КАЛИБРОВОЧНАЯ ДВУХПЕРИОДНАЯ СВЕРХРЕШЕТКА InAlAs/InGaAs НА ПОДЛОЖКЕ InP

III
V
Полезная модель относится к полупроводниковым наногетероструктурам AB, используемым в качестве активной области для изготовления оптических и радиофотонных устройств (квантово-каскадные лазеры, электрооптические модуляторы и т.д.), а также сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторов суб-терагерцового диапазона частот.
0.53
0.47
0.52
0.48
III
V
y
1-y
x
1-x
p
y
1-y
x
1-x
В современной твердотельной электронике наиболее быстродействующие СВЧ устройства получают по технологии решеточно-согласованных с подложкой InP НЕМТ (high electron mobility transistor) гетероструктур InAlAs/InGaAs. В то же время, при создании электрооптических модуляторов на основе технологии InP ведущую роль занимает технология эпитаксиального создания гетероструктур. Точный подбор составов и толщин гетеросоединений обеспечивает необходимые выходные параметры преобразуемого СВЧ сигнала. Состав слоев тройных соединений в технологии наноразмерных гетероструктур AB получаемых методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), определяет величину разрывов энергии зоны, эффективную массу носителей тока, а в случае решеточно-рассогласованных материалов - также и механическую деформацию слоя. Для достижения минимальных потерь при работе модулятора используются решеточно-согласованные по отношению к материалу подложки тройные твердые растворы на основе соединений InGaAs и InAlAs, поскольку в данном случае минимизируются механические деформации, приводящие к появлению дислокаций в растущих слоях, значительно ухудшающих электронные транспортные и структурные свойства гетероструктур. Для сглаживания гетерограниц используются низкие скорости роста гетерослоев: V ~ (0.5-0.8) мкм/час, что обеспечивается использованием технологии МЛЭ. Высокое качество эпитаксиальных слоев InGaAs и InAlAs возможно при отклонении от изоморфного состава х=0.521 и у=0.530 не более чем на +5% и -3%, поэтому важным фактором в технологии МЛЭ роста изоморфных гетероструктур на подложках InP является соблюдение точности состава слоев. Метрологическая задача определения состава и толщин тройных твердых растворов решается при помощи прецизионных методов контроля состава слоев, таких как метод высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии HRXRD (high resolution x-ray diffraction). Однако конечная точность параметров зависит не только от качества исследования и сходимости используемых математических моделей, но также и от типа гетероструктуры, структурные параметры которой необходимо определить.
y
1-y
x
1-x
y
1-y
Известна гетероструктура [1], которая состоит из подложки InP и сверхрешетки InGaAs/InP с периодом 20. В такой гетероструктуре, путем анализа кривых дифракционного отражения, полученных методом HRXRD, [1] определяется толщина периода сверхрешетки. Недостатком такого типа структуры является то, что для одновременного определения толщин и составов слоев InAlAs и InGaAs необходимо провести 2 независимых процесса эпитаксиального роста, в которых параметры временного дрейфа состава, температуры окружающей среды, калибровок зависимости потоков молекулярных источников от их температур и многие другие факторы могут сильно повлиять на результат и дать высокую погрешность исследования.
x
1-x
y
1-y
Прототипом предлагаемой полезной модели является полупроводниковая наногетероструктура, изображенная на фиг. 1 [2], на которой указаны следующие друг за другом слои. На монокристаллической полуизолирующей подложке InP - 1 эпитаксиально выращивается последовательность слоев: буферный слой InP - 2 и сверхрешетка (CP), состоящая из чередующейся последовательности слоев InAlAs/InGaAs, общим числом пар (период), равным 50-3.
x
1-x
y
1-y
Недостатком такой гетероструктуры является то, что оценить отдельно вклад каждого из тройных твердых растворов InAlAs и InGaAs в общую толщину периода напрямую невозможно без привлечения дополнительных методов исследования. Для оценки вклада в случае данной гетероструктуры необходимо использовать метод математической подгонки результатов моделирования под экспериментальные данные и решать обратную задачу нахождения толщины для каждого из тройных соединений. Это ухудшает конечную точность исследования, поскольку искомые толщины определяются методом косвенной оценки в зависимости от выбранной модели.
x
1-x
y
1-y
Технический результат заявленной полезной модели заключается в обеспечении возможности независимо определить толщины и состав тройных твердых растворов InAlAs и InGaAs, полученных в рамках единого технологического процесса.
x
1-x
x
1-x
y
1-y
x
1-x
y
1-y
Технический результат достигается тем, что полезная модель включает в себя последовательно слой подложки InP, буферный слой InAlAs с мольной долей x(InAs)=0.518-0.524, решеточно-согласованный с подложкой InP, нижнюю сверхрешетку СР1, состоящую из последовательности слоев InAlAs и InGaAs с x(InAs)=0.518-0.524 и y(InAs)=0.525-0.535, общим числом периодов от 10 выше, верхнюю сверхрешетку СР2, состоящую из последовательности слоев InAlAs и InGaAs с x(InAs)=0.48-0.56 и y(InAs)=0.49-0.57, общим числом периодов от 10 и выше.
x
1-x
y
1-y
Мольные доли InAs х и у в случае СР1 выбираются исходя из того, что получившиеся сплавы InAlAs и InGaAs должны быть решеточно-согласованы друг с другом. В случае СР2 необходимо добиться рассогласования решеток, что может быть достигнуто разными комбинациями составов в упомянутом диапазоне. Такая гетероструктура позволяет получить с помощью метода HRXRD кривые дифракционного отражения, на которых наблюдаются отдельные пики сверхрешеток СР1 и СР2 за счет контраста по составу х и у. Выход за пределы предложенных диапазонов по составам не позволяет получить качественную кривую дифракционного отражения с отдельно стоящими четко разделяющимися пиками сверхрешеток.
0.52
0.48
0.52
0.48
0.53
0.47
x
1-x
y
1-y
На фиг. 2 представлен пример конкретной реализации гетероструктуры с калибровочной двухпериодной сверхрешеткой, демонстрирующей суть настоящей полезной модели. Гетероструктура выращивается методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре роста слоев в диапазоне 380-520°С. Она состоит из монокристаллической полуизолирующей подложки InP - 1, далее следует буферный слой InAlAs - 2, решеточно-согласованный с подложкой. Далее следует решеточно-согласованная с подложкой сверхрешетка 1, состоящая из последовательности слоев InAlAs/InGaAs, с общим числом периодов 20. Далее следует механически-напряженная сверхрешетка 2, состоящая из последовательности слоев InAlAs/InGaAs с x(InAs)=0.49-0.51 и y(InAs)=0.54-0.56, с общим числом периодов 15.
x
1-x
y
1-y
Для подтверждения заявленного эффекта были рассчитаны составы и толщины тройных твердых растворов InAlAs и InGaAs для гетероструктуры, представленной на фиг. 2, двумя различными способами: при использовании математической подгонки, путем решения обратной задачи в программном пакете GlobalFit, версия 2.1.1.0, входящим в программную среду двухкристального рентгеновского дифрактометра Rigaku Ultima IV, а также методом прямого решения системы линейных уравнений (1) вида:
1
2
где L и L - толщина первого и второго периода CP, соответственно,
1
2
3
4
t, t, t, t - времена эпитаксиального роста соответствующих слоев,
1
x
1-x
k - приведенный коэффициент для соединения InAlAs, определяемый соотношением скоростей роста (молекулярных потоков) при изменении мольной доли х(In) в СР2 по сравнению с СР1,
2
y
y
k - приведенный коэффициент для соединения InGa1-As, определяемый соотношением скоростей роста (молекулярных потоков) при изменении мольной доли у(In) в СР2 по сравнению с СР1,
InAlAs
V - скорость роста тройного соединения InAlAs,
InGaAs
V - скорость роста тройного соединения InGaAs.
InAlAs
InGaAs
InAlAs
InGaAs
x
1-x
y
1-y
x
1-x
y
1-y
Неизвестными величинами в данной системе уравнений являются только скорости тройных твердых растворов V и V, остальные параметры известны и задаются начальными условиями процесса эпитаксиального выращивания. После решения системы уравнений (1) и определения скоростей V и V, толщины слоев InAlAs и InGaAs рассчитываются перемножением скоростей роста соответствующего слоя на известное время роста. Определить мольные доли х(In) и у(In) тройных соединений InAlAs и InGaAs можно из уравнений (2-3):
GaAs
AlAs
где V=80.2 А/мин - скорость бинарного соединения GaAs для у(In)=0.53, V=82.3 А/мин - скорость бинарного соединения AlAs для х(In)=0.52.
x
1-x
y
1-y
x
1-x
y
1-y
Выявлено, что относительные погрешности определения составов и толщин находятся в диапазоне (2.1-6.7) % и (0.02-0.9) %, соответственно, что является важным фактором исследования, поскольку при отклонении от изоморфного состава х=0.521 и у=0.530 на более чем +5% и -3% в ГС на основе сверхрешеток InAlAs/InGaAs происходит релаксация механических напряжений в кристаллической решетке и приборная гетероструктура становится непригодной для дальнейших технологических операций. В то же время, в квантово-каскадных лазерах, на основе решеточно-согласованных сверхрешеток InAlAs/InGaAs, при отклонении от заданных толщин CP на величину >5%, усиливается поглощение излучения и происходит значительное снижение удельной выходной мощности и уменьшение квантовой эффективности.
x
1-x
y
1-y
Таким образом, применение данной полезной модели позволяет с высокой точностью независимо определить толщины и состав двух различных тройных соединений InAlAs и InGaAs, полученных в рамках единого технологического процесса.
Список используемых источников.
1. United States Patent №5,530,732: М. Takemi. Method and apparatus for evaluating thin-film multilayer structure (Jun. 25, 1996).
2. I. Demir and S. Elagoz. Growth of InGaAs/InAlAs superlattices by MOCXD and precise thickness determination via HRXRD // Gazi University Journal of Science vol. 29(4), pp. 947-951 (2016).