Микро- и нанодомены в однослойных эпитаксиальных гетероструктурах на основе тройных твердых растворов GaxIn1-xP | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Леньшин А. С. Микро- и нанодомены в однослойных эпитаксиальных гетероструктурах на основе тройных твердых растворов GaxIn1-xP // Молодой ученый. — 2012. — №10. — С. 1-10. — URL https://moluch.ru/archive/45/5497/ (дата обращения: 17.10.2018).

Хорошо известно, что актуальность проблемы упорядочения напрямую связана с модификацией фундаментальных свойств полупроводниковых систем, обусловленной понижением симметрии сфалеритной структуры соединений АЗВ5, следствием которого является возможное изменение ширины запрещенной зоны, переход от непрямозонного к прямозонному полупроводнику, инверсному порядку следования зон, усложнению оптических спектров сверхструктурных фаз в результате снятия вырождения с состояний, соответствующих потолку валентной зоны и дну зоны проводимости.

Обзор современной литературы [1-5] дает большое количество разрозненных сообщений о наблюдении спонтанного упорядочения и образования наноразмерных неоднородностей в твердых растворах на основе III-V и возможностях создания фотоэлектрических и оптоэлектроных устройств на основе управляемой самоорганизации, самосборки и сверхструктурирования в эпитаксиальных твердых растворах полупроводников АЗВ5. Однако, хорошо развитые теоретические представления [1, 2] в этих работах зачастую не подкреплены экспериментально и потому явление возникновения упорядочения является высоко актуальным и практически важным.

Что же особого в этих упорядоченных трехмерных конфигурациях? Оказывается, что некоторые из них имеют уникальное топологическое свойство – они обладают достаточными степенями свободы в своей структуре, чтобы подстроиться под любую (в частности, «идеальную») длину связи и угол связи. Очевидно, ключ к разгадке состоит в том, что в напряженных системах различные атомные конфигурации могут иметь совсем разные энтальпии при одном и том же атомном составе. Упорядоченное расположение атомов соответствует термодинамически стабильной структуре для нескольких атомных слоев, расположенных вблизи поверхности. А далее, при продвижении вглубь пленки термодинамически стабильная структура возвращается либо к двухфазной системе с разделением фаз [3], (если пленка некогерентная) или к упорядоченной структуре халькопирита [4] (если в пленке имеется когерентность).

Возникновение явления упорядочения в твердых растворах GaxInlР при x~0.50 является более изученным фактом в отличии от AlxGa1-xAs [5-7]. В работе [8] сообщается о влиянии упорядочения на оптоэлектронные свойства этих материалов, уменьшении энергии запрещенной зоны, двойном лучепреломлении, анизотропной подвижности носителей заряда, и увеличении времени жизни носителей на примере готовых устройств. Возникающее в этом случае упорядочение GaxInlР может быть описано решеткой CuPt-B-типа (рис. 1) и имеет кинетическое происхождение, а металл-органическое химическое осаждение паров (MOCVD) не только порождает сильное упорядочение CuPt-B, но также обеспечивает хорошую однородность пленки и ее пропускной способности. Показано, что упорядоченный твердый раствор GaInP на подложке GaAs(111) должен иметь широкое распределение доменов различных размеров на своей поверхности. Антифазные границы упорядоченной фазы часто ориентированы в противоположном направлении к плоскости роста по сравнению с GaInP. Данное явление было связано с поверхностной скоростью диффузии и перераспределением плотности.

Таким образом можно утверждать, что атомное упорядочение, характерно для трехкомпонентных полупроводниковых составов III-V с составом (x~0.50) и дает новые оптические и электрические характеристики по сравнению с неупорядоченными твердыми растворами. Получение упорядоченных твердых растворов на основе соединений АЗВ5 представляет большой практический интерес, поскольку они могут стать базой для создания опто- и наноэлектроники нового поколения. Поэтому наша статья, продолжающая цикл работ по исследованию упорядочения в эпитаксиальных тройных твердых растворах AlxGa1-xAs и GaxIn1-xP, посвящена экспериментальному изучению свойств сверхструктурных фаз упорядочения.

1. Объекты и методы исследования

Твердые растворы GaxIn1-xP выращенны в области составов с х~0.50 методом МОС - гидридной эпитаксии на монокристаллической под­ложке GaAs(100) АГЧО-типа с n=1018 см-3. Поток фосфина 450мл/с, температура роста 600 °С.

Изучение морфологии поверхности было проведено методом атомно-силовой микроскопии с использованием микроскопа NTEGRA Therma (NT MDT), концентрации элементов в твердом растворе были уточнены методом рентгеновского микроанализа с использованием приставки Oxford Instruments к электронному микроскопу JEOL.

2. Результаты исследований и их обсуждение

Проблема неустойчивости твердых растворов GaxIn1-xP особенно в области составов x~0.50 является одной из наиболее остростоящих в физике тонких пленок и на сегодняшний момент изучалась как теоретически, так и экспериментально [8, 12-14]. Показано, что возникновение упорядоченных структур в твердых растворах GaxIn1-xP не нарушает однородность (планарность роста) пленки и ее пропускной способности, при этом упорядоченный твердый раствор GaInP на подложке GaAs обычно имеет широкое распределение доменов различных размеров на своей поверхности. При этом, фазы упорядочения должны иметь стехиометрию вида Ga1-ηIn1+ηP2 или Ga1+ηIn1-ηP2, где η - параметр упорядочения, который приобретает значения η=0 - 1 [12]. Упорядочение атомов в металлической подрешетке GaxIn1-xP происходит в направлении (111), что приводит к тетрагональной дисторсии. Вероятно по этой причине упорядочение в GaxIn1-xP было обнаружено лишь при росте эпитаксиальной пленки на подложках InP и GaAs с ориентацией (111), что с учетом типа упорядочения CuPt-B упрощало возникновение сверхструктурных фаз, за счет ориентации подложки.

Однако, в работе [10] методами рентгеноструктурного анализа было показано, что выращенный на GaAs(100) твердый раствор GaxIn1-xP при x~0.50 может испытывать распад с образованием двухфазной системы, причем исходя из полученных данных первая фаза являлась неупорядоченным твердым раствором с составом, соответствующим заданному. Вторая фаза имела параметр кристаллической решетки в направлении роста близкий к GaAs.

Исследования этой гетероструктуры выполненные нами (образец ЕМ806) на сканирующем электронном микроскопе показывают, что на ее поверхности наблюдается рельеф в виде статистического распределения неоднородностей – “микродоменов”, с размером около 10m и ориентированных вдоль одного направления. Эти микродомены могут быть представлены в виде прямоугольных параллелепипедов размерности abc, где a – длина параллелепипеда, b – ширина, c – высота, при этом эти величины находятся между собой в следующем соотношении: b = a/3 и c = a/2 (рис. 1,a).


Рис. 1. Изображения участков поверхности гетероструктуры ЕМ806 GaxIn1-xP/GaAs(100), полученные при помощи сканирующего электронного, а также области,
для которых был выполнен микроанализ. Слева от неупорядоченного твердого раствора, справа для домена на поверхности.


Используя приставку рентгеновского микроанализа к сканирующему электронному микроскопу, мы смогли определить концентрации атомов в твердых растворах GaxIn1-xP, а также в доменах, образовавшихся на поверхности твердого раствора образца ЕМ806 (см. рис. 1,b). Анализ показывает, что состав неупорядоченного твердого раствора GaxIn1-xP исследуемой гетероструктуры ЕМ806 лежит в пределах x~0.54, что совпадает с результатами рентгеноструктурного анализа проведенного нами в предыдущей работе [10]. Однако домены, возникающие на поверхности образца ЕМ806 имеют состав Ga0.66In0.34P. Следует отметить, что рассчитанный в соответствии с уравнениями, основанными на данных рентгеноструктурного анализа и теорией упругости и хорошо апробированный в работах [15-18], определенный нами параметр кристаллической решетки доменов a=5.6455 Å и параметр решетки твердого раствора Ga0.54In0.46P a=5.6451 Å, который является матрицей для роста доменной сетки по нашим данным практически совпадают, что подтверждает утверждение о хорошей однородности (планарности) эпитаксиальных пленок [8] в нашем случае [10]. Таким образом, как следует из полученных нами экспериментальных данных, происходит распад эпитаксиального твердого раствора GaxIn1-xP с образованием периодического распределения на поверхности доменов, представляющих собой фазу упорядочения Ga2/3In1/3P с решеткой CuPt-B-типа.

Следует отметить, что распад эпитаксиального твердого раствора происходит при пониженной температуре роста, в то время как изменение потока фосфина (источника фосфора) влияет лишь на изменение состава твердого раствора.

Выводы

Таким образом, на основании полученных в работе данных можно говорить о том, что в тройных твердых растворах на основе A3B5 при концентрациях в металлической подрешетке x~0.50 возможно образование сверхструктурных фаз упорядочения со стехиометрией A1-ηB1+ηC2. Следствием этого является не только изменение кристаллической симметрии нового соединения с кубической на тетрагональную, но и изменение оптических свойств по отношению к неупорядоченному твердому раствору аналогичного состава.

Быстрое протекание фазовых переходов в условиях эпитаксиального роста способствует появлению случайных неоднородностей концентрации частиц в следствие чего оказывается возможным появление модулированных релаксационных структур (нано и микро доменов и рельефа) на основе сверхструктурных фаз, а температура роста эпитаксиальных твердых растворов при возникновении неоднородностей - это решающий фактор, поскольку упорядочение это процесс, связанный с поверхностью и происходящий во время эпитаксиального роста.

Важно отметить, что появление фаз упорядочения не нарушает хорошую однородность пленки и обеспечивает минимальные внутренние напряжения кристаллических решеток.

Благодарности:

Работа выполнена при поддержке Гранта Президента Российской Федерации МК-736.2011.2, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы Проект 2010-1.3.1-121-018-030.


Литература:

  1. J.L. Martins. Bond lengths around isovalent impurities and in semiconductor solid solutions/ J.L. Martins and A. Zunger // Phys. Rev. Lett. – 1986. –V.56 P. 1400.

  2. G.P. Srivastava. Atomic structure and ordering in semiconductor alloys / G.P. Srivastava, J.L. Martins, and A. Zunger // Phys. Rev. B. – 1985. – V.31 P. 2561.

  3. S-H. Wei. First-principles calculation of temperature-composition phase diagrams of semiconductor alloys / S-H. Wei, L.G. Ferreira, and A. Zunger // Phys. Rev. B. -1990. – V. 41, P. 8240.

  4. R.G. Dandrea. Stability of coherently strained semiconductor superlattices / R.G. Dandrea, J.E. Bernard, S-H. Wei, and A. Zunger // Phys. Rev. Lett. – 1990. – V.64, P. 36.

  5. Domashevskaya É.P., Seredin P.V., Lukin A.N., Bityutskaya L.A., Grechkina M.V., Arsent'Ev I.N., Vinokurov D.A., Tarasov I.S. // Semiconductors. 2006. Т. 40. № 4. С. 406-413

  6. Seredin P.V., Glotov A.V., Domashevskaya E.P., Arsentyev I.N., Vinokurov D.A., Tarasov I.S., Stankevich A.L. // Semiconductors. 2010. Т. 44. № 8. С. 1106-1112.

  7. Домашевская Э.П., Середин П.В., Битюцкая Л.А., Арсентьев И.Н., Винокуров Д.А., Тарасов И.С. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. № 2. С. 62-65

  8. S.P. Ahrenkiel. CuPt-B ordered microstructures in GaInP and GaInAs films / S.P. Ahrenkiel, K.M. Jones, R.J. Matson, M.M. Al-Jassim, Y. Zhang, A. Mascarenhas, D.J. Friedman, D.J. Arent, J.M. Olson, and M.C. Hanna // Presented at the Materials Research Society.1999. Fall Meeting Boston, Massachusetts. November 29 . December 3, 1999.

  9. E.P. Domashevskaya. XRD, AFM and IR investigation of ordered AlGaAs2 phase in epitaxial AlxGa1-xAs/GaAs (100) Heterostructures/ E.P. Domashevskaya, P.V. Seredin, А.N. Lukin, L.A. Bityutskaya, M.V. Grechkina, I.N. Arsent’ev, D.A. Vinokurov, I.S. Tarasov // Surface and Interface Analysis. – 2006.V.8, I. 4 , - P. 828 – 832.

  10. П.В. Середин Фазообразование под воздействием спинодального распада в эпитаксиальных твердых растворах гетероструктур GaxIn1-xP/GaAs(100) //ФТП том 43, выпуск 9 (2009)

  11. 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.

  12. Su-Huai Wei and Alex Zunger /Optical properties of zinc-blende semiconductor alloys: Effects of epitaxial strain and atomic ordering//Phys. Rev. B 49, 14337–14351 (1994)

  13. P. Ernst, C. Geng, F. Scholz, H. Schweizer, Yong Zhang et al. /Bandgap reduction and valenceband splitting of ordered GaInP2// Appl. Phys. Lett. 67, 2347 (1995)

  14. P. Ernst, C. Geng, F. Scholz, H. Schweizer /Ordering in GaInP2 studied by optical spectroscopy //Physica status solidi (b) Volume 193, Issue 1, pages 213–229, 1 January (1996)

  15. П.В. Середин. Спинодальный распад четверных твердых растворов GaxIn1-xAsyP1-y/П.В. Середин, А.В. Глотов, В.Е. Терновая, Э.П. Домашевская, И.Н. Арсентьев, Л.С.Вавилова, И.С.Тарасов // Физика и техника полупроводников. – 2011. –45. – 11. 1489-1497

  16. Seredin P.V., Glotov A.V., Ternovaya V.E., Domashevskaya E.P., Arsentyev I.N., Vinokurov D.A., Stankevich A.L., Tarasov I.S. // Semiconductors. –2011. –Т. 45. –№ 4. С. 481-492.

  17. Domashevskaya E.P., Gordienko N.N., Rumyantseva N.A., Agapov B.L., Seredin P.V., Bityutskaya L.A., Arsent'ev I.N., Vavilova L.S., Tarasov I.S. // Semiconductors. –2008. –Т. 42. –№ 9. С. 1069-1075.

  18. Seredin P.V., Glotov A.V., Domashevskaya E.P., Arsentyev I.N., Vinokurov D.A., Tarasov I.S. // Physica B: Condensed Matter. –2010. –Т. 405. –№ 12. С. 2694-2696.



Врезка1

Основные термины (генерируются автоматически): III-V, неупорядоченный твердый раствор, раствор, рентгеноструктурный анализ, твердый раствор, пропускная способность, двухфазная система, сканирующий электронный микроскоп, стабильная структура, рентгеновский микроанализ.


Похожие статьи

Получение и исследование свойств новых полупроводниковых...

Рассчитаны значения параметра решетки (а), межплоскостного расстояния (dhkl), рентгеновской плотности (ρr). Скачок приходится на область перехода структур (s→ω). Образование твердых растворов замещения в системе ZnTe...

Жидкофазная эпитаксия твердых растворов (Ge2) 1-x(InP)...

Изменение наклона ВАХ с увеличением температуры свидетельствует о наличии туннельно — рекомбинационного механизма токопрохождения в гетероструктурах неупорядоченный фазовый переход. Эпитаксиальные слои твердых растворов на подложках оказались...

Разработка метода ВЭЖХ для идентификации замещенных...

вещество, концентрация раствора, CIPAC, подвижная фаза, исследуемое вещество, высокоэффективная жидкостная хроматография, разработка методики, рисунок, хроматографическая система, хроматографический анализ.

Определение параметров пористой структуры в por-Si...

В данной работе проводился анализ пористой структуры слоев por-Al2O3по данным РЭМ с помощью цифровых методов обработки изображений.

Рис. 2. Распределение пор по площади для por-Al2O3, сформированного в растворе на основе фосфорной кислоты.

Метод кристаллохимического анализа и теория функционала...

Ключевые слова: кристаллохимический анализ, твердые электролиты, электрохимические батареи, суперконденсаторы

На примере LiFePO4 и LiCoO2 продемонстрирована способность кристаллохимического подхода (программный пакет TOPOS) определять...

Исследование размерных характеристик нанопорошков Со и Fe

...из растворов солей при постоянном pH соответствующих гидроксидов и их восстановлении

Размер нанопорошков кобальта. Как показали результаты рентгенофазового анализа

200–400 oC, являются двухфазными: кобальт со структурой гексагональной плотноупакованной (ГПУ)...

Оптические фильтры на основе наноструктур с квантовыми точками

Реализация плазмонной структуры в терагерцовом диапазоне может привести к созданию ФВЧ для терагерцовых систем построения изображения [14].

В этом случае растворы оставались стабильны по крайней мере 30 дней.

Использование энергодисперсионной рентгеновской...

Полученные образцы пораженных тканей растений исследовались на сканирующем электронном микроскопе с энергодисперсионным спектрометром и

Таким образом, можно сделать предварительный вывод об эффективности метода рентгеновского микроанализа в...

Определение числа электродонорства при окислении некоторых...

Для оптимизации условий амперометрического титрования ионов металлов растворами различных

В полярографии в качестве твердых индикаторных электродов, в особенности в

Логарифмический анализ вольтамперограмм 1- диэтиламино -4-метил- бутин -2- ола-4 и...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Получение и исследование свойств новых полупроводниковых...

Рассчитаны значения параметра решетки (а), межплоскостного расстояния (dhkl), рентгеновской плотности (ρr). Скачок приходится на область перехода структур (s→ω). Образование твердых растворов замещения в системе ZnTe...

Жидкофазная эпитаксия твердых растворов (Ge2) 1-x(InP)...

Изменение наклона ВАХ с увеличением температуры свидетельствует о наличии туннельно — рекомбинационного механизма токопрохождения в гетероструктурах неупорядоченный фазовый переход. Эпитаксиальные слои твердых растворов на подложках оказались...

Разработка метода ВЭЖХ для идентификации замещенных...

вещество, концентрация раствора, CIPAC, подвижная фаза, исследуемое вещество, высокоэффективная жидкостная хроматография, разработка методики, рисунок, хроматографическая система, хроматографический анализ.

Определение параметров пористой структуры в por-Si...

В данной работе проводился анализ пористой структуры слоев por-Al2O3по данным РЭМ с помощью цифровых методов обработки изображений.

Рис. 2. Распределение пор по площади для por-Al2O3, сформированного в растворе на основе фосфорной кислоты.

Метод кристаллохимического анализа и теория функционала...

Ключевые слова: кристаллохимический анализ, твердые электролиты, электрохимические батареи, суперконденсаторы

На примере LiFePO4 и LiCoO2 продемонстрирована способность кристаллохимического подхода (программный пакет TOPOS) определять...

Исследование размерных характеристик нанопорошков Со и Fe

...из растворов солей при постоянном pH соответствующих гидроксидов и их восстановлении

Размер нанопорошков кобальта. Как показали результаты рентгенофазового анализа

200–400 oC, являются двухфазными: кобальт со структурой гексагональной плотноупакованной (ГПУ)...

Оптические фильтры на основе наноструктур с квантовыми точками

Реализация плазмонной структуры в терагерцовом диапазоне может привести к созданию ФВЧ для терагерцовых систем построения изображения [14].

В этом случае растворы оставались стабильны по крайней мере 30 дней.

Использование энергодисперсионной рентгеновской...

Полученные образцы пораженных тканей растений исследовались на сканирующем электронном микроскопе с энергодисперсионным спектрометром и

Таким образом, можно сделать предварительный вывод об эффективности метода рентгеновского микроанализа в...

Определение числа электродонорства при окислении некоторых...

Для оптимизации условий амперометрического титрования ионов металлов растворами различных

В полярографии в качестве твердых индикаторных электродов, в особенности в

Логарифмический анализ вольтамперограмм 1- диэтиламино -4-метил- бутин -2- ола-4 и...

Задать вопрос