Формирование антимонидных систем электронной техники в условиях градиентной жидкофазной эпитаксии и их характеристики

УДК 621.315.592

ФОРМИРОВАНИЕ АНТИМОНИДНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ В УСЛОВИЯХ ГРАДИЕНТНОЙ ЖИДКОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

© 2013 г. С.Н. Ващенко, Н.Ю. Архипова, А.В. Благин

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Обсуждаются технологические особенности получения твердых растворов на основе антимонид-ных систем. Приводится анализ электрофизических характеристик, определяющих приборные свойства исследованных материалов.

Ключевые слова: градиентная жидкофазная эпитаксия; антимонидные системы; условия формирования; электрофизические свойства.

This paper discusses the technological features of the production of solid solutions based on antimonide systems. The analysis of electrical characteristics defining devices' properties of the materials hes been studied.

Keywords: gradient liquid-phase epitaxy; antimonide system; conditions of formation; the electrophysical properties.

Предмет и задачи исследования

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

Недостаточно исследованными с точки зрения жидкофазных методов получения являются эффективные материалы оптоэлектроники инфракрасного диапазона - антимонид галлия GaSb и твердые растворы на его основе. Ограничивающим фактором для приборов на основе GaSb является уровень концентрации акцепторов в слоях, получаемых как жидко-фазной (ЖФЭ), так молекулярно-лучевой и МОС-гидридной эпитаксией [1]. Весьма интересным решением является легирование этих материалов висмутом. Введение висмута в твердые растворы А3В5 позволяет эффективно управлять многими параметрами

[2], однако технологически это осуществить, как правило, достаточно сложно - коэффициент распределения висмута очень мал [1]. Эта проблема решается осуществлением процесса выращивания материалов в условиях градиентной жидкофазной эпитаксии

[3].

Целью настоящей работы является исследование процессов формирования указанных антимонидных систем в условиях ГЖЭ и их свойств.

Особенности технологии получения многокомпонентных гетероструктур GaSbBi/GaSb и GaInSbBi/GaSb

Для выращивания слоев применялись подложки антимонида галлия, ориентированные в плоскости (100) и (111) толщиной 500 и 100 мкм диаметром 30 мм. (Марка ГСД, концентрация и подвижность носителей заряда соответственно 2-1016 см-3, 2600 см2/(В-с), плотность дислокаций - 1,8 -103 см-2.) Пластины 500 мкм применялись для выращивания слоев, а 100 мкм - для насыщения раствора-расплава. В качестве компонентов шихты применялись соединения: GaSb, InSb (марка ИСЭ-1), Ga, In, Bi.

Методика получения гетероструктур GaSbBi/GaSb и GaInSbBi/GaSb базировалась на обширном опыте получения трех- и четырехкомпонентных твердых растворов методом ГЖЭ [1]. Основными при применении ГЖЭ для выращивания многокомпонентных твердых растворов являются вопросы: управление скоростью процесса роста, совершенство эпитакси-ального слоя, состав твердого раствора, состояние поверхности полученных слоев.

Режимы проведения процесса ГЖЭ (рис. 1) оптимизировались с целью получения наиболее воспроизводимых результатов по таким параметрам, как заданная длина волны люминесценции, минимальное рассогласование периодов решетки и слоя на гетеро-границе, малая неоднородность по толщине и площади слоя, а также воспроизводимость эксперимента. Гомогенизация проводилась при температурах на 150-200 К выше температуры эпитаксии без подло-

жек GaSb (^ = 985 К) в течение двух часов. После предварительной гомогенизации расплав массой 10 г охлаждали до комнатной температуры. Подложки антимонида галлия, ориентированные по кристаллографическому направлению (100), располагали в графитовую кассету сдвигового типа. Нижняя пластина служила источником для насыщения расплава, верхняя использовалась в качестве подложки для роста слоя.

T,K T

Полученные гетероэпитаксиальные слои отличались хорошим качеством - на рис. 2 четко видна гете-рограница и однородность скола.

t, W5 t6t

Рис. 1. Схема температурно-временного режима (ТВР):

- гомогенизация расплава в отсутствие подложек GaSb; Í5-Í6 - гомогенизация расплава с подложками GaSb;

- переохлаждение расплава и смачивание подложки при температуре Гсм; - участок быстрого переохлаждения расплава; - рост эпитаксиального слоя при средней температуре Гср; - ступенчатое охлаждение композиции

до комнатной температуры Г0

После повторной гомогенизации расплава при температуре, превышающей температуру роста 10 К, в течение 60 мин, расплав переохлаждали на величину ДT в зависимости от содержания индия и висмута в твердой фазе.

Подверженность подложки GaSb растворению при смачивании обусловливает необходимость использования переохлажденного расплава по отношению к температуре начала гетерогенного зарождения на подложке. Однако изменение величины переохлаждения ДT может существенно сказываться на составе кристаллизуемой системы. Поэтому подход к выбору величины переохлаждения нами определялся теоретически и экспериментально. Теоретически эта величина определялась следующим образом. По заданному составу твердой фазы и температуре эпитак-сии (Г1)) согласно расчетам фазовой диаграммы находили состав равновесной жидкой фазы. При этом расчете не учитывалось влияние подложки. Затем решалась обратная задача: по полученному составу исходной жидкой фазы находились состав твердого

раствора и температура TЭФ по расчетам фазовой диаграммы с учетом влияния подложки GaSb. Разность температур ДT = Tр - TЭФ составляла теоретически рассчитанную величину переохлаждения ДT . Расчетные и экспериментальные величины ДT отличаются. Мы склонны считать, что это связано с образованием «защитного слоя» при переохлаждении жидкой фазы, а также особенностями кинетики на начальных стадиях роста.

Рис. 2. Поперечный скол гетероструктуры GaInSb<Bi>/GaSb

Электрофизические и фотоэлектрические свойства антимонидных систем

Нами исследовалось распределение концентрации основных носителей по толщине. Использовали два независимых метода: 1) люминесцентный - по известной зависимости спектральной ширины полосы межзонного излучения от концентрации носителей и по интенсивности кривой полосы излучения; 2) метод Холла - тип проводимости, концентрацию основных носителей и их подвижность ц определяли по результатам измерений коэффициента Холла в слабом магнитном поле и удельной электропроводности ст. Измерение распределения по толщине проводилось при послойном стравливании.

Экспериментальные данные по концентрациям носителей и подвижностям ц для эпитаксиальных слоев твердых растворов GaSb1.xB/x и Ga1.>,In>,Sb1.xBix приведены в таблице. Согласно полученным результатам можно сделать вывод о сравнительно небольшом увеличении концентрации носителей и их подвижности (по отношению к нелегированному GaSb) при увеличении содержания сначала висмута (х < 0,003 -практически незначительно), а затем индия и висмута (х <0,008;у < 0,15).

Подвижности и концентрации электронов в системе Gal-JInJSbl-жBiж при 300 К

x, мол. дол. y, мол. дол. ц,см2хВ 1 • с 1 Концентрация электронов, см-3

0,002 0 7,2х103 2,2х1016

0,003 0 7,5х103 2,8х1016

0,004 0,05 7,0х103 6,5х1016

0,004 0,10 8,7х103 7,5х1016

0,005 0,12 9,5х103 6,7х1016

Исследования фотолюминесценции в четырех-компонентных системах и сравнение результатов со спектрами антимонида галлия, легированного висмутом [4], показали, что в первых возможная неоднородность состава слоев твердых растворов в режиме принудительного охлаждения может приводить к уширению полосы люминесценции по сравнению с трехкомпонентными соединениями. Добавление в систему GaSb<Bi> индия изменяет его зонную структуру, значительно расширяя область составов с «прямы-

ми» переходами, уменьшение ширины запрещенной зоны при у = 0,13, х = 0,008 оценено как ДЕг ~ 0,03 эВ (рис. 3). Кристаллизация слоев того же материала методом ГЖЭ с подпиткой позволяла выращивать однородные по составу твердые растворы и уменьшать полуширину спектральной полосы люминесценции.

(D О

H

о о я и s о

я

H

Рис. 3. Спектр фотолюминесценции эпитаксиального слоя Ga0.87In0.13Sb0.992Bi0.008/GaSb при Т = 77 К

Спектры фотолюминесценции, распределение спектрального состава и интегральной интенсивности рекомбинационного излучения по толщине слоев определялись на косых шлифах структур. Погрешность в определении положения максимума краевых полос в спектрах фотолюминесценции составляла не более 0,005 эВ. Спектры фотолюминесценции записывались при температуре 77 К. Полуширина кривой излучения в зависимости от состава твердого раствора изменялась в пределах 50 мэВ. Это говорит о высоком кристаллическом совершенстве полученных слоев.

Выводы

В условиях метода ГЖЭ получены эпитаксиаль-ные слои антимонидных систем ОаЗЬь^В!;,.

Поступила в редакцию

и Оа^п^Ь^Вг, (x < 0,008, у < 0,15). Проведены исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств эпитаксиальных слоев. Исследовано распределение компонентов твердого раствора и концентрации носителей заряда по толщине слоя. Обнаружено влияние содержания висмута и индия на концентрацию и подвижность носителей заряда в эпитак-сиальных слоях в сторону их роста при увеличении содержания данных элементов в твердом растворе. Оценка величины изменения ширины запрещенной зоны для четырехкомпонентного твердого раствора Оа^п^Ь^Вг, (х < 0,008, у < 0,15) при максимальных х и у составляет ~0,03 эВ. На наш взгляд, указанная система может быть пригодной в качестве источника когерентного излучения, работающего при комнатной температуре в спектральном диапазоне около 1,9 мкм. Такие излучатели эффективны в качестве чувствительных элементов ИК-спектрометрических устройств анализа веществ и в волоконно-оптических системах.

Литература

1. Лозовский В.Н., Лунин Л.С., Благин А.В. Градиентная жидкофазная кристаллизация многокомпонентных полупроводниковых материалов. Ростов н/Д., 2003. 376 с.

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

3. Лунин Л.С., Благин А.В., Попов А.И., Разумовский П.И. Физика градиентной эпитаксии полупроводниковых ге-тероструктур. Ростов н/Д., 2008. 230 с.

4. Gladkov P., Monova E., Weber J. Liquid phase epitaxy and photoluminescence characterization of p-type GaSb layers grown from Bi melts. // J. Cryst. Growth. Vol. 146. (1995). P. 319 - 325.

19 ноября 2012 г.

Длина волны, нм

Ващенко Сергей Николаевич - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: vatsond@mail.ru

Архипова Наталия Юрьевна - аспирант, кафедра «Физика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Благин Анатолий Вячеславович - д-р физ.-мат. наук, зав. кафедрой «Физика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: bla_gin@mail.ru

Vaschenko Sergey Nikolaevich - post-graduate student, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Arkhipova Natalia Yurievna - post-graduate student, department «Physics», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Blagin Anatoly Vyacheslavovich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Physical», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: bla_gin@mail.ru