Морфологии и фотоэлектрические свойства твердого раствора (GaAs)1-x(Ge2)х

Выращены твердые растворы (GaAs) _1-х (Ge ₂ ) _x на подложках GaAs методом жидкофазной эпитаксии. Морфологические исследования показали, что наблюдаемые наноконусы на поверхности эпитаксиальных слоев (GaAs) _1-х (Ge ₂ ) _x могут быт связаны с примесными атомами Ge.

Ключевые слова: твердый раствор, наноконус, подложка, пленка, нанокристаллит.

Создание новых многослойных гетероструктур с нанообъектами, исследования структурных особенностей и механизмов примесного фотовольтаического эффекта с изовалентными примесями, а также механизмов выброса-транспорта-разделения носителей заряда в структурах с КТ и КЯ весьма актуальны.

Эпитаксиальные пленки были получены на GaAs подложке с удельным сопротивлением 250 Ом·см и толщиной 350 мкм n-типа проводимости методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава (Sn−Ge−GaAs) в атмосфере очищенного палладием водорода. Начальная температура кристаллизации эпитаксиального слоя составляла 700 ^o C, скорость охлаждения раствора-расплава 1 ^o C/мин. Выращенные слои имели толщину 10 мкм, удельное сопротивление 0,17 Ом·см, p -типа проводимости.

Исследования поверхности проводились с использованием промышленного атомно-силового микроскопа (АСМ) Solver-NEXT, позволяющего измерять рельеф поверхности, распределение потенциала по поверхности. Рельеф поверхности эпитаксиальных пленок (GaAs) _{1- x} (Ge ₂ ) _х изучался с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). На рис. 3 показано трехмерное АСМ изображение эпитаксиальной пленки. Видно, что на поверхности пленок образуются отдельные нанообъекты различного размера. В работе [1] показано, что физические свойства эпитаксиальных слоев сильно зависят от формы и плотности (телесного угла) наноконуса: если угол составляет около 60°, то наноконус — система квантовой точки — 0D; если угол стремится к 180°, тогда наноконус вырождается в квантовую яму — 2D система; и если угол стремится к 0°, затем наноконус вырождается в систему проволок — 1D. В нашем случае телесной угол наноконуса стремится к 180°, т. е. они являются квантовыми ямами. Анализ показал, что диаметр основания наноконусов варьируется в интервале от 70 до 90 нм, а высота от 3 до 12 нм. При эпитаксиальном выращивании различных полупроводниковых материалов, энергия деформации, вызванная несоответствием параметров кристаллической решетки контактирующих материалов, является основным факторам, для формирования самоорганизующихся трехмерных наноконусов [2]. Поскольку величины постоянных решеток для систем GaAs/Ge (0,323 %) почти одинаковы, то возможно формирование наноконусов Ge на поверхности GaAs. В работе [2] нами было показано, что эпитаксиальные пленки (GaAs) _{1- x} (Ge ₂ ), выращенные на GaAs подложке имели совершенную монокристаллическую структуру с ориентацией (100). В пленке присутствовали когерентно расположенные нанокристаллиты от Ge с параметром решетки a _Ge = 5.67 Å и размерами 44 нм по направлениям (100), соответственно.

Рис. 1. АСМ изображение эпитаксиального слоя твердого раствора (GaAs) _{1- x} (Ge ₂ ) _х

Заметим, что параметр решетки нанокристаллитов Ge в эпитаксиальной пленке ~ на 0,22 % больше, чем его табличное значение, что возможно обусловлено деформацией кристаллической решетки эпитаксиальной пленки. Размеры наноконусов, полученные исследованиями АСМ на поверхности пленки и наноконусов, и рентгеновской дифракцией в эпитаксиальной пленке имели близкие значения. На основе этих данных, а также результатов структурных анализов исследованных структур можно сделать вывод о том, что наблюдаемые наноконусы на поверхности эпитаксиальных слоев обусловлены нанокристаллитами Ge.

Возбуждение ФЛ производилось лазерным излучением ( _л =325 нм) со стороны эпитаксиального слоя при температуре жидкого гелия (4 К), сигнал регистрировался на установке СДЛ-2. Для определения роли компонентов твердых растворов в наблюдаемых процессах нами исследованы спектр фотолюминесценции (ФЛ) при температуре 5 К и спектральные зависимости фоточувствительности изготовленных гетероструктур. На рис.2. приведен ФЛ поверхности эпитаксиального слоя (GaAs) _{1- x} (Ge ₂ ) _х . Как видно из рис.2 спектр ФЛ твердого раствора (GaAs) _{1- x} (Ge ₂ ) _х имеет широкую полосу, охватывающую практически весь инфракрасный диапазон спектра излучения с максимумом пика при _max = 852 нм. Этот пик соответствует ширине запрещенной зоны GaAs, равной 1,45 эВ. На спектрах твердых растворов наблюдается ещё пика с максимумом при 946 нм, возможно, связан с излучательным центром атомов германия в запрещенной зоне.

Таким образом, выращены методом жидкофазной эпитаксии пленки являются монокристаллическими, с кристаллографической ориентацией (100). Размеры субкристаллитов (блоков) пленки, оцененные по ширине около 49 нм; наличие атомов Ge в тетраэдирической решетки GaAs приводит, к тому, что в его спектре фоточувствительности наблюдается пик, который принадлежит нанокристалам Ge, объединенных с молекулами GaAs; морфологических исследования показали, что наблюдаемые наноконусы на поверхности эпитаксиальных слоев (GaAs) _1-х (Ge ₂ ) _x обусловлены примесными атомами Ge.

Литература:

1. Artur Medvid, Pavels Onufrijevs, Renata Jarimaviciute-Gudaitiene, Edvins Dauksta and Igoris Prosycevas. Formation mechanisms of nano and microcones by laser radiation on surfaces of Si, Ge, and SiGe crystals. Nanoscale Research Letters 2013, 8, ст. 264.
2. Дубровский В. Г., Теория формирования эпитаксиальных наноструктур. С. 486, (Москва:Физматлит: 2009).
3. Zaynabidinov S. Z., et.al. Growth, Structure, and Properties of GaAs-Based (GaAs) _1-x-y (Ge ₂ ) _x (ZnSe) _y Epitaxial Films // Semiconductors. 2016. Vol. 50. № 1. P. 59–65.