WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 4 Твердый раствор InxGa1-xAsySbzP1-y-z: новый материал инфракрасной оптоэлектроники I. Термодинамический анализ условий получения твердых растворов, изопериодных подложкам InAs и GaSb, методом жидкофазной эпитаксии © Н.А. Чарыков, А.М. Литвак, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 14 мая 1996 г. Принята к печати 22 мая 1996 г.) Проведен расчет диаграмм фазовых равновесий расплав–твердый раствор (диаграмм плавкости) и твердый раствор (I)–твердый раствор (II) (поверхностей спинодального распада твердых растворов) в пятикомпонентной системе In–Ga–As–Sb–P (твердые растворы изопериодны подложкам GaSb и InAs). Проведен расчет концентрационных областей твердых растворов изовалентного замещения InxGa1-xAsySbzP1-y-z, доступных к синтезу, методом жидкофазной эпитаксии.

1. Постановка задачи являются весьма привлекательными для изготовления оптоэлектронных приборов. Необходимость интеграции Многокомпонентные твердые растворы AIIIBV на лазеров и фотодиодов в электронных схемах на основе основе InAs и GaSb как тройные (InAsSb, InGaAs), так GaAs и Si привела к появлению целого ряда работ, и четверные (GaInAsSb, InAsSbP, GaAlAsSb) широко посвященных выращиванию многокомпонентных раствоиспользуются в настоящее время для создания опторов AIIIBV на этих подложках. Однако, вследствие значиэлектронных приборов (лазеров [1–4], светодиодов [5], тельной разницы в периодах решеток твердых растворов фотодиодов [6,7]) в спектральном диапазоне 2–5 мкм на основе GaSb, InAs, InSb и т. д. и подложки GaAs синтез при 300 K. Четверные твердые растворы, изопериодные с методом ЖФЭ до сих пор не привел к существенным подложками InAs и GaSb, имеют важное преимущество положительным результатам. Указанные недостатки моперед тройными твердыми растворами, поскольку погут быть преодолены путем создания пятикомпонентного зволяют изменять ширину запрещенной зоны материала твердого раствора InxGa1-xAsySbzP1-y-z, позволяющего при сохранении периода решетки [8]. В то же время выращивать изопериодные материалы одного качественнедостатком этих растворов является наличие больших ного состава сразу на четырех подложках: GaSb, InAs, областей составов, недоступных для получения методом InP, GaAs. Термодинамическому анализу условий ЖФЭ жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), вследствие реализации синтеза твердых растворов, изопериодных двум первым ограничений: по области несмешиваемости твердых расподложкам, посвящена настоящая работа.

творов (т. е. области спинодального распада последних) и Цель настоящей работы — определение:

по условию молекулярности расплава [9]. Так, например, 1) области существования твердых растворов, сооттвердый раствор InxGa1-xAsySb1-y может быть выращен ветствующих пятикомпонентной системе, изопериодных на подложке GaSb, будучи строго изопериодным поподложкам InAs и GaSb, устойчивых относительно списледней, лишь в диапазоне 0 < x < 0.29, состав близок к GaSb (что соответствует интервалу изменения Eg нодального распада;

2) области возможного получения твердых растворов 0.72–0.50 эВ), либо (1 > x > 0.74, Eg 0.30-0.24 эВ), = методом ЖФЭ, ограниченной так называемым ”условисостав близок к InAs [10,11]. Твердые растворы ем молекулярности расплава”, что отвечает равенству InxAsySbzP1-x-y/InAs, широко используемые как накрысуммарных концентраций компонентов AIII и BV в расвающие слои в длинноволновых лазерах, также имеют плаве [13];

ограниченную область составов, доступную для синтеза 3) области действия одного из вышеперечисленных методом ЖФЭ: 0 < 1 - x - y < 0.38 [12] и т. д. Эти ограничений и, таким образом, области составов, доступпринципиальные термодинамические ограничения не поных для синтеза методом ЖФЭ, и температур двухфаззволяют создавать оптоэлектронные приборы на дискретного равновесия.

ные длины волн во всем диапазоне 2–5 мкм на основе Для решения подобных задач необходимо прежде всетолько одного материала AIIIBV методом ЖФЭ. Широко го иметь термодинамическое описание сосуществующих применяемые в последние годы методы молекулярнофаз — расплава и твердого раствора изовалентного лучевой и газофазной эпитаксии позволяют в заметной замещения. Остановимся на них подробнее.

степени нивелировать действие обоих ограничений и расширить область составов доступных твердых раство- Модель расплава. Для описания стандартных химичеров. Однако простота и относительная дешевизна ЖФЭ ских потенциалов компонентов расплава In, Ga, As, Sb, Твердый раствор InxGa1-xAsySbzP1-y-z: новый материал инфракрасной оптоэлектроники. Таблица 1. Термодинамические функции компонентов и соединений в системе In–Ga–As–Sb–P 0 f Вещество H298, кДж S0, Дж/K Cl, Дж/K Cs = a + b · T Дж/K, T, K Sf, Дж/K p p In -242.8 57.9 31.4 24.3 + 0.0105 · T 430 7.Ga -288.8 42.7 28.2 23.9 + 0.0105 · T 303 18.As -288.8 35.2 23.0 21.9 + 0.0093 · T 1090 18.P -317.0 25.0 20.7 19.7 + 0.0151 · T 870 8.Sb -285.6 45.7 29.8 23.1 + 0.0071 · T 903 22.InSb -537.0 86.5 67.2 50.0 + 0.0110 · T 797 60.InAs -589.4 75.8 67.0 44.8 + 0.0148 · T 1210 60.InP -598.0 62.4 62.8 44.9 + 0.0169 · T 1333 58.GaSb -596.4 76.4 63.0 49.0 + 0.0125 · T 985 66.GaAs -658.6 64.2 67.0 47.4 + 0.0070 · T 1513 69.GaP -681.8 52.3 56.1 43.9 + 0.0070 · T 1738 74.0l 0l P и расплавленных соединений InAs, GaAs, InSb, GaSb, где µi и µi j — стандартные химические потенциалы InP, GaP (а также твердых соединений — см. далее) на- компонентов (i) и соединений (ij). Параметры i j и ми использованы литературные данные по стандартным i jk представляют собой разности свободных энергий теплотам образования (H298), энтропиям (S0), изобар- образования соединений ii j, ij j и ijk соответственно, и, ным теплоемкостям в жидком и твердом состоянии (Cl поскольку подобные соединения в системах AIII–BV не p f f и Cs ), температурам и энтропиям плавления (T и S ).

образуются, мы находили их из данных по диаграммам p Эти данные представлены в табл. 1. Здесь необходимо плавкости соответствующих бинарных, квазибинарных и отметить, что для всех компонентов и соединений (кроме тройных подсистем системы In–Ga–As–Sb–P (так же как GaP) данные по стандартным термодинамическим функи параметры InGa, AsP, AsP, SbP). Эти параметры циям вполне надежны.

приведены в табл. 2.

Согласно немногочисленным литературным данным Из данных по стандартным и избыточным термодиf для GaP, прежде всего по значениям S, а также и намическим функциям компонентов расплава мы имеем прочим функциям, последние различаются на величины возможность рассчитать химические потенциалы всех до 10–20 отн.%.

шести соединений AIIIBV в расплаве (InAs, GaAs, InP, Для описания избыточных термодинамических функций компонентов расплава (i — коэффициентов активности) нами использована модель EFLCP, которая ранее с успехом применялась для описания систем AIII–BV Таблица 2. Параметры неидеальности сосуществующих жидкой и твердой фаз в системе In–Ga–As–P P = a + b · T (см., например, [14–16]).

Основное уравнение модели EFLCP для системы проПараметр a, кДж b, Дж/K извольной компонентности — n (в нашем случае n = 5) InGa -14.0 20.имеет следующий вид [16]:

AsP -9.0 n n n AsSb 24.6 -21. RT ln i = i jx2 + i j +ik - jk xjxk SbP 73.5 j j =i j=i k=i InAs 39.2 -41. GaAs 39.0 -39.n n n GaSb 21.0 -20.+(2xi -1/2) i jx2 + xjxk (xj -xk)kj j InSb 56.0 -100.j=i j=i k=i InP 27.6 -80. GaP -105 +xj i j +ik + 1 - 2xj i jk. (1) InGaAs =InGaP 33.6 -50.InAsP =GaAsP 60.0 Здесь R — газовая постоянная, T — температура (K), InAsSb =GaAsSb -127.0 100.xi — мольная доля i-го компонента расплава, i j, i j, InSbP =GaSbP -63.0 i jk — параметры модели. Параметр i j представляет s 2InAsGaAs 5.7 20.собой удвоенное изменение свободной энергии Гиббса s 2InPGaP 18.8 при образовании 1 моля жидкого соединения ij из 1 моля s 2InAsInP 2.5 жидких компонентов i и j без учета вклада энтроs 2GaAsGaP 3.8 пии идеального смешения и рассчитывается из данных s 2GaAsGaSb 1.4 27.s табл. 1 [16]:

2InAsInSb 21.0 s 2InSbInP 47.0 0l 0l s i j = 2 µi j -µi -µ0l +RT ln 4, (2) 2GaSbGaP 73.9 j Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 412 Н.А. Чарыков, А.М. Литвак, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, Ю.П. Яковлев l GaP, InSb и GAsB) — µi j: При применении формул (8), (9) для оценки решеточs s ных параметров неидеальности i jkj ( i jik) нами исl 0l µi j = µi j +RT ln(xixj) +ln(ij). (3) пользовалась аппроксимационная формула, полученная в работе [17]; используемые параметры твердой фазы Модель твердого раствора. В качестве компоненпредставлены в табл. 2.

тов четырехкомпонентного взаимного твердого раствора При расчете фазовых равновесий с образованием InxGa1-xAsySbzP1-y-z будем рассматривать соединения твердых растворов, неизопериодных к подложке, нами AIIIBV — InAs, GaAs, InP, GaP, GaSb, InSb. Конпроводился учет вклада энергий упругих напряжений, центрации двух компонентов зависят от концентраций связанных со сжатием–растяжением связей AIII–BV в остальных четырех, поскольку справедливо уравнение твердом растворе, в химические потенциалы:

химического равновесия для фазы переменного состава — твердого раствора [2]:

RT ln i j = RT ln iis +Eidef, (10) j j s s s s µInAs + µGaP = µGaAs + µInP, где (4) s s s s µInSb + µGaP = µInP + µGaSb, Eidef =C0r (a -asub)2 + 2(a - asub)(ai j -a) /a2, (11) j sub s где µi j — химический потенциал соединения ij в твердой где asub — период решетки подложки, C0r — конфазе. Уравнения (4) являются следствием установления станта, которая в общем случае зависит от темпераравновесия в ппротекающих в твердой фазе реакциях:

туры, типа соединения AIIIBV–i j и ориентации подInAs + GaP GaAs + InP, ложки. Пренебрегая относительно слабой зависимо(5) стью от первых двух параметров, примем C0r для InSb + GaP GaSb + InP.

ориентации (100) =4200 кДж/моль и для ориентации (111) =3000 кДж/моль [17].

Рассмотрим вначале образование твердого раствора, Таким образом, для расчета химических потенциалов строго изопериодного к выбранной подложке. Другими s соединений AIIIBV в твердом растворе — µi j имеем словами, период решетки твердого раствора и подложки совпадает или, согласно правилу Вегера, s 0s mut µi j = µi j +RT ln yiyj + RT ln i j +i j, (12) a = aInAsyInyAs + aGaAsyGayAs + aInPyInyP 0s где µi j — стандартный химический потенциал соедине+ aGaPyGayP + aInSbyInySb + aGaSbyGaySb, (6) mut ния ij в твердом растворе, i j — вклад в химический потенциал соединения i j стандартного изменения свогде a — период решетки подложки при 300 K, ai j — бодной энергии Гиббса реакции (5). Введем функции период решетки соединения ij при 300 K (6.058 для InAs, 5.653 для GaAs, 5.451 для GaP), yi — атомная доля в reac 0s 0s 0s 0s 1 = µGaAs + µInP - µGaP - µInAs, подрешетке AIII(BV):

reac 0s 0s 0s 0s 2 = µGaSb + µInP - µGaP - µInSb, yIn + yGa = yAs + yP + ySb = 1. (7) reac reac reac 3 = 1 - 2, (13) Для описания избыточных термодинамических функций компонентов твердого раствора — коэффициентов def def def def def 1 = EInP + EGaAs - EInAs - EGaP, активности соединений ij в шкале мольной доли — iis j нами использована известная модель квазирегулярных def def def def def 2 = EInP + EGaSb - EInSb - EGaP, твердых растворов. Например, для коэффициента актив- def def def ности InAs справедливо:

3 = 1 - 2. (14) is s s s RT ln InAs = y2 InGa + y2AsP + y2 AsAb Тогда для твердого раствора InGaAsSbP Ga P Sb s s s mut reac def reac def + yPySb AsP + AsSb - PSb, (8) InSb = yGayP -2 +2 +yGayAs -1 + 1, mut reac def reac def где GaP = yInySb -2 - 2 +yInyAs -3 + 3, s s s s InGa = InPGaPyP + InAsGaAsyAs + InSbGaSbySb, mut reac def reac def InAs = yGaySb 1 - 1 + yGayP 3 - 3, s s s AsP = InAsInPyIn + GaAsGaPyGa, и т. д. (15) s s s AsSb = InAsInSbyIn + GaAsGaSbyGa, Условия фазового равновесия. Таким образом, для s s s определения состава сосуществующих жидкой и твердой PSb = InSbInPyIn + GaSbGaPyGa. (9) Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Твердый раствор InxGa1-xAsySbzP1-y-z: новый материал инфракрасной оптоэлектроники. def фаз достаточно решения любых четырех (из шести) раствора — yGa, yAs, ySb (при этом функции Fidef и i j уравнений фазового равновесия: становятся отличными от нуля).

Ограничения на получение твердых растворов.

l s µInAs = µInAs, Рассмотрим вначале ограничения на получение твердых растворов InGaAsSbP/GaSb(InAs). Согласно рассмо l s µInP = µInP, трению, представленному в работе [13], существуют два независимых ограничения на область существования l s µInSb = µInSb, таких твердых растворов: по ”условию молекулярности l s расплава”, расширяющееся с ростом температуры, и по µGaSb = µGaSb, спинодальному распаду твердых растворов, сужающееся l s с ее ростом.

µGaAs = µGaAs, Ограничение по ”условию молекулярности расплаl s µGaP = µGaP, (16) ва”. Согласно [13], действие этого условия наступает в том случае, когда возможно приготовление расплава Любое пятое уравнение будет линейной комбинацией исключительно из соединений AIIIBV–InAs, InP, InSb, первых четырех и может быть исключено из систеGaAs, GaSb и GaP без добавок компонентов — In, Ga, мы. Система (16) может быть разрешена относительно As, Sb, P:

четырех независимых переменных из, например, следующего набора: xGa, xAs, xP, xSb, yGa, yAs, ySb, T xIn + xGa = xAs + xP + xSb = 1/2 (17) (xIn = 1 - xGa - xAs - xP - xSb, yIn = 1 - yGa, yP = 1 - yAs - ySb). Таким образом, мы имеем возмож- Данные расчета составов расплавов, равновесных ность: 1) задать T, yGa, yAs и условие изопериодичности с твердыми растворами, изопериодными подложкам GaSb (InAs), представлены на рис. 1, 2 для температур какой-либо подложке, например InAs, и в соответствии с уравнением (6) найти ySb и yP, а в соответствии с 500. 550. 600C. Данные (здесь и далее) представлены системой уравнений (16) состав жидкой фазы — xGa, в координатах yIn-yP. Этих двух независимых переxAs, xP, xSb (при этом становятся равными нулю функции менных состава твердого раствора достаточно для его Eidef и def в соответствии с уравнениями (11) и (14)); полного определения, поскольку справедливо условие j 2) задать xGa, xAs, xSb, xP и в соответствии с системой (6) изопериодичности какой-либо подложке (уравнение (6)) найти температуру ликвидуса — T и состава твердого и уравнения нормировки (уравнения (7)). Из рисунков Рис. 1. Концентрационные зависимости ограничения по Рис. 2. Концентрационные зависимости ограничения по услоусловию молекулярности расплава (сплошная линия) и по вию молекулярности расплава (сплошная линия) и по спиноспинодальному распаду твердого раствора (пунктирная) для дальному распаду твердого раствора (пунктирная) для твердых твердых растворов InxGa1-xAsySbzP1-y-z, изопериодных под- растворов InxGa1-xAsySbzP1-y-z, изопериодных подложке InAs, ложке GaSb, для температур, C: 1 — 500, 2 — 550, 3 — 600. для температур, C: 1 — 500, 2 — 550, 3 — 600.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.