автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Формирование многокомпонентных твердых растворов GaSb<Bi> и GaInSb<Bi> для инжекционных излучателей ИК-диапазона

Министерство образования и науки РФ

V

«Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) (ЮРГТУ (НПИ))

I/ (' На правах рукописи

СЕВОСТЬЯНОВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Са8Ь<В1> И Са1п8Ь<В1> ДЛЯ ИНЖЕКЦИОННЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ИК-ДИАПАЗОНА

Специальность 05 27 06 - "Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2005

Работа выполнена на кафедре физики Волгодонского института ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

Научный руководитель - заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук, профессор ЛУНИН ЛЕОНИД СЕРГЕЕВИЧ

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ПОПОВ ВИКТОР ПАВЛОВИЧ - кандидат технических наук, ТРУФМАНОВ АЛЕКСЕЙ ПЕТРОВИЧ

Ведущая организация Физико-технический институт им А Ф Иоффе РАН, г Санкт-Петербург

Защита состоится " 15 " " декабря '• 2005 года в 12® часов на заседании специализигюванного Совета К 212 304 02 по защите диссертации на соискание ученой степени кандиаата технических наук при Южно-Российском государственном техническом университете (ТОРГТУ (НПИ)) по адресу 346428, г Новочеркасск Ростовской области, уп Просвещения, 132 ЮРГТУ (НПИ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (ЮРГТУ (НПИ))

Автореферат разослан " 12 " " ноября " 2005 г

Ученый секретарь диссертационного Совета

С А Горшков

гооы 1ШМ0 ТшС

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Полупроводниковые материалы оптоэлектроники должны удовлетворять ряду требований, определяющих возможность их приборного применения: 1) возможность изготовления из них кристаллически совершенных эпитаксиальных структур; 2) пригодность для сопряжения с электронными схемами; 3) высокая фотоэлектрическая и электротехническая добротность; 4) способность приборов, формируемых из этих материалов, эффективно генерировать и детектировать излучение.

Прямозонный антимонид галлия ОаЯЬ и твердые растворы на его основе являются эффективными материалами оптоэлектроники инфракрасного диапазона[1,2]. Ограничивающим фактором для приборов на основе СавЬ является уровень концентрации акцепторов (1016 см"3) в слоях, получаемых как жидкофазной (ЖФЭ), так молекулярно-лучевой и МОС-гидридной эпитаксией[3]. Введение висмута в твердые растворы А1ПВУ позволяет эффективно управлять многими параметрами, иногда даже являясь альтернативой увеличению числа компонентов, влекущему за собой технологические и другие трудности[2,4,5]. Достоинства и недостатки ЖФЭ хорошо известны, но, несмотря на повсеместную разработку новых способов получения монокристаллов, эффективность ЖФЭ не подлежат сомнению.

Для висмутсодержащих гетеросистем перспективным методом ЖФЭ является градиентная жидкофазная кристаллизация (ГЖК) или зонная перекристаллизация градиентом температуры (ЗПГТ). Параметры технологических процессов этого метода достаточно полно отражены в[2].

К началу выполнения данной работы в литературе имелась разрозненная информация об эпитаксиальных слоях полупроводников Оа5Ь<В1>[3,6]. Сведений о получении методами ЖФЭ твердых растворов Оа1п8Ь<В1> и их свойствах нет вообще, как и информации о применении метода ГЖК к

Í ^,oc национальная"] библиотека I

. ¡ЯШ •

получению данных твердых растворов. В связи с этим тема данной работы актуальна с научной и практической точек зрения.

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка технологии ГЖК и ее экспериментальное исследование применительно к получению эпитаксиальных слоев висмутсодержащих твердых растворов Са8Ь, ХЕ$1Х и Gai.yIriySbi.xBix на основе ОаЙЬ, исследование совершенства, электрофизических и фотолюминесцентных свойств эпитаксиальных структур.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- расчет фазовых равновесий и экспериментальное подтверждение расчетных значений коэффициентов распределения компонентов в системах Оа-8Ь-В1 и Оа-1п-8Ь-Вг,

- разработка технологических методик выращивания висмутсодержащих твердых растворов на подложках антимонида галлия;

- анализ распределения компонентов и распределения легирующих примесей в эпитаксиальных слоях Оа8Ь1_хВ1х и Оа].у1пу8Ь| ХВ1Х;

- исследование структурного совершенства и электрофизических свойств полученных варизонных слоев;

- исследование фотолюминесцентных свойств полученных структур.

Научная новизна

1. Теоретически и экспериментально исследована фазовая диаграмма висмутсодержащих гетеросистем Оа8Ь<В1> и Оа[п8Ь<В1>/Оа8Ь в температурном диапазоне 673-950 К. Проведен анализ гетерогенных равновесий в системах Оа8Ь<В!> и Оа1п8Ь<В1>/Оа8Ь применительно к условиям выращивания эпитаксиальных слоев методом ЖФЭ (бинарная гетеросистема Оа8Ь, трехкомпонентные твердые растворы Оа1п8Ь, Оа8Ь<Вг>. [пЯЬ<В1> и четырехкомпонентный твердый раствор Са1п8Ь<В1>).

2. Получены висмутсодержащие твердые растворы Оа8Ь<В> и Оа1п8Ь<В1> на основе ОаЯЬ.

3. Исследованы свойства полученных эпитаксиальных слоев.

Практическая значимость

1. Разработана методика кристаллизации висмутсодержащих твердых растворов Оа8Ь<В1> и Оа1п8Ь<В1> в поле температурного градиента.

2. Разработаны технологические режимы получения и влияние ряда технологических факторов на характер получаемых эпитаксиальных слоев твердых растворов Оа8Ь<В1> и Оа1п8Ь<В1> на антимониде галлия.

3. Получены твердые растворы Оа8Ь<В> и Оа1п8Ь<В1> на основе ваБЬ.

4. Разработаны конструкции инжекционных излучателей на основе твердых растворов Оа8Ь<В1> и Оа1п8Ь<В1>, пригодных в качестве датчиков промышленных атмосферных углеводородных и азотных загрязнений.

Основные научные положения выносимые на защиту:

1. Наибольшее согласие с экспериментом дает точечная аппроксимация квазихимического приближения регулярных растворов, примененная в работе для гетеросистем на основе Оа8Ь. Результаты расчета позволяют определить исходные данные для получения твердых растворов требуемых составов методом ЗПГТ.

2. Метод градиентной жидкофазной кристаллизации позволяет получать эпитаксиальные слои Са8Ь| ХВ1Х ХВ1Х с требуемыми параметрами.

3. Оптимальные величины переохлаждений при выращивании эпитаксиальных слоев твердых растворов СаЯЬ^В^ и Gai.yInySbi.xBix лежат в интервале 5-10 К. Разработанная в диссертации слайдерная кассета позволяет минимизировать случаи спонтанной объемной кристаллизации при больших переохлаждениях, вплоть до критических.

4. Применение Ga-Bi и In-Bi, In-Ga-Bi (вплоть до 90% Bi в жидкой фазе) зон позволяет получать эпитаксиальные слои GaSbi_xBix (х < 0.003) и Gai. yInySb|.xBix (х < 0.008; у < 0.15).

5. Скорость жидкой зоны состава Ga-Bi возрастает при увеличении доли висмута, а состава In-Ga-Bi - при увеличении доли индия и висмута в жидкой фазе.

6. Эпитаксиальные гетероструктуры GaSb<Bi>/GaSb и GaInSb<Bi>/GaSb могут служить в качестве элементной базы инжекционных излучателей с длиной волны 1,7-1,9 мкм.

Достоверность научных положений и результатов

Достоверность результатов обеспечивается использованием хорошо зарекомендовавших себя аналитических и численных методов математики, физики, физхимии, обоснованностью приближений в применяемых моделях описания твердых растворов, использованием апробированных методов экспериментальных исследований, согласием теоретических и экспериментальных результатов работы между собой и с результатами других авторов.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Восьмой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморское, ТРТУ, 2002), Международной Научной Конференции «Кристаллизация в наносистемах» (Иваново, 2003), межвузовских научно-технических конференциях, а также на конференциях, совещаниях, семинарах лаборатории физики полупроводников ВИ(ф) ЮРГТУ (НПИ).

Работа проводилась в рамках научного направления, принятого в Университете и на кафедре физики: «Кристаллы и структуры для твердотельной электроники».

Публикации и вклад автора

По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ, в которых изложены основные положения диссертации. Основные результаты работы получены автором самостоятельно.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 98 печатных страниц, 38 иллюстраций, 5 таблиц. Список литературы включает 85 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткая характеристика работы, обосновывается актуальность темы, цель и задачи исследования, новизна диссертации, ее достоверность, научная и практическая ценность, перечисляются основные положения, выносимые на защиту, отмечается апробация работы.

Глава 1 содержит обзор литературных источников, раскрывающих проблематику работы. Проведен критический анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных твердых растворов АШВУ на основе антимонида галлия, их свойствам и возможностям применения. Обоснованы и сформулированы задачи исследования.

Проведенный анализ литературных данных показал возможность улучшения структурных, электрофизических и фотоэлектрических характеристик антимонидов галлия и индия, а также возможность изменения ширины запрещенной зоны и сдвига спектрального диапазона в более длинноволновую ИК-область, что обусловливает потенциальную возможность таковых изменений и для твердого раствора Оа1п8Ь<ЕИ>. Рассмотрены особенности условий формирования эпитаксиальных гетероструктур в антимонидных системах. Указаны механизмы образования

структурных дефектов в гетероэпитаксиальных структурах на висмутсодержащих твердых растворах и компенсации упругих напряжений.

Глава 2 посвящена обсуждению результатов расчета элементов фазовой диаграммы твердых растворов, анализу полученных расчетных данных по поверхностям ликвидус и солидус гетеросистем Оа1п8Ь и Са1п8Ь<В1>. Расчет фазовых равновесий направленно велся от бинарных систем 1пЯЬ и ОаЯЬ через трехкомпонентные 1п8Ь<В>, Оа8Ь<В1>, Оа1п8Ь к четырехкомпонентному Оа1п8Ь<В1>.

Линия ликвидус в предположении кристаллизации 1п8Ь представляет собой колоколообразную кривую, что согласуется с данными для доэвтектических расплавов системы 1п8Ь. Из заэвтектических расплавов выделяется твердая сурьма. Поэтому для получения требуемого выражения из диаграммы плавкости 1п8Ь для ветви от эвтектики до температуры плавления сурьмы в рамках применяемой термодинамической модели были рассчитаны значения температур и соответствующие им концентрации. Вычисленная для этих параметров энергия Гиббса и есть энергия Гиббса твердой сурьмы. Полученные численные значения по аналогии с

работой[7] были аппроксимированы функцией вида:

вы = (-428640 + 367.60 • Т) + х5Ь • (749645 + 710.28 • Т).

Полученное выражение вычитали из энергии Гиббса расплава при заданном содержании компонентов, и путем минимизации разницы, рассчитывали температуру начала кристаллизации твердой сурьмы из расплава. Точка эвтектики согласно расчету имеет координаты 765 К и 0.7 мол.дол. ЭЬ. Аналогичный расчет для антимонида галлия Оа8Ь показал, что точка эвтектики имеет координаты 872 К и 0.87 мол.дол. 8Ь (экспериментальные данные 865 К[2]). Достаточно малое расхождение расчетных и экспериментальных данных позволяет применить найденное выражение для энергии Гиббса и для трехкомпонентной системы Са1п8Ь при х5ь, близких к единице.

Линии солидус в бинарных системах в рамках описанного приближения определить нельзя, т.к. в них твердые растворы со значительной растворимостью не образуются. Вычисление областей растворимости отдельных компонентов возможно лишь при наличии отсутствующих параметров взаимодействия вида а1п5Ь_5Ь и а0а8Ь_5Ь.

Рассчитывалась линия ликвидус для твердого раствора Оа8Ь-1п8Ь эквимолярного состава вдоль разреза, проходящего через 8Ь и середину боковой стороны Оа-1п. По аналогии с вычислением энергии Гиббса для твердой сурьмы была определена линия ликвидус для твердой сурьмы при образовании системы Оа1п8Ь. Полученные линии ликвидус пересекаются в точке (862 К; 0.82 мол.дол. БЬ). Совокупность аналогично вычисленных точек для пересечения линий ликвидус твердого раствора Оа1п8Ь и БЬ для других разрезов, проходящих через 8Ь и 1п8Ь с содержанием в твердом растворе от 0.1 до 0.9 мол.дол., позволяет провести эвтектическую линию на поверхности ликвидус трехкомпонентной гетеросистемы Оа1п8Ь от эвтектики Са8Ь-8Ь до эвтектики ГпвЬ-вЬ. Температуры ликвидус и солидус рассчитывались для разрезов с изменением содержания 1п от 0.05 до 0.95 мол.дол. При увеличении содержания 1п в жидкой фазе от 0 до 0.6 мол.дол. температура эвтектической линии остается постоянной и равной 875 К, далее уменьшается до температуры 764 К эвтектики 1п8Ь-8Ь. Эта область расплавов может быть использована для выращивания монокристаллов 8Ь.

Область существования плоской части поверхности солидус в гетеросистеме Ста1пЯЬ<В1 указывает, что содержание висмута должно быть менее 0.07 мол.дол. С учетом поправки на технологические неточности с удалением от границ области существования твердых растворов Оа1п8Ь и С|а1п8Ь<ВГ> и данных содержащихся в литературных источниках по твердым растворам Оа8Ь<В1> и 1п8Ь<В1> доля висмута в четырехкомпонентном твердом растворе ОаДп, Х8ЬУ<В1,_У> не должна быть более 0.01 мол.дол.

В третьей главе описываются технологические аспекты формирования излучательных многокомпонентных висмутсодержащих твердых растворов на подложках антимонида галлия и методика исследования кинетики роста.

Точность регулирования и контроля температуры обеспечивалась подачей импульсного напряжения по методике, описанной в[8] с применением хромель-алюмелевых (ХА) термопар, обеспечивающих отклонение ЛТ=±0.05 К (самый грубый элемент системы контроля температуры).

Выращивание структур осуществлялось в графитовых (МПГ-8) технологических кассетах (рис. 1) поворотного (слайдерного) типа с поршнем[2] в атмосфере водорода с использованием палладиевого фильтра и инертного аргона. Применение подобных кассет с плоскопараллельными

дщ

ф.

а)

[ У/Ш/ММ 15 ;г Щ/Ш^/^,

'¿//////АУ/Ш/////)/ V/ Л- . // ¿7/ У/,./////*., , /,//

в)

Рис. 1. Технологические кассеты: я) поршневого типа без подвижных частей; б) поршневого типа поворотная: на виде сверху видны 6 отверстий под поршень для 6 образцов, выращиваемых при одинаковых условиях, и центральное - под поворотный механизм; в) поршневого типа поворотная слайдерная. 1 - корпус кассеты; 2 - подложка, 3 - слой расплава, 4 - подложка-источник (2,3,4 образуют «сэндвич», расплав и источник могут сменяться), «сэндвич» крепится (во вращающемся) контейнере с помощью держателя 5; расплав между подложкой и источником 3 может сменяться из резервуара 6 смешением поршня 7 через щелевые отверстия 8 при повороте (П), например, слайдера 9; 10- ростовый объем.

С помощью таких кассет можно получать многослойные структуры, меняя расплав зоны и источники, я также удалять расплав с поверхности выросшего слоя

поверхностями позволяет получать многослойные структуры в одном технологическом цикле, а также несколько образцов при равных условиях для контроля воспроизводимости и качества проведения эксперимента. С помощью вариантов кассеты (рис. 1) можно проводить следующие технологические процессы: гомогенизацию расплава, термическое травление подложки, насыщение с подложки, принудительное вдавливание расплава в т.н. «сэндвич» - нижняя пластина выполняет роль подложки, а верхняя -роль источника (и наоборот), температура ее была больше, чем у нижней, между пластинами методом продавливания или капиллярного втягивания[2] формировалась жидкая зона (расплав). В кассетах предусматривается возможность варьирования толщины жидкой зоны. Возможность изменять расстояние между подложками, а, следовательно, толщину жидкой зоны, обеспечивается подбором количества графитовых пятачков, на которых устанавливается подложка.

Кассеты позволяют проводить гомогенизацию расплава при высоких температурах без летучих компонентов. Так, например, сначала гомогенизировался расплав, содержащий Ga, In, Bi. Затем при повторной гомогенизации расплавы, содержащие GaSb и InSb, потом расплавы смешивались. Это позволяло получать гетероструктуры с заданной концентрацией сурьмы в твердой фазе. Для подавления возможности испарения летучих компонентов, подложки и расплавы тщательно герметизировались в кассете.

В качестве подложек использовались пластинки антимонида галлия (100) и (111) толщиной 500 и 1000 мкм диаметром 30 мм, легированные цинком и теллуром, концентрация основных носителей в которых была равна

(1-2.8) 1016 см"3, подвижность носителей заряда 2600(см ■ В~ -с-1),

3 -2

плотность дислокации не более 3-10 (см ). Конструкция теплового узла позволяла поддерживать в рабочем объеме однородное поле температурного градиента в пределах 10<G<50 град/см. Толщина жидкой зоны

варьировалась от 30 до 500 мкм. В настоящей работе для выращивания твердых растворов был взят для эпитаксии интервал температур 896-906 К из следующих соображений: верхняя граница обусловлена сильным увеличением скорости роста, нестабильностью в движении жидкой зоны, а большой вероятностью интенсивного испарения летучих компонентов, нижняя - определялась началом процесса кристаллизации, при температурах ниже может быть затруднено смачивание подложек расплавом.

Экспериментально найдено, что величина переохлаждения при увеличении концентрации индия и висмута в твердой фазе составляла 5-1 ОК.

В четвертой главе отражены результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей кристаллизации эпитаксиальных слоев твердых растворов Оа8Ь| ХВ1Х и Оа|_уТпуЯЬ|в поле температурного градиента. Проводится анализ структурных, электрофизических и фотолюминесцентных свойств эпитаксиальных структур данных твердых растворов, которые могут служить в качестве элементной базы излучательных приборов.

мкм

час

80

60 40 20

5-10

|03 7-10

L

-Л — 1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 /

о 5 10 15 20 25 h мкм подложка слой (layer)

Рис. 3. Распределение плотности Рис. 2. Экспериментальные зависимости скорости дислокаций по толщине слоя,

зон для роста эпитаксиальных слоев на подложке Комментарии в тексте

СавЬ. Пояснения в тексте

На рис. 2 представлены экспериментальные зависимости и{1) для систем ваБЬ (кривая 2, ва-зона), ОаЫвЬ (3, Оа-1п-зона), Оа8ЬВ1 (4, Оа-Вь зона) и Оа1п8ЬВ1 (1,5, Оа-1п-В1-зоны, содержание висмута в зоне 5 больше) для температур 896-906 К и градиента в=25 град/см. Все кривые имеют нарастающий участок в области тонких зон /<30-40 мкм, проходят максимум

и спадают по линейному закону (при больших толщинах зон />250 мкм - на рис. 2 не показано). Поэтому можно заключить, что зависимость скорости роста от толщины зоны имеет три характерные, области: кинетическую /<40 мкм, диффузионную />80 мкм и смешанную 30—40</<80 мкм[2]. Скорость жидкой зоны Оа-В1 возрастает при увеличении доли висмута, а 1п-Са-В1 -при увеличении доли галлия и висмута в жидкой фазе при прочих равных условиях. Скорость роста возрастает при увеличении температуры и величины градиента, что, однако, может привести к ухудшению совершенства слоев.

Переход к многокомпонентной системе открывает возможность в более широких пределах регулировать скорость роста эпитаксиального слоя изменением состава жидкой зоны и ее толщины совместно с температурой и градиентом процесса.

Проведенный анализ содержания висмута в системе ОаЙЬ, ХВ1Х показывает, что растворимость висмута в антимониде галлия ограничена в очень узких пределах х < 0.003, что коррелирует с оценкой коэффициента распределения висмута и данными[3]. Для четырехкомпонентной гетеросистемы Gaj.yInySbi.xBij содержание висмута и индия изменялись в переделах х < 0.008, у < 0.15.

Исследовалось также структурное совершенство слоев, заключающееся в оценке формы и полуширины дифракционных кривых, а также распределения плотности дислокаций по толщине. В случае однократного прохода жидкой зоны хорошее качество слоев достигалось применением ва-В1 и 1п-В'|, 1п-Са-В1 (вплоть до 90% В1 в жидкой фазе) плоских зон толщиной 30</<'300 мкм, позволяющих получать эпитаксиальные слои Оа8Ь|.хВ1х (х<0.003) и Gai.yInySbi.J3ix (л<0.008; < 0.15) при сравнительно низких температурах кристаллизации. На это указывает форма и полуширина дифракционных кривых.

Исследование распределения дислокаций по толщине эпитаксиальных слоев Оа8Ь1.хВ'|х и Оа,_у1пу8Ь|.хВ1„ полученных методом ЗПГТ, проводилось методом послойного стравливания структур (рис. 3).

Плотности дислокаций в слое и подложке обычно не совпадают. Причем, в слое на границе с подложкой плотность дислокаций превышает таковую в слое и подложке. Эти факты указывают на отсутствие определяющей роли механизма прорастания дислокаций из подложки в слой. Такой характер распределения дислокаций по толщине свидетельствует о том, что при больших значениях скачка состава на границе трехкомпонентный слой-бинарная подложка гетеропереход оказывается под воздействием упругих напряжений. Понизить напряженное состояние гетероперехода можно уменьшением рассогласования за счет введения четвертого компонента в трехкомпонентный твердый раствор[2,4].

На рис. 3 видно (кривая 1), что для трехкомпонентного соединения Оа8ЬВ1 плотность дислокаций уменьшается по толщине слоя (эффект молекулярного сита[5]). Введение четвертого компонента 1п в трехкомпонентное соединение изменяло рассогласование и привело к увеличению плотности дислокаций до уровня 104 см'2. В случае подпитки сурьмой (кривая 2) плотность дислокаций несколько уменьшилась и мало изменяется по толщине эпитаксиального слоя. Плотность дислокаций существенно зависит от температуры и градиента температуры 0[76]. С увеличением градиента температуры в совершенство гетероструктур ухудшается. Это связано с тем, что при больших величинах градиента температуры нарушается стабильность фронта кристаллизации, вследствие чего возникают отклонения от стехиометрического состава из-за несоответствия скоростей кристаллизации и растворения на границах жидкой зоны.

Изучалось состояние гетероструктуры по глубине образца методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, с целью определения профилей распределения элементов по всему объёму.

Образцы изучались на оже-электронном спектрометре ЭСО-3 с энергоанализатором типа «цилиндрическое зеркало». Энергетическое разрешение, измеренное по пику упруго отраженных электронов, составляло 0,25%. Измерения проводили при ускоряющем напряжении электронной пушки 3 кВ и токе пучка 3 мкА, при этом диаметр пучка составлял 5 мкм. Давление остаточных газов в камере спектрометра при измерениях составляло не более 10'9 мм.рт.ст.

Второй этап включал в себя исследование методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на спектрометре СЭР-1. Характеристики СЭР-1: А1 Ка возбуждение; энергоанализатор цилиндрическое зеркало; предварительное торможение; вакуум 10"8 мм.рт.ст.

Профили распределения химических элементов были получены путем послойного травления. Для этого поверхность образцов травилась ионами аргона энергией 3 кэВ и плотностью тока 10 мкА/см2. Распределение относительных концентраций элементов для одного из образцов твердого раствора ОаЬу1пу8Ь,.хВ1х (х < 0.008, у < 0.15), полученных при 7=896 К и

19 18 17 16

£ 15

1

0.5

1.0

15 h, мкм

Рис. 4. Профиль распределения элементов по толщине слоя образца

1пСа5ЬВй, полученного без дополнительной подпитки по сурьме

Substrate 0 20 40 60 80 100 К мкм p-GaSb Layer

Рис. 5. Распределение концентрации носителей

тока по толщине слоев GaSbi^Biy (1) и Ca, ,In,Sb1.IBi, (2): 1 - GaSb-i-Zn (p-GaSb), T = 896 К, / = 300 мкм; 2 - GaSb^Zn (p-CaSb), Т = 896 К, / = 300 мкм. Комментарии в тексте

градиенте Ст=20 град/см при однократном проходе галлий-индий-висмутовой зоны представлено на рис. 4.

Методом градиентной жидкофазной кристаллизации можно получать как однородные, так и варизонные по составу эпитаксиальные слои с

различным распределением компонентов, варьируя градиент температуры (изменяя скорость роста) и производя подпитку жидкой зоны компонентами с большим коэффициентом распределения (в т.ч. применяя метод возвратно-поступательного движения зоны). Состав эпитаксиальных слоев соответствует среднему составу источника, за исключением переходной области, толщину которой можно свести к нулю подбором начальной концентрации компонента в жидкой зоне. В качестве источника можно использовать поликристаллы трехкомпонентных твердых растворов и бинарные соединения, содержащие компоненты с большими коэффициентами распределения.

Исследования показали, что в четырехкомпонентных твердых растворах возможная неоднородность состава слоев твердых растворов в режиме принудительного охлаждения может приводить к уширению полосы люминесценции по сравнению с трехкомпонентными соединениями. Кристаллизация слоев того же материала методом ЗПГТ с подпиткой позволяла выращивать однородные по составу твердые растворы и уменьшать полуширину спектральной полосы люминесценции[2].

Спектры фотолюминесценции, распределение интегральной интенсивности рекомбинационного излучения по толщине слоев определялись на косых шлифах структур. Угол наклона плоскости нового шлифа мог изменяться от 0.5° до 5°. Погрешность в определении положения максимума краевых полос в спектрах фотолюминесценции составляла -0,001 эВ. Спектры излучения записывались при температуре 77К (при этом образцы находились в жидком азоте). Полуширина кривой излучения в зависимости от состава твердого раствора изменялась в пределах 20-50 мэВ. Это говорит о высоком кристаллическом совершенстве полученных гетероструктур.

Распределение концентрации основных носителей по толщине определяли различными независимыми методами:

а) люминесцентным: по известной зависимости спектральной ширины полосы межзонного излучения от концентрации носителей и по интенсивности кривой полосы излучения;

б) метод Холла: тип проводимости, концентрацию основных носителей и их подвижность ц определяли по результатам измерений коэффициента Холла в магнитном поле и удельной электропроводности а. Полная погрешность метода составляла 6% (Холл-фактор полагался равным 1).

Измерение распределения по толщине проводилось при послойном стравливании. Подложка удалялась вначале шлифовкой, а затем химическим травлением.

Результаты исследования распределения носителей по толщине слоев, полученные для гетеросистем ОаЗЬоотВ^ооз и Оао 81п0 2$Ь0 992В ¡0 оо» представлены на рисунке 5. Темп увеличения концентрации носителей в различных областях, по-видимому зависит от коэффициента распределения примеси (7.п - акцептор, Те - донор) при данных условиях роста. Можно выделить три характерные области. Так, для кривой 1 (примесь Ъл, Са8Ьо997В1оооз) концентрация носителей в области, примыкающей к подложке сначала убывает, затем при Ь>20 мкм растет и достигает максимального уровня примерно на глубине 40 мкм, а для кривой 2 (примесь 7л\, Оао 8^0 2$Ь0 992В1 о поя) концентрация основных носителей в области, примыкающей к подложке убывает сильнее, но далее идет и больший рост концентрации носителей.

Экспериментальные данные по концентрациям носителей и подвижностям /.1 для эпитаксиальных слоев твердых растворов Оа8Ь|_хВ'|к и Оа|.у1пу8Ь1.хВ1х приведены в таблице 1. Согласно полученным результатам можно сделать вывод о сравнительно (с подложкой Оа8Ь) небольшом увеличении концентрации носителей и их подвижности при увеличении содержания сначала висмута (д;< 0.003 - практически незначительно), а затем индия и висмута (х <0.008; у <0.15). В литературе

удовлетворительного объяснения данному явлению не обнаружено, по-видимому, для этого требуются дополнительные объемные исследования.

Таблица 1.

Экспериментальные значения подвижности и концентрации электронов __в эпитаксиальных слоях Са5Ь1,Вь и Сам^^Ь^Ви при 300 К

Твердый раствор х, мол дол у, мол дол 11,см1 В-'-с-' Концентрация электронов, см"3

Оа5Ь,.хВ1х 0 001 - З103 1016

ваБЬ,^ 0 002 - 7 103 2.2 1016

СгёЬ^Ви 0 003 - 7.7-103 2.5 1016

Саи/п^Ь^Вц 0 005 0 05 7.2 103 5.1 1016

Оа^п^ЬихВи 0 005 0 1 8 ■ 103 8 • 1016

Gai.jItiiSbi.xBix 0 008 0 15 9 • 103 7.8 1016

С точки зрения приложений в электронной технике главными являются фотоэлектрические (оптические) свойства многокомпонентных гетероструктур.

9 Т=77К

1875 1925 1950 1975 Длина волны,нм

Рис. 6. Спектр фотолюминесценции эпитаксиального слоя Са»|п1п,| п8Ь|1т,2В1„|Нт/Са8Ь при Т=77 К

Прямозонный антимонид галлия Оа8Ь имеет ширину запрещенной зоны, описываемую зависимостью[10]

Е& = 0,813-3.78 Ю-4 • Г2(Г + 94)эБ (0<Г<300 К)

(т.е. спектральный диапазон с Л«1.7 мкм). Переход к четырехкомпонентным твердым растворам Оа|.у1пу8Ь1.хВ1х (рис. 6)

практически не приводит при у<0.05 к существенному изменению зонной структуры материала по сравнению с трехкомпонентным соединением Са8Ь<В1>[3], т.к. весьма малое содержание висмута существенно не изменяет зонную структуру антимонида галлия. При этом оценка изменения (уменьшения) ширины запрещенной зоны всего -0.8 мэВ. Добавление в Оа8Ь<В1> индия смещает зонную структуру, уменьшение ширины запрещенной зоны при у=0.13, х=0.008 оценено -0.03 эВ. Это позволяет использовать этот материал в качестве элементной базы излучательных приборов с перестраиваемой длиной волны (с изменением температуры и состава).

Согласно предварительным выводам, полученным в результате проведенных в данной работе исследований, могут быть получены источники когерентного излучения, работающие при комнатной температуре в спектральном диапазоне около 1.90 мкм. Это позволяет подойти к решению ряда практических задач, таких, например, как создание излучателей для длинноволновых волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) нового поколения, разработка компактных ИК-спектрометрических устройств анализа различных материалов и сред.

В заключение работы приводятся основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ литературных данных показал возможность улучшения структурных, электрофизических и фотоэлектрических характеристик антимонида галлия, а также возможность изменения ширины запрещенной зоны и сдвига спектрального диапазона в более длинноволновую ИК-область, что обусловливает потенциальную возможность таковых изменений и для твердого раствора Са1п8Ь<ВР\ Рассмотрены особенности условий формирования эпитаксиальных гетероструктур в антимонидных системах. Указаны механизмы образования структурных дефектов в гетероэпитаксиальных структурах на висмутсодер-

жащих твердых растворах и компенсации упругих напряжений.

2. Из диаграммы состояния 1п8Ь для ветви от эвтектики до температуры плавления сурьмы были рассчитаны значения температур и соответствующие им концентрации. Вычисленная для этих параметров энергия Гиббса есть энергия Гиббса твердой сурьмы. Уточнено положение эвтектики в гетеросистеме Оа1п8Ь от эвтектики ОаЯЬ-ЗЬ до эвтектики 1п8Ь-8Ь. Рассчитаны поверхности ликвидус и солидус гетеросистем Оа1п8Ь и Оа1п8Ь<В1>. На основе обзора литературных данных и исходя из анализа поверхности солидус можно заключить, что содержание висмута с учетом поправки на разного рода погрешность в четырехкомпонентном твердом растворе С1ах1п|.х8Ьу<В11.у> не должна быть более 0.01 мол.дол.

3. Разработано технологическое оформление процессов воспроизводимого получения гетероструктур на основе антимонида галлия в поле температурного градиента. Поворотные кассеты слайдерного типа могут быть использованы для получения тонких взаимодействующих слоев (системы квантовых ям) в процессе ЖФЭ. В основе данной методики лежат идеи снижения температур и уменьшения времен роста, ограничения объема используемой предварительно переохлажденной жидкой фазы.

4. Разработана методика получения твердых растворов Са8ЬВ1/Оа8Ь и Са1п8ЬВ1/Оа8Ь в поле температурного градиента. Выбраны оптимальные температурно-временные режимы получения твердых растворов методом ГЖК. Исследован интервал температур эпитаксии в пределах 896-906 К. Экспериментально найдено, что величина переохлаждения при увеличении концентрации индия и висмута в твердой фазе составляла 5-10 К.

5. Методом ЗПГТ получены твердые растворы Оа8ЬихВ1,. (х < 0.003) и Оа1.у1пу8Ь|-хВ1х (л < 0.008, у < 0.15).

6. Исследована зависимость кинетики роста эпитаксиальных слоев от различных технологических факторов. Установлено, что скорость жидкой зоны ва-В! возрастает при увеличении доли висмута, а 1п-Оа-В1 - при увеличении доли индия и висмута в жидкой фазе при прочих равных

условиях. Это позволяет дополнительно управлять не только составом эпитаксиального слоя, но и скоростью роста.

7. Исследовано структурное совершенство эпитаксиальных слоев твердых растворов GaSb]_xBix (х < 0.003) и Gai.yInySb|.xBix (х < 0.008, >■<0.15). Результаты исследований распределения плотности дислокаций по толщине слоя показали, что в слое на границе с подложкой плотность дислокаций превышает таковую в слое и в подложке в связи с сопряжением кристаллических решеток и дефектностью поверхности раздела. Плотность дислокаций уменьшается в случае получения твердых растворов с подпиткой по сурьме. В слое возможно получение меньшего (регулируемого) значения плотности дислокаций, чем в подложке, что свидетельствует в пользу недоминирующей роли фактора наследования дефектов подложки при определенных технологических условиях роста.

8. Проведены исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств эпитаксиальных слоев. Проведено исследование распределения компонентов твердого раствора и концентрации носителей заряда по толщине слоя. Обнаружено влияние содержания висмута и индия на концентрацию и подвижность носителей заряда в эпитаксиальных слоях в сторону их роста при увеличении содержания данных элементов в твердом растворе.

9. Оценка величины изменения ширины запрещенной зоны для четырехкомпонентного твердого раствора Gai yInySb|.xBix (х < 0.008, .у <0.15) при максимальных х и у составляет -0.03 эВ. Это позволяет использовать этот материал в качестве элементной базы излучательных приборов с перестраиваемой длиной волны (с изменением температуры и состава). Полуширина кривых излучения в зависимости от состава твердого раствора изменялась в пределах 20-50 мэВ, что говорит о кристаллическом совершенстве полученных гетероструктур.

10. Показана перспективность синтезированных в работе гетероструктур для нужд оптоэлектроники (реализация на основе GalnSbBi/GaSb когерентных

излучателей для длинноволновых ВОЛС нового поколения и компактных спектрометров в ИК-диапазоне).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Лунин Л С, Драка О Е, Овчинников В А, Севастьянов А С Возможности использования метода градиентной жидкофазной кристаллизации для получения многослойных структур// Изв вузов Сев - Кавк регион Техн науки - 2004, спец. вып С 67-68

2 Лунин ЛС, Рустов С В, Попов А И, Севастьянов АС Электрофизические характеристики гетероструктур Pbi_4SnxSexTe(In), полученных методом жидкофазной градиентной кристаллизации// Изв вузов Сев - Кавк регион Техн науки - 2004, спец вып С 75-77

3 Благин А В, Лунина МЛ, Драка О Е, Баранник А А, Севастьянов А С Исследование условий формирования многослойных гетероструктур InSb<Bi>/InSb и GaSb<Bi>/GaSb методом жидкофазной эпитаксии //Тр IX междунар науч -техн конф "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" - Дивноморское, 1217 IX 2004 г - Таганрог, 2004 - Ч 1. С 244-246

4 Благин А В, Баранник А А , Лунина МЛ, Лисицын С А , Пигулев Р В, Севастьянов А С Расчет фазовых равновесий в трех- и четырехкомпонентных гетеросистемах с висмутом

// Изв вузов Сев - Кавк регион Техн науки - 2005, спец вып С 50-68

5 Севастьянов А С Излучательные гетероструктуры GalnSbBi/GaSb// Изв вузов Сев -Кавк регион Техн науки - 2005, спец вып С 77-87

Цитированная литература

1 Стрельченко СС, Лебедев В В Соединения А3В5 Справочник - М Металлургия, 1984 144 с

2 Лозовский В Н, Лунин Л С, Благин А В Градиентная жидкофазная кристаллизация многокомпонентных полупроводниковых материалов - Ростов н/Д Изд-во СКНЦ ВШ, 2003 376 с ил

3 Gladkov Р, Monava Е, Weber J Liquid phase epitaxy and photoluminescence characteri7ation of p-type GaSb layers grown from Bi melts // J Cryst Growth 146 (1995) Pp 319-325

4 Осинский В И, Привалов В И, Тихоненко О Я Оптоэлектронные структуры на многокомпонентных полупроводниках - Минск Высшая школа, 1981 391с ил

5 Акчурин РХ, Зиновьев ВГ, Кузьмичева ГМ, Уфимцев В Б Кристаллохимический аспект легирования антимонида индия висмутом в условиях жидкофазной эпитаксии // Кристаллография 1982 Т27 ВыпЗ С 561-565

6 Евгеньев С Б Тепловые эффекты фазовых превращений в системах Ga-Sb-Bi и ln-Sb-Bt //Изв РАН Сер Неорганические материалы 1988 Т24 №4. С 546-549

7 Казаков А И, Мокрицкий В А , Романенко В Н, Хитова Л / под ред. Романенко В Н Расчет фазовых равновесий в многокомпонентных системах - М Металлургия 1987

8 Благин А В Фотоприемные сверхрешетки AlvIri|.,Sb|.xBix/InSb // Изв РАН Сер Неорганические материалы 2003 Т 39 №3 С 282-284

9 Марончук ИЕ Шутов СВ, Кулюткина ТФ Выращивание эпитаксиальных слоев арсенида галлия и; раствора в расплаве висмута // Изв РАН Серия Неорганические материалы 1995 Т31 №12 С 1520-1522

10 Wu MC and Chen С С J Applied Phys 72,9(1992)4275-4280

/ ¡

!

»,

)

№ 2284

РНБ Русский фонд

2006-4 27811

Подписано к печати 20.10.05 Формат 60x^0 1/16 (А5). Гарнитура "Тайме" Усл. п.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 1422.

Типография Южно- Российского государственного технического университет (Иовои.~ркасского политехнического института) 346478, г Новочеркасск Ростовской обл , у л Просьещечия, 132.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПРОБЛЕМАТИКА РАБОТЫ.

1.1. Свойства и применение твердых растворов на основе антимонида галлия. 1.2. Фазовые равновесия в гетеросистемах на основе антимонида 18 галлия.

1.3. Особенности условий формирования эпитаксиальных гетероструктур в антимонидных системах.

1.4. Постановка задачи исследования.

• ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ

АСПЕКТЫ РАБОТЫ.

2.1. Модельные представления фазовых превращений в многокомпонентных твердых растворах.

2.2. Уточнение термодинамических параметров.

2.3. Анализ данных расчета поверхностей ликвидус и солидус в т гетеросистемах GalnSb и GaInSb<Bi>.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ф ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ GaSb.

3.1. Аппаратурное оформление проведения процессов градиентной жидкофазной кристаллизации.

3.2. Подготовка исходных материалов для проведения процессов градиентной жидкофазной кристаллизации в многокомпонентных системах на основе антимонида галлия. а 3.3. Особенности технологии получения многокомпонентных гетероструктур GaSbBi/GaSb и GalnSbBi/GaSb.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР

GaSbBi/GaSb И GalnSbBi/GaSb.

4.1. Структурное совершенство и твердофазные превращения в

Ь твердых растворах на основе антимонида галлия.

4.2. Электрофизические характеристики твердых растворов GaSbBi и GalnSbBi.

4.3. Фотоэлектрические свойства твердых растворов на основе антимонида галлия.

4.4. Возможности приборной реализации гетероструктур GaSbBi/GaSb

И GalnSbBi/GaSb.

ВЫВОДЫ.

Полупроводниковые материалы оптоэлектроники должны удовлетворять ряду требований, определяющих возможность их приборного применения: 1) возможность изготовления из них кристаллически совершенных эпитаксиальных структур; 2) пригодность для сопряжения с электронными схемами; 3) высокая фотоэлектрическая и электротехническая добротность; 4) способность приборов, формируемых из этих материалов, эффективно генерировать и детектировать излучение.

Прямозонный антимонид галлия GaSb и твердые растворы на его основе являются эффективными материалами оптоэлектроники инфракрасного диапазона[1-3]. Ограничивающим фактором для приборов на основе GaSb

1 Л 1 является уровень концентрации акцепторов (10 см" ) в слоях, получаемых как жидкофазной (ЖФЭ), так молекулярно-лучевой и МОС-гидридной эпитаксией[1]. Введение висмута в твердые растворы AinBv позволяет эффективно управлять многими параметрами, иногда даже являясь альтернативой увеличению числа компонентов, влекущему за собой технологические и другие трудности[4-9]. Достоинства и недостатки ЖФЭ хорошо известны, но, несмотря на повсеместную разработку новых способов получения монокристаллов[6,10], эффективность ЖФЭ подлежит сомнению.

Для висмутсодержащих гетеросистем перспективным методом ЖФЭ является градиентная жидкофазная кристаллизация (ГЖК) или зонная перекристаллизация градиентом температуры (ЗПГТ). Параметры технологических процессов этого метода достаточно полно отражены в[11,12,6].

К началу выполнения данной работы в литературе имелась разрозненная информация об эпитаксиальных слоях полупроводников GaSb<Bi>[l,13]. Сведений о получении методами ЖФЭ твердых растворов GaInSb<Bi> и их свойствах нет вообще, как и информации о применении метода ГЖК к получению данных твердых растворов. В связи с этим тема данной работы актуальна с научной и практической точек зрения.

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка технологии ГЖК и ее экспериментальное исследование применительно к получению эпитаксиальных слоев висмутсодержащих твердых растворов GaSb^JBix и GaiyInySbixBix на основе GaSb, исследование совершенства, электрофизических и фотолюминесцентных свойств эпитаксиальных структур.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- расчет фазовых равновесий и экспериментальное подтверждение расчетных значений коэффициентов распределения компонентов в системах Ga-Sb-Bi и Ga-In-Sb-Bi;

- разработка технологических методик выращивания висмутсодержащих твердых растворов на подложках антимонида галлия;

- анализ распределения компонентов и распределения легирующих примесей в эпитаксиальных слоях GaSbixBix и Gai.yInySbi.xBix;

- исследование структурного совершенства и электрофизических свойств полученных варизонных слоев;

- исследование фотолюминесцентных свойств полученных структур.

Научная новизна

1. Теоретически и экспериментально исследована фазовая диаграмма висмутсодержащих гетеросистем GaSb<Bi> и GaInSb<Bi>/GaSb в температурном диапазоне 673-950 К. Проведен анализ гетерогенных равновесий в системах GaSb<Bi> и GaInSb<Bi>/GaSb применительно к условиям выращивания эпитаксиальных слоев методом ЖФЭ (бинарная гетеросистема GaSb, трехкомпонентные твердые растворы GalnSb, GaSb<Bi>, InSb<Bi> и четырехкомпонентный твердый раствор GaInSb<Bi>).

2. Получены висмутсодержащие твердые растворы GaSb<Bi> и GaInSb<Bi> на основе GaSb.

3. Исследованы свойства полученных эпитаксиальных слоев.

Практическая значимость

1. Разработана методика кристаллизации висмутсодержащих твердых растворов GaSb<Bi> и GaInSb<Bi> в поле температурного градиента.

2. Разработаны технологические режимы получения и влияние ряда технологических факторов на характер получаемых эпитаксиальных слоев твердых растворов GaSb<Bi> и GaInSb<Bi> на основе антимонида галлия.

3. Получены твердые растворы GaSb<Bi> и GaInSb<Bi> на основе GaSb.

4. Разработаны конструкции инжекционных излучателей на основе твердых растворов GaSb<Bi> и GaInSb<Bi>, пригодных в качестве датчиков промышленных атмосферных углеводородных и азотных загрязнений.

Основные научные положения выносимые на защиту;

1. Наибольшее согласие с экспериментом дает точечная аппроксимация квазихимического приближения регулярных растворов, примененная в работе для гетеросистем на основе GaSb. Результаты расчета позволяют определить исходные данные для получения твердых растворов требуемых составов методом ЗПГТ.

2. Метод градиентной жидкофазной кристаллизации позволяет получать эпитаксиальные слои GaSbixBix xBix с требуемыми параметрами.

3. Оптимальные величины переохлаждений при выращивании эпитаксиальных слоев твердых растворов GaSbixBix и Ga].yInySbi.xBix лежат в интервале 5 ч-10 К. Разработанная в диссертации слайдерная кассета позволяет минимизировать случаи спонтанной объемной кристаллизации при больших переохлаждениях, вплоть до критических.

4. Применение Ga-Bi и In-Bi, In-Ga-Bi (вплоть до 90% Bi в жидкой фазе) зон позволяет получать эпитаксиальные слои GaSbixBix (х < 0.003) и Gai yInySbi.xBix(х < 0.008; у < 0.15).

5. Скорость жидкой зоны состава Ga-Bi возрастает при увеличении доли висмута, а состава In-Ga-Bi - при увеличении доли индия и висмута в жидкой фазе.

6. Эпитаксиальные гетероструктуры GaSb<Bi>/GaSb и GaInSb<Bi>/GaSb могут служить в качестве элементной базы инжекционных излучателей с длиной волны 1,7-4-1,9 мкм.

Достоверность научных положений и результатов исследования

Достоверность результатов обеспечивается использованием хорошо зарекомендовавших себя аналитических и численных методов математики, физики, физхимии, обоснованностью приближений в применяемых моделях описания твердых растворов, использованием апробированных методов экспериментальных исследований, согласием теоретических и экспериментальных результатов работы между собой и с результатами других авторов.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Восьмой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморское, ТРТУ, 2002), Международной Научной Конференции «Кристаллизация в наносистемах» (Иваново, 2003), межвузовских научно-технических конференциях, а также на конференциях, совещаниях, семинарах лаборатории физики полупроводников ВИ(ф) ЮРГТУ (НПИ).

Работа проводилась в рамках научного направления, принятого в Университете и на кафедре физики: «Кристаллы и структуры для твердотельной электроники».

Публикации и вклад автора

По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ, в которых изложены основные положения диссертации. Основные результаты работы получены автором самостоятельно.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, содержит 98 печатных страниц, 38 иллюстраций, 5 таблиц. Список литературы включает 85 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Методом ЗПГТ получены твердые растворы GaSbixBix (х < 0.003) и Gai.yInySbixBix (х < 0.008, у < 0.15).

2. Исследована зависимость кинетики роста эпитаксиальных слоев от различных технологических факторов. Установлено, что скорость жидкой зоны Ga-Bi возрастает при увеличении доли висмута, a In-Ga-Bi - при увеличении доли индия и висмута в жидкой фазе при прочих равных условиях. Это позволяет дополнительно управлять не только составом эпитаксиального слоя, но и скоростью роста.

3. Исследовано структурное совершенство эпитаксиальных слоев твердых растворов GaSbixBix (х < 0.003) и GaiyInySbixBix (х< 0.008, у < 0.15). Результаты исследований распределения плотности дислокаций по толщине слоя показали, что в слое на границе с подложкой плотность дислокаций превышает таковую в слое и в подложке в связи с сопряжением кристаллических решеток и дефектностью поверхности раздела. Плотность дислокаций уменьшается в случае получения твердых растворов с подпиткой по сурьме. В слое возможно получение меньшего значения плотности дислокаций, чем в подложке, что свидетельствует в пользу недоминирующей роли фактора наследования дефектов подложки при определенных технологических условиях роста.

4. Проведены исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств эпитаксиальных слоев. Проведено исследование распределения компонентов твердого раствора и концентрации носителей заряда по толщине слоя. Обнаружено влияние содержания висмута и индия на концентрацию и подвижность носителей заряда в эпитаксиальных слоях в сторону их роста при увеличении содержания данных элементов в твердом растворе.

5. Оценка величины изменения ширины запрещенной зоны для четырехкомпонентного твердого раствора GaiyInySbixBix (х < 0.008, у < 0.15) при максимальных х и у составляет -0.03 эВ. Это позволяет использовать этот материал в качестве элементной базы излучательных приборов с перестраиваемой длиной волны (с изменением температуры и состава). Полуширина кривых излучения в зависимости от состава твердого раствора изменялась в пределах 20-50 мэВ, что говорит о кристаллическом совершенстве полученных гетероструктур. Показано, что возможно получение источников когерентного излучения, работающих при комнатной температуре в спектральном диапазоне около 1.9 мкм. Такие излучатели эффективны в качестве чувствительных элементов ИК-спектрометрических устройств анализа веществ, а также в приборной оснастке длинноволновых волоконно-оптических линий связи нового поколения.

91

1. Gladkov P., Monova E., Weber J. Liquid phase epitaxy and photoluminescence characterization of p-type GaSb layers grown from Bi melts. 11 J. Cryst. Growth. 146. (1995). Pp.319-325.1. Q С

2. Стрелъченко С. С., Лебедев В.В. Соединения А В : Справочник. М.: Металлургия, 1984. 144 с.

3. Осинский В.И., Привалов В.И., Тыхоненко О.Я. Оптоэлектронные структуры на многокомпонентных полупроводниках. Минск: Высшая школа, 1981. 391 е.: ил.

4. Волошин А.Э., Вермке А., и др. Влияние условий эпитаксиального роста на характер твёрдого раствора, образующегося в слоях InSb<Bi> II Изв. РАН. Серия Неорганические материалы. 1991. Т.21. № 3. С.451-456.

5. Марончук И.Е., Шутов С.В., Кулюткина Т.Ф. Выращивание эпитаксиальных слоев арсенида галлия из раствора в расплаве висмута // Изв. РАН. Серия Неорганические материалы. 1995. Т.31. №12. С.1520-1522.

6. Лозовский В.И, Лунин Л.С., Благин А.В. Градиентная жидкофазная кристаллизация многокомпонентных полупроводниковых материалов. -Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. 376 е.: ил.

7. Акчурин Р.Х. Евгенъев С.Б., Зиновьев В.Г. и др. Гетерогенные равновесия в системах Аш- Bv. // Электронная техника. Сер. Материалы. 1984. №10. С.62-65.

8. Акчурин Р.Х., Зиновьев В.Г., Кузъмичева Г.М., Уфимцев В.Б. Кристаллохимический аспект легирования антимонида индия висмутом в условиях жидкофазной эпитаксии. // Кристаллография. 1982. Т.27. Вып.З. С.561-565.

9. Акчурин Р.Х. Сахарова Т.В., Тарасов А.В., Уфимцев В.Б. Эпитаксиальный рост InAsixySbxBiy на подложках InSb из висмутовых растворов. // Изв. РАН. Сер. Неорганические материалы. 1992. Т.28. №3. С.502-506.

10. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // ФТП. 1998. Т.32. № 1. С. 3-19.11 .Пфанн В.Дж. Зонная плавка. М.: Мир, 1970. 366 е.: ил.

11. Лозовский В.Н., Лунин Л. С., Попов В.П. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1987.

12. Евгенъев С.Б. Тепловые эффекты фазовых превращений в системах Ga— Sb-Bi и In-Sb-Bi. II Изв. РАН. Сер. Неорганические материалы. 1988. Т.24. №4. С.546-549.

13. Кузнецов В.В., Москвин П.П., Сорокин B.C. Неравновесные явления при жидкостной гетероэпитаксии полупроводниковых твердых растворов. М.: Металлургия, 1991, 175 е.: ил.

14. WuM.C. and Chen С.С. J. Applied Phys. 72, 9 (1992) 4275-4280.

15. Mathur P. C., Jain S. Phys. Rev. В19, 6 (1979) 3159-3166.

16. BaxterR.D., ReidF.J., ReerA.C. Phys. Rev. 162, 6 (1979) 3159-3166.

17. Nakashima K. Jpn. J. Appl. Phys. 20, 6 (1981) 1085-1094.

18. Johnson G.R., Cavenett B.C., Kerr T.M. Semicond. Sc. Technol. 3, (1988) 1157-1165.

19. Крессел Г., Нельсон Г. В кн.: Физика тонких пленок Т. VII: Пер с англ. М.: Мир, 1977, с.133-283.

20. Kolm С., Kulin S.A., Averbach B.L. Phys. Rev. 108, (1957) p.965.

21. Горюнова H.A., Федорова ff.ff. ЖТФ. 1955. C.1339.

22. Woolley J.C., Smith B.A., Lees D.G. Proc. Phys. Soc., 69B, (1956) p.1339.

23. Woolley J.C., Smith B.A. Proc. Phys. Soc., 72, (1958) p.214.

24. Иванов-ОмскийВ.И., КоломиецБ.Т. ФТТ. 1959. 1. C.913.

25. Woolley J.C., Evans S.A., Gillett C.M. Proc. Phys. Soc. 74, (1959) p.244.

26. Иванов-Омский B.K, КоломиецБ.Т. ДАН СССР. 1959. 127. C.135.

27. Woolley J.C., Evans S.A. Proc. Phys. Soc. 78, (1961) p.354.

28. Woolley J.C., Gillett C.M. J. Phys. Chem. Solids. 17, (1960) p.244.

29. Logan R. M., Hurle D.T.J. J. of Physics and Chemistry of Solids, 1971, V. 32, № 8. Pp.l739-1753.

30. Woolley J. С., Gillett СМ. II J. of Physics and Chemistry of Solids, 1960. 17. №12, pp.34-43.

31. Miki H., Segava K., Otsuba M., Shirahata K., Fujibayashi K., in GaAs and Related Compounds (Inst. Phys. Conf. Ser. №24, Inst, of Phys., London and Bristol, 1975), pp. 16-21.

32. Coderre W.M., Woolley J.C. Canadian J. of Appl. Phys. 47, №22, pp. 2553-2564(1969).

33. Миргаловская M.C., Стрельникова И.А., Тимошин A.C., Уфимцев В.Б. В кн.: Процессы роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок. 4.2. -Новосибирск: Наука, 1975, с. 196-200.

34. Долгиное JI.M., Елисеев П.Г., Исмаилов И. Инжекционные излучательные приборы на основе многокомпонентных полупроводниковых твердых растворов. // Итоги науки и техники. Сер. «Радиотехника». 1980. Т.21. С.З-116.

35. Акчурин Р.Х., Жегалин В.А., Сахарова Т.В. Анализ фазовых равновесий в системе In-As-Sb-Bi в связи с жидкофазной эпитаксией твердых растворов InAs 1xySbxBiy II Изв. вузов. Сер. Цв. металлургия. 1995. №7. С. 12-16.

36. Падалко А.Г., Перри Ф.С., Лазарев В.Б. Фотоэлектрические свойства неохлаждаемых детекторов на основе тонких пленок антимонида индия. // Изв. АН РФ. Неорганические материалы. 1994. Т. 30. №2. С. 156-163.

37. Lee J.J., Kim J.D., Razeghi М. Room temperature operation of 8-12 /rnn InSbBi infrared photodetectors on GaAs substrates. // Appl. Phys. Lett. 1998. V.73. №5. P.30.

38. Кодин B.B. Получение варизонных твердых растворов InSbBi и InAsSbBi методом температурного градиента и исследование их свойств. Дис. на соиск. уч. степ, к.ф.-м.н. - Ставрополь, 2004.

39. Дейбук В.Г., Виклюк Я.И., Раренко КМ. Расчет зонной структуры твердого раствора InSbBi. IIФТП. 1999. Т.ЗЗ. Вып.З. С.289-292.

40. Jean-Louis A.M., Натоп С. Phys. St. Sol. 1969. V.34. P.329.

41. Jean-Louis A.M., AyraultB., Vargas J. Phys. St. Sol. 1969. V.34. P.341.

42. Jean-Louis A.M., DuraffourgG. Phys. St Sol. (b) 1973. V.59. P.495.

43. JoukoffB., Jean-Louis A.M. J. Cryst. Crowth. 1972. V.12. P.169.

44. Раухман M.P., Земское B.C., Харахорин Ф.Ф., Бояринцев П.К., Лаптев А.В., Янкауекас С.М. В сб. «Свойства легированных полупроводников». -М.: Наука, 1977. С.62.

45. Peretti Е.А. Trans. AIME. 1958. V.212. Р.79.

46. Peretti Е.А. Trans. ASM. 1961. V.54. Р.12.

47. Свелин Р.А. Термодинамика твердого состояния. -М.: Металлургия, 1968.

48. Казаков А.И., Мокрщкий В.А., Романенко В.Н., Хитова Л. / под ред. Романенко В.Н. Расчет фазовых равновесий в многокомпонентных системах. -М.: Металлургия. 1987.

49. Panish М.В., Illegems М. Phase equilibria in ternary III-V systems. // J. Phys. Chem. Solids. 1972. V.32. Pp.39-83.

50. Onabe K. Thermodinamics of type AxBixCiyDy III-V quaternary solid solutions. //J. Phys. Chem. Solids. 1982. V.43. Pp.1071-1086.

51. Lendvay E., Gevorkyan V.A., Petras L., Pozsgal I., Gorog Т., Toth A.L. Liquid phase epitaxy of AlGalnSb. // J. Cryst. Growth. 73. (1985). Pp.63-72.

52. Blom G.M., Plaskett T.S. II J. Electrochem. Soc. 118,1831 (1971).

53. Nakajima K., Yamazaki S., Akita K. J. Crystal Growth, 1982. V.56. №3. Pp. 547-556.

54. Литвак A.M., Чарыков H.A. Новый термодинамический метод расчета фазовых диаграмм двойных и тройных систем, содержащих In, Ga, As и Sb. // Известия РАН. Сер. Неорганические материалы. 1991. Т.27. №2. С. 225-230.

55. Ansaral. Int. Metals Rev., 1979. V.24. №1. Pp.20-53.

56. Antupas G.A. Liquidus and Solidus data at 500°С for the InGaSb systems. // J. Cryst. Growth. 1972. V.16. №2. Pp. 181-182.

57. Акчурин P.X., Сахарова T.B. Получение узкозонных твёрдых растворов InAs.-xySbxBiy методом жидкофазной эпитаксии. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып. 10. С. 16-20.

58. Лунин Л.С., Благин А.В., Овчинников В.А., Алфимова Д.Л. Получение и исследование свойств пленок GaAsP<Bi>/GaP. // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тр. 6-й междунар. науч. -техн. конф. ПЭМ-99. Таганрог, 1999. С. 19А

59. Лозовский В.Н., Лунин Л. С. Пятикомпонентные твердые растворы соединении AinBv. (Новые материалы оптоэлектроники) Ростов-на-Дону: издательство РГУ, 1992, 192 с.

60. Зиновьев В.Г., Моргун А.И., Уфимцев В.Б. Поведение висмута в эпитаксиальных слоях GaSb<Bi> ,// Изв. РАН: Неорган, материалы. 1993. Т.29. №2. С.177-180.

61. Гиббс Д.В. Термодинамика. Статистическая механика. / пер. с англ. М.: Наука, 1982. 582 с.

62. Кауфман Л., Берстейн X. Расчет диаграмм состояния с помощью ЭВМ / пер. с англ. М.: Мир, 1972. 326 с.

63. ГлазовВ.М. //ЖФХ. 1977. Т.51. №10. С.2549-2552.

64. Акчурин Р.Х., Сахарова Т.В., Жегалин В.А. Исследование условий формирования гетероструктур InAsi.xySbxBiy/InSb методом ЖФЭ. // Изв. РАН. Сер. Неорганические материалы. 1995. Т.31. №10. С. 1431-1436.

65. Kaufman L., Nell J., Taylor К, Hayers F. Calpgad, 1981. V.5. №3. Pp.185214.

66. Osamura K, Nakajima K, Murakami Y. J. Electrochem. Soc. 1979. V.126. №11. Pp. 1992-1997.

67. Hultgren R., Desai F.D., Hawkins D.T., Gleiser M., Kelley K.K. Selected values of the thermodynamic properties of binary alloys. Ohio: American Society for metals. Metals Park, 1973. 961 p.

68. Благин А.В. Фотоприемные сверхрешетки AlyIniySbixBix/InSb. // Изв. РАН. Сер. Неорганические материалы. 2003. Т.39. №3. С.282-284.

69. Сысоев И. А. Метод зонной перекристаллизации градиентом температуры в технологии оптоэлектронных приборов на основе многокомпонентных соединений AHIBV: Дис на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Новочеркасск, 1993.

70. Попов В.П. Неконсервативная жидкофазная эпитаксия полупроводников: Дис. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. Новочеркасск, 1987.

71. Пштин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2001.-573 е.: ил.

72. Лозовский В.К, Лунин Л.С., Попов В.П. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1987.

73. Лозовский В.Н., Лунин Л.С. Пятикомпонентные твердые растворы соединении АШВУ. (Новые материалы оптоэлектроники) Ростов-на-Дону: изд-во РГУ, 1992. 193 е.: ил.

74. Лозовский В.Н., Зурнаджян B.C. Эффект вынужденной конвекции при зонной перекристаллизации и свойства кристаллов. Новочеркасск. 1978. В.5. С.110-115.

75. Милъвидский М.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в эпитаксиальных полупроводниках. М., 1985.

76. Лунин Л.С., Аскарян Т.А., Сысоев И.А. Исследование дефектов в варизонных гетероструктурах AlxGaixSbyAsiy/GaSb. // Тезисы докладов IV Всесоюз. конф. по физическим процессам в полупрводниковых гетероструктурах. Минск, 1986. Т.1. С.144-145.

77. Чалмерс Б. Теория затвердевания. / пер. с англ. В.А. Алексеева, под ред. д.т.н. М.В. Приданцева. М.: Металлургия, 1968.

78. Овсиенко Д.Е. Зарождение и рост кристаллов из расплава. / АН Украины, Институт металлофизики. Киев: Наукова Думка, 1994. 254 е.: ил.

79. Павлов В.В. О «кризисе» кинетической теории жидкости и затвердевания: (Необходимость изменения традиционной молекулярной модели жидкости и твердого тела). / Урал. гос. горно-геол. акад. Екатеринбург: УГГГА, 1997. 391 с.

80. Лунина О.Д. Варизонные гетероструктуры AlxGa.xAs/GaAs, выращенные в поле температурного градиента, и их свойства. Дис на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - Новочеркасск, 1982.

81. Коваленко В.Ф. Методы контроля эпитаксиальных слоев в полупроводниках переменного состава. // Автометрия. 1990. №6. С.54-64.

82. Вечкосов И.А., Кручинин Н.А., Поляков А.И., Резижкин В.Ф. Приборы и методы анализа в ближней инфракрасной области М.: Химия, 1977. - 231 с.