элементов групп Ш-У базируется на выращивании эпитаксиальных слоев на монокристаллической подложке. Эпитаксия представляет собой процесс наращивания на кристаллической подложке атомов, упорядоченных в монокристаллическую структуру таким образом, чтобы структура наращиваемой пленки полностью повторяла кристаллическую ориентацию подложки. Физические свойства эпитаксиальных слоев отличаются от свойств материала подложки. Основное достоинство техники эпитаксии состоит в возможности получения чрезвычайно чистых пленок. Эпитаксиальные слои обычно не содержат кислорода и углерода в заметных количествах. Более того, возможно управлять профилем легирующей примеси в приборных структурах в более широких пределах по сравнению с диффузией или имплантацией. Например, методы эпитаксии не имеют альтернативы при создании приборов с несколькими скрытыми слоями [3].

Развитие современного производства полупроводниковых приборов требует интегрирования большого числа различных элементов. Создание таких приборов требует управляемого осаждения и производства материалов различного типа: металлов, полупроводников и диэлектриков [4].

Работы по исследованию искусственно созданных полупроводниковых гетероструктур были инициализированы идеей о создании периодической структуры из чередующихся тонких слоев, высказанной в 1962 Л.В. Келдышем [5]. Идея гетероструктур возникла при изучении возможных проявлений резонансного тунелирования через двойные и более сложные потенциальные барьеры [6]. Если характерные размеры полупроводниковых наноструктур сделать меньшими, чем длина свободного пробега электронов,

то при наличии почти идеальных гетерограниц вся электронная система перейдет в квантовый режим с пониженной размерностью.

С самого начала стало ясно, что изготовление подобной кристаллической структуры из сверхтонких слоев является необычайно сложной задачей. Тем не менее, непрерывный прогресс таких методов тонкопленочной технологии, как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ или МВЕ), химического осаждения из газовой фазы металлорганических соединений и гидридов (МОСГФЭ или МОУРЕ) и жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ или ЬРЕ) сделали возможным создание в системе типа ОаАэ - А1хОа1_ хАб с хорошо согласующимися постоянными решетки высококачественных гетероструктур, имеющих требуемый профиль потенциала и распределение примесей, контролируемые с точностью до постоянной решетки толщины слоев и фактически бездефектные границы раздела.

Осаждаемые атомы в процессе эпитаксиального роста выстраиваются на выращиваемой поверхности, связываясь с исходными атомами на подложке. Атомное строение подложки определяет последующее строение атомов в выращиваемой пленке, получившаяся пленка является прямым продолжением атомной структуры монокристаллической подложки. В основном, поскольку пленка повторяет подложку, эпитаксиальная пленка является настолько же структурно совершенной и свободной от дефектов, как и сама подложка. Поскольку тип осаждаемых атомов может быть изменен во время процесса осаждения, состав выращиваемых пленок может быть управляемым в процессе выращивания во время осаждения. Многие технологии осаждения позволяют получать многослойные эпитаксиальные структуры, в которых толщина отдельных слоев составляет менее нанометра, и границы раздела между слоями в значительной степени являются атомарно резкими.

Рост эпитаксиальных пленок происходит на монокристаллической поверхности. Эта поверхность может состоять из такого же материала, как при эпитаксиальном выращивании 81 на подложке 81, или поверхности

другого материала, как при выращивании AlxGa].xAs на GaAs. Во всех случаях состав, химическая связь и структура поверхности играют главную роль в определении основных характеристик процесса эпитаксиального выращивания. Скорость роста, электронные свойства и структура пленки определяются химическими реакциями и физическими процессами, происходящими па фронте роста.

Гетероэпитаксиальное выращивание сложных полупроводников, таких как AlxGai_xAs/GaAs и InxGai_xAsyPi-}/InP является одной из наиболее развитых технологий гетероэпитаксиального выращивание. Квантовые ямы, оптические квантовые генераторы, транзисторы с высококачественными гетеросоединениями и многослойные фотодетекторы являются изделиями, основанными на гетероэпитаксиальном выращивании [3].

Имеется несколько основных технологий, которые используются при создании эпитаксиальных слоев. Выбор определенной технологии выращивания сильно зависит от используемых материалов и от заданной структуры устройства, в котором будут использоваться эпитаксиальные слои.

Технология жидкофазной эпитаксгш (ЖФЭ).

Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) была впервые продемонстрирована Нельсоном (1963) и использовалась для осаждения большого числа

3 5

материалов, включая полупроводники А В и А"В и магнитные гранаты [7]. Гибкая природа ЖФЭ и возможность производства материалов высокой чистоты использовалась для производства первых электронных и оптических приборов.

ЖФЭ выращивание происходит путем осаждения желаемого материала из перенасыщенного раствора на подложку. В противоположность МОСГФЭ и МЛЭ, ЖФЭ происходит очень близко к равновесию в окружении, обогащенном элементами III группы. Элемент раствора обычно является составляющим осаждаемого соединения третьей группы (Ga или In); в некоторых случаях в качестве растворителя используются другие

тугоплавкие металлы, такие как 8п, В1, или РЬ. В литературе описаны три основных вида ЖФЭ: наплавка, погружение и скольжение (протаскивание). Широкое распространение получил только последний вариант ЖФЭ.

Преимущества ЖФЭ включают относительно простое и недорогое оборудование, высокую эффективность использования исходных материалов и возможность производить материалы большого диапазона толщин с высокой чистотой и высокой оптической эффективностью. В дополнение, ЖФЭ является почти равновесной техникой. Скорость выращивания сильно зависит от ориентации подложки, что дает уникальную возможность рекристаллизации и сглаживания шаблонных подложек. Эти преимущества сделали ЖФЭ общей техникой осаждения для ряда материалов, когда очень важна низкая стоимость, наряду с производством погруженных гетероструктур и лазеров, чему способствует возможность рекристаллизации ЖФЭ.

Слабой стороной ЖФЭ является невозможность вырастить управляемым способом очень тонкие слои особого состава, необходимые для электронных приборов на гетероструктурах. Скорость выращивания в ЖФЭ обычно выше, чем при химическом осаждении из газовой фазы металлоорганических соединений (МОСГФЭ) или молекулярной лучевой эпитаксии (МЛЭ), что ограничивает возможность ЖФЭ в производстве очень тонких слоев, поскольку управление толщинами слоев не такое хорошее, как в других техниках. Т.к. ЖФЭ является почти равновесной техникой, не все материалы могут быть выращены путем использования этой техники. Существующие границы растворимости для некоторых составов тройных и четырехкомпопептных материалов препятствуют их осаждению путем ЖФЭ из-за фазового разделения во время выращивания. Наконец, недостаточно хорошая поверхность, как при применении МЛЭ, опять-таки препятствует использованию ЖФЭ для выращивания приборов определенной структуры. Таким образом, для более сложных приборов, которые имеют квантовые ямы, сверхрешетки и т.п., наиболее часто предпочтение отдается МЛЭ.

Наибольшей проблемой ЖФЭ является получение гладкой планарной поверхностной морфологии на больших площадях [8]. Поверхностная подвижность при почти равновесном процессе является большой, и соответственно, скорости слоистого роста высоки. В результате поверхностная морфология оказывается очень чувствительной к ориентации подложки, природе и числу дефектов на подложке и условиям начального зарождения при выращивании.

Технология молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).

Широкое использование МЛЭ началось с появлением промышленного вакуумного оборудования в начале 70-х годов. МЛЭ в своей основе является утонченной модификацией метода вакуумного напыления. Степень усложнения определяется только целями, поставленными в конкретном исследовании. Рост пленок при МЛЭ, представляющей собой вакуумное напыление, определяется, в основном, кинетикой пучков на поверхности кристалла в отличие от других методов, таких как ЖФЭ или химическое осаждение., которые происходят в условиях, близких к равновесным. Кроме того, так как МЛЭ происходит в сверхвысоком вакууме, его можно контролировать с помощью таких диагностических методов, как дифракция отраженных электронов, оже-спектрометрия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и.т.д. Эти богатые возможности контроля и анализа, устраняющие большую часть сомнений, безусловно, дают МЛЭ существенные преимущества перед другими технологическими методами [9, 10].

Результатом высокой чистоты окружающей среды является ряд уникальных свойств. Среди них - выращивание материалов высокой чистоты при температурах более низких, чем обычно используемые в методе осаждения из газовой фазы, предельно точный контроль скорости выращивания и возможность производить очень резкие границы раздела, как специальных легирующих добавок, так и главных составляющих. Главным

преимуществом МЛЭ является возможность использовать относительно низкие температуры и медленные скорости выращивания. Более низкие температуры выращивания позволяют уменьшить объединение примесей, наряду с уменьшенной диффузией или перераспределением примесей и компонентов слоя в структуре прибора во время роста. Низкие скорости выращивания облегчают управление толщиной пленки и граничной структурой. Обычная температура МЛЭ и скорость роста для ваАБ порядка 600°С и 1 нм/ч. Низкая температура выращивания становится возможной из-за низкой скорости осаждения. Низкая скорость выращивания дает падающим атомам достаточно времени для того, чтобы диффундировать через поверхность подложки и объединяться в соответствующих участках решетки. Если скорость падающего потока станет слишком высокой, у атомов не будет достаточно времени для достижения необходимых участков, что приведет к островному росту. Островной рост является нежелательным из-за нерезких границ раздела, потери эпитаксиального соотношения с подложкой и образования ряда дефектов. Образование дефектов может также происходить из-за локальной нестехиометричности, такой, как формирование вкраплений ва из-за нестабильности локального потока.

МЛЭ системы постоянно становятся более сложными, а значит все более дорогими с тем, чтобы отвечать необходимости усиленного контроля, репродукции и пропускной способности. Компьютерное управление часто используется для всей системы в целом, включая температуры ячеек эффузии, нагревателя подложки, затворов, всей системы откачки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Терновая, Вера Евгеньевна, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1.Ж. И. Алферов, В. М. Андреев, В. И. Корольков, Е.Л. Портной Д. Н., Третьяков. ФТП, 2, 1016; 1545 (1968).

2. А. Н. Пихтин, Оптическая и квантовая электроника. М., изд. Высшая школа. 2001 г - 573с; 2е изд-2009 г.

3. Кейси X. Лазеры на гетероструктурах / Х.Кейси, М. Паниш. - М. : Мир, 1981.- 299 с.

4. Handbook of Semiconductors Technology. Processing of Semiconductors / Edited by K.A. Jackson and W. Schroter. Volume 2 // Wiley-VCH Verlag, 2000.

5. Келдыш Л.В. // Физика твердого тела. - 1962. т.4, - С. 2265.

6. Бом. Д. Квантовая теория / Д. Бом. - М.: Наука, 1965.

7. Giess Е.А. Epitaxial Growth, Part А / Е.А. Giess, R. Ghez Matthews J.W. (Ed.), New York: Academic Press. - 1975.

8. Rode D.L. Singular instabilities on LPE GaAs, CVD Si, and MBE InP growth surfaces / D.L. Rode, R.W. Wagner, N.E. Schumaker // Appl. Phys. Lett. -1977.-V. 30,1.75.

9. R. Dingle. Quantum States of Confined Carriers in Very Thin AlxGal-xAs-GaAs-AlxGai_xAs Heterostructures/ R. Dingle, W. Wiegmann, and С. H. Henry// Phys. Rev. Lett. -1974. -V.33, P.827-830.

10. Cho A.Y. Bonding direction and surface-structure orientation on GaAs (001)/ A.Y. Cho // Appl. Phys. - 1976. - V.47, P.2841.

11. Sze S.M. LED and Semiconductor Lasers / S.M. Sze // Physics of Semiconductor Devices. - New York : John Wiley & Sons, Inc. - 1981. - Pp. 681 -742.

12. Rode D. L. Semiconductors and Semimetals / D. L. Rode, R. K. Willardson, A. C. Beer. - New York : Academic Press. - 1975. - v. 10. - 12 p.

13. Ali A. HEMTs and HBTs: Devices, Fabrication and Circuits / A. Ali, A. Gupta. - Boston : Artech House. - 1991. - 377p.

14. Bayraktaroglu В. AlGaAs/GaAs heterojunction bipolar transistors for power applications / B. Bayraktaroglu, N. Camilleri, H.Q. Tserng // Conf. High Speed Semiconductor Devices and Circuits. - Cornell : IEEE. - 1993.- Pp. 265- 273.

15. Ж.И.Алферов История и будущее полупроводниковых гетероструктур ФТП, 1998, том 32, выпуск 1.

16. А. Н. Пихтин. ФТП, 11, 425 (1977).

17. Alferov Zh.I., Andreev V.M., Konnikov S.G., Larionov Y.R., Shelovanova G.N. // Kristall und Technik. - 1976. -V. 11, P. 1013

18. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры [Пер. с англ. Под ред. JI. Ченга, К. Плога] // М: Мир, 1989 - 584 е., ил.

19. Z.R. Wasilewski. Composition of AlGaAs / Z.R. Wasilewski, M.M. Dion, D.J. Lockwood, P. Pole, R.W. Streater, and A.J. Spring Thorpe // J. Appl. Phys. - 1997. -V.81, P.1683.

20. Yu.A. Goldberg. Handbook Series on Semiconductor Parameters, ed. by M. Levinshtein, S. Rumyantsev and M. Shur // World Scientific, London, -1999. - V. 2, P.

21. M. Ilegems. Infrared Reflection Spectra of GaKvAl_xAs Mixed Crystals / M. Ilegems, G.L. Pearson // Phys. Rev. B. - 1970. - V.l, 1.4, P. 1576-1582.

22.1. F. Chang. Optical Phonons in Gai_xAl.vAs Mixed Crystals: A Modified Random-Element Isodisplacement-Model Calculation /. F. Chang, S.S. Mitra// Phys. Rev. В. - 1970. - V. 2,1. 4, P. 1215-1216.

23. C.G. Olson. Longitudinal-Optical-Phonon-Plasmon Coupling in GaAs / C.G. Olson and D.W. Lynch // Phys. Rev. - 1969. - V.l77, P. 1231.

24. M.H. Brodsky. Infrared reflection spectra of GaxIni_xAs. Phys. Rev. Lett. -1968. - V.21, -N.14, P.990.

25. Lorenzo Pavesi and Mario Guzzi / Photoluminescence of AlxGai_xAs alloys //J. Appl. Phys. 75, 4779 (1994)

26. K. Uchida. Heavy carbon doping of GaAs by MOVPE using a new dopant source CBrC13 and characterization of the epilayers / K. Uchida [et al.] // J. Cryst. Growth.-2003.-V.248.- 124 p.

27. M. Longo. Controlled intrinsic carbon doping in MOVPE-grown GaAs layers by using TMGa and TBAs / M. Longo [et al.] // J. Cryst. Growth. - 2003. -V.248. -119 p.

28. Mimila-Arroyo J. Acceptor reactivation kinetics in heavily carbon-doped GaAs epitaxial layers / J. Mimila-Arroyo, S.W. Brand // Appl. Phys. Lett. - 2000. -V.77.-1164 p.

29. C. Monier. Observation of enhanced transport in carbon-doped InGaAsN after in situ anneal and its impact on performance of NpN InGaP/InGaAsN heterojunction bipolar transistors / C. Monier [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 2002. -V.81.-2103 p.

30. Takamoto T. High-efficiency InGaP/In0.01Ga0.99As tandem solar cells lattice-matched to Ge substrates / T. Takamoto, T. Agui, E. Ikeda // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. - 2001. - V.66. - 511. p.

31. Comparison of carbon and zinc p-clad doped LP MOCVD grown InGaAs/AlGaAs low divergence high-power laser heterostructures / P.V. Bulaev [et al.] // J. Cryst. Growth. - 2003. - V.248. - 114 p.

32. Mashita M. Comparative study on carbon incorporation in MOCVD AlGaAs layers between arsine and tertiarybutylarsine / M. Mashita, H. Ishikawa, T. Izumiya // J. Cryst. Growth. - 1995. - V. 155. - 164 p.

33. Fujii K. Dependence of carbon incorporation on growth conditions for unintentionally doped AlGaAs during metalorganic vapor-phase epitaxy / K. Fujii, M. Satoh, K. Kawamura// J. Cryst. Growth. - 1999. - V.204. -10 p.

34. S.I. Kim. Characteristics of heavily carbon-doped GaAs by LPMOCVD and critical layer thickness / S.I. Kim [et al.] // J. Cryst. Growth. - 1993. - V. 121. -441 P-

35. Pristovsek M. In situ investigation of GaAs (001) intrinsic carbon p-doping in metal-organic vapour phase epitaxy / M. Pristovsek, B. Han, J.T. Zettler, // J. Cryst. Growth. - 2000. - V.221. - 149 p.

36. M. Takahashi. Growth and fabrication of strained-layer InGaAs/GaAs quantum well lasers grown on GaAs(311)A substrates using only a silicon dopant / M. Takahashi [ et al.] // J. Appl. Phys. - 1997. - V.82.1.9. - 4551 p.

37. Vaccaro P. O. Lateral-junction vertical-cavity surface-emitting laser grown by molecular-beam epitaxy on a GaAs (311) A-oriented substrate / P. O. Vaccaro, H. Ohnishi, K. Fujita // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V.74. -3854 p.

38. Sakamoto N. Conduction - type conversion in Si - doped (311)A GaAs grown by molecular beam epitaxy / N. Sakamoto, K. Hirakawa,T. Ikoma // Appl. Phys. Lett. - 1995. -V.67.- 1444 p.

39. M. Csontos. Nanostructures in p-GaAs with improved tenability / M. Csontos [et al.] // Appl. Phys. Lett. -2010. - V.97.- Pp. 022110-022113.

40. C. R. Abemathy, S. J. Pearton, R. Caruso, F. Ren and J. Kovalchik: Appl. Phys. Lett. 55(1989) 1750.

41. Structural and defect characterization of GaAs and AlxGal-xAs grown at low temperature by molecular beam epitaxy/S. Fleischer [et al.]// J. Appl. Phys.- 1997.-V. 81.-I. 1.-Pp.190- 198.

42. Lattice parameter changes and point defect reactions in low temperature electron irradiated AlAs/ A. Gaber [et al.] //J. Appl. Phys.-1997.- V. 82.- I. 11. -Pp. 5348- 5351.

43. Bulbul M. First-order Raman spectra from In 1 ^Ga *A1 yAs epitaxial layers grown on InP substrates/ M. Bulbul, G.D. Farran ,S.R.P. Smith// Eur. Phys. J. В 2001.-V. 24.-Pp. 3- 6.

44. Jusserand B. Raman investigation of anharmonicity and disorder-induced effects in Gal-xAlxAs epitaxial layers/ B. Jusserand, J. Sapriel// Phys. Rev. B.-1981.-№24.-P. 7194.

45. Photoluminescence study of acceptors in AlxGal—xAs / V. Swaminathan, J. L. Zilko, W. T. Tsang//J. Appl. Phys. -1982.- V.53.- Pp. 5163- 5169.

46. Я. С. Уманский. Рентгенография металлов / Я. С. Уманский // Металургиздат. М.: 1960.

47. Уманский Я.С. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С. Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, JI.H. Расторгуев // М.: Металургиздат. 1982. 632с.

48. Павлов П.В. Физика твердого тела. / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов // Издательство Нижегородского государственного университета, Нижний Новгород, 1993,491с.

49. Русаков А.А. Рентгенография металлов. / А.А. Русаков // М.: Атомиздат.

- 1977. 480с.

50. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры [Пер. с англ. Под ред. Л. Ченга, К. Плога] // М: Мир, 1989 - 584 е., ил.

51. И.Н. Арсентьев. Определение упругих напряжений в гетероструктурах методом широкорасходящегося пучка рентгеновских лучей / И.Н. Арсентьев, Н.А. Берт, С.Г. Конников, В.Е. Уманский // Физика и техника полупроводников. -1980. -Т. 14, вып.1, -С. 96- 100

52. D Zhou. Deviation of the AlGaAs lattice constant from Vegard's law/ D Zhou and B.F. Usher // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2001. - V.34, P. 1461-1465.

53. Z.R. Wasilewski. Composition of AlGaAs / Z.R. Wasilewski, M.M. Dion, D.J. Lockwood, P. Pole, R.W. Streater, and A.J. Spring Thorpe // J. Appl. Phys. - 1997.

- V.81, P.1683.

54. Adachi S. GaAs, AlAs and AlxGai_xAs: material parameters for use in research and device applications / S. Adachi // J. Appl. Phys. -1985. - V. 58 Rl-29

55. Yu.A. Goldberg. Handbook Series on Semiconductor Parameters, ed. by M. Levinshtein, S. Rumyantsev and M. Shur // World Scientific, London, -1999. - V. 2, P. 1.

56. S. Gehrsitz. Compositional dependence of the elastic constants and the lattice parameter of Al.TGa,_.YAs / S. Gehrsitz and H. Sigg et al II Phys.Rev. B. - 1999. -V.60P.16.

57. Tanner В К. Measurement of aluminum concentration in epitaxial layers of AlxGai . xAs on GaAs by double axis x-ray diffractometry / B.K. Tanner, A. G.

Turnbull, C.R. Stanley, A.H. Kean and M. McElhinney // Appl. Phys. Lett.- 1991. - V. 59, P. 2272-2274

58. Goorsky M.S. Determination of epitaxial Al*Gai_tAs composition from x-ray diffraction measurements/ M.S. Goorsky, T.F. Kuech, M.A. Tischler and R.M. Potemski // Appl. Phys. Lett. - 1991. -V. 59, P. 2269-71

59. Структурные и оптические свойства низкотемпературных МОС-гидридных гетероструктур AlGaAs/GaAs(100) на основе твердых растворов вычитания / П.В. Середин, В.Е. Терновая, А.В. Глотов, Э.П. Домашевская [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т.43.- №12. - С. 16541661.

60. Фальковский JI.A. Исследования полупроводников с дефектами методом комбинационного (рамановского) рассеяния света/ JI.A. Фальковский. — УФН, 2004. -С. 259-283

61. М.М. Сущинский. Применение комбинационного рассеяния света к исследованию состава и строения вещества / М.М. Сущинский, П.А. Бажулин// УФН. - 1963.- Вып 2. - С. 301-321.

62. Гинзбург В.Л. К истории открытия комбинационного рассеяния света / В. Л. Гинзбург, И. Л. Фабелинский// Вестник Российской Академии Наук.-2003.- Т. 73. -№ 3. -С. 215-227.

63. Фабелинский И. Л. К 50-летию открытия комбинационного рассеяния света /И. Л. Фабелинский // Успехи физических наук. - 1978- Т. 126.-вып.1.-С. 123-152.

64. Фабелинский И. Л. Комбинационному рассеянию света - 70 лет (Из истории физики) / И. Л. Фабелинский // Успехи физических наук.- 1998 - Т. 168.-№12.-С. 1342-1360.

65. Описание и руководство к эксплуатации Рамановского микроскопа S enterra Bruker

66. A. Stroppa, and M. Peressi / Composition and strain dependence of band offsets at metamorphic InxGal-xAs/ InyAll-yAs Heterostructures/ Phys.Rev. В 71,(2005)

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

68. High performance materials and processing technology for uncooled 1.3 jim laser diodes. Roberta Campi Doctoral Thesis. Royal Institute of Technology, (KTH), Stockholm

69. 3-D Projection full color multimedia display WIPO Patent Application W0/2007/127269

70. US Patent Application 20100297608 - Systems and Methods for CMOS-Compatible Silicon Nano-Wire Sensors with Biochemical and Cellular Interface

71. E.P. Domashevskaya, P.V. Seredin, A.N. Lukin, L.A. Bityutskaya, M.V. Grechkina, I.N. Arsent'ev, D.A. Vinokurov, I.S. Tarasov. Surface and Interface Analysis., 8, 4 , 828 - 832 (2006).

72. Герман M.A. Полупроводниковые сверхрешетки. Пер. с англ. Всесоюзный центр переводов. 291 с. (1987).

73. V. L. Alperovich, Yu. В. Bolkhovityanov, S. I. Chikichev, A. G. Paulish, A. S. Terekhov and A. S. Yaroshevich Epitaxial growth, electronic properties, and photocathode applications of strained pseudomorphic InGaAsP/GaAs layers. Semiconductors, 35, 9, 1054-1062 (2001).

74. John E. Ayers I leteroepitaxy of semiconductors : theory, growth, and characterization. Taylor & Francis Group, LLC, (2007).

75. Adachi S. Physical properties of III-V semiconductor compounds (Wiley, 1992)

76. F.Glas, M.M.J.Treacy, M.Quillec, H.Launois. "Interface spinodal decomposition in LPE InxGal-xAsyPl-y lattice matched to InP". Journal de physique, C5, 43, 5, (1982).

77. Ж.И.Алферов История и будущее полупроводниковых гетероструктур ФТП, 1998, том 32, выпуск 1

78. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры [Пер. с англ. Под ред. Л. Ченга, К. Плога] // М: Мир, 1989 - 584 е., ил.

79. P. V. Seredin, A. V. Glotov, V. E. Ternovaya, E. P. Domashevskaya, I. N. Arsentyev, L. S. Vavilova, I. S. Tarasov. Semiconductors November 2011, Volume 45, Issue 11, pp 1433-1440

80. Д.А.Винокуров , В.А.Капитонов, А.В.Лютецкий и др. // ФТП, 2012, том 46, выпуск 10 1344-1348

81. А.А. Мармалюк, М.А. Ладугин, И.В. Яроцкая и др.// Квант, электрон., 41 (1), 15 (2012).

82. Materials Issues For Vcsel Operation and Reliability /Degree of Doctor of Philosophy in Materials Science and Engineering/David Todd Mathes. August 2002.

83. Борисов В.И., Сабликов В.А., Борисова И.В., Чмиль А.И. / Перезарядка центров с глубокими уровнями и отрицательная остаточная фотопроводимость в селективно легированных гетероструктурах AlGaAs / GaAs/ФТП, том 33, выпуск 1 (1999)

84. Середин П.В., Терновая В.Е., Глотов А.В., Леньшин А.С., Арсентьев И.Н., Винокуров Д.А., Тарасов И.С., Leiste Н., Prutskij Т. / Рентгеноструктурные исследования гетероструктур на основе твердых растворов А1х Gai_x Asy Pi_y: Si стр. 2047.

85. P.V. Seredin, A.V. Glotov, E.P. Domashevskaya, I.N. Arsentyev, D.A. Vinokurov, I.S. Tarasov. Physica B: Condensed Matter., 405, 22, 15, 4607-4614, (2010).

86. P. V. Seredin, A. V. Glotov, V. E. Ternovaya, E. P. Domashevskaya, I. N. Arsentyev, D. A. Vinokurov, A. L. Stankevich, I. S. Tarasov. Semiconductors, 45, 4, 481-492, (2011).

87. D Zhou. Deviation of the AlGaAs lattice constant from Vegard's law/ D Zhou and B.F. Usher // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2001. - V.34, P. 1461-1465.

88.1. Vurgaftman, J. R. Meyer, and L. R. Ram-Mohan. J. Appl. Phys. 89, 5815 (2001).

89. W. Hayes and R. Loudon. Scattering of Light by Crystals. (John Wiley & Sons, New York, 1978).

90. B. Jusserand and J. Sapriel. Phys. Rev. B., 24, 7194 (1981).

91. D.J. Lockwood and Z.R. Wasilewski. Physical Review B 70, 155202 (2004)

92. D. P. Bour, J. R. Shealy, A. Ksendzov, and Fred Pollak. J. Appl. Phys. 64, 6456 (1988).

93. Yu.A. Goldberg. Handbook Series on Semiconductor Parameters, ed. by M. Levinshtein, S. Rumyantsev and M. Shur // World Scientific, London, -1999. - V. 2, P. 1.

94. First-principle calculations of electronic and positronic properties of AlGaAs2 S. Laref, S. Mec-abih, B. Abbar, B. Bouhafs, A. Laref / Physica B 396 (2007) 169-176.