WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 Особенности формирования гетерограниц (Al,Ga)Sb/InAs при молекулярно-пучковой эпитаксии © П.В. Неклюдов, С.В. Иванов, Б.Я. Мельцер, П.С. Копьев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 25 февраля 1997 г. Принята к печати 5 марта 1997 г.) Мы представляем термодинамическую модель процесса формирования методом молекулярно-пучковой эпитаксии гетерограниц типа InSb, GaAs и AlAs в гетероструктурах с квантовыми ямами (Al,Ga)Sb/InAs.

Максимальная критическая температура формирования планарной гетерограницы типа InSb на буферном слое (Al,Ga)Sb T 390C, полученная из сравнения давления молекул Sb4 во внешнем потоке с их равновесным давлением над напряженным монослоем на гетерогранице, хорошо согласуется с имеющимися экспериментальными данными. В противоположность этому, критическая температура образования гетерограницы типа AlAs (GaAs), соответствующая началу интенсивного переиспарения As, имеет величину много большую, чем обыкновенно используемые температуры роста (350–550C).

Введение Термодинамический анализ В рамках термодинамики формирование ГГ типа При разработке технологии выращивания методом Al(Sb–In)As, Sb(Al–As)In, Ga(Sb–In)As и Sb(Ga–As)In молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) эффективных можно представить как начальную стадию псевдоморфисточников излучения на основе (Al,Ga,In)(As,Sb)-гетеного роста — на подложке, сильно рассогласованной роструктур с квантовой ямой (КЯ) и короткопериодпо параметру решетки с эпитаксиальным слоем, — ными сверхрешетками (КСР) кроме обычных технолорассматривавшуюся ранее для процессов роста GaSb гических факторов, обеспечивающих получение высометодом МПЭ на подложке GaAs [5] и InSb — на кокачественных слоев с заданными свойствами, необGaAs [6]. По аналогии можно предположить, что ходимо принимать во внимание тип химической связи упругое напряжение, возникающее при формировании на гетерогранице (ГГ) (AlGa)Sb/InAs в КЯ и напряпереходного монослоя (МС) на ГГ, вызывает сильное женных КСР. Дело в том, что при переходе через увеличение парциального давления элемента V группы такую ГГ одновременно изменяются сорта атомов как в над этим МС. В результате такое равновесное давление, катионной, так и в анионной подрешетках, располагаясь являющееся возрастающей функцией от температуры, на ГГ двумя возможными способами: ”InSb-подобная” может превысить давление молекул V группы во внешГГ формируется, когда слой InAs заканчивается атонем потоке (10-5 10-6 Торр), обычно используемое мами In, в то время как слой Al(Ga)Sb начинается при МПЭ. Данный эффект может привести к обеднению с атомов Sb. В другом случае атомы As из слоя поверхности формируемого на ГГ монослоя по атомам InAs и атомы Al или Ga из слоя Al(Ga)Sb формируют V группы и, как следствие, к невозможности формиро”Al(Ga)As-подобную” ГГ, на которой образуются связи вания совершенной ГГ требуемого типа. В этом слуAl–As или Ga–As [1].

чае равновесие двух фаз газ– твердая фаза сменяется Как было показано ранее, ГГ каждого типа мона трехфазное равновесие газ– жидкая фаза – твердая жет быть намеренно сформирована при росте метофаза. Следовательно, в данном случае необходимо дом МПЭ путем выбора соответствующей последорассмотреть равновесные давления молекул элементов вательности работы индивидуальных заслонок молекуV группы (As2, Sb4) над соответствующим ликвидусом лярных пучков Al(Ga), Sb, In и As [1]. Наблюдаэлемента III группы для каждого бинарного соединения, лось также значительное влияние типа ГГ на элекспособного образовываться на ГГ в условиях сильного трические и оптические характеристики КЯ [2], с заупругого напряжения.

метным преимуществом ГГ типа InSb. Дальнейшие Реакция образования при МПЭ (испарения) соединедетальные исследования ГГ с помощью метода Рамания AIIIBV (в дальнейшем обозначаемом как AB, где новского рассеяния выявили значительные трудности A — In, Ga или Al и B — Sb или As) вместе с соотв получении ГГ типа AlAs при температурах роста ветствующим уравнением действующих масс выглядит Ts > 350C [3], а также явную зависимость инследующим образом:

тенсивности пика от гетерограницы типа InSb в рамановском спектре от температуры роста, что было Agas + (Bn)gas = ABsol, (1) интерпретировано как увеличение неровности сформи- n рованной ГГ типа InSb при повышении температуры -роста [4]. KAB (T ) =PA(PB)1/n, (2) Особенности формирования гетерограниц (Al,Ga)Sb/InAs при молекулярно-пучковой эпитаксии где Agas и (Bn)gas — молекулы в газовой фазе, ABsol — Таблица 1. Постоянная решетки a0 и коэффициенты упругости C11, C12, C44 для соединений AIIIBV соединение AB в твердой фазе; n — число атомов в молекуле V группы (n = 2 для As [7] и n =4 для Sb [5] a0, C11 C12 Cв интересующем нас диапазоне температур роста Ts), Соединение (T = 300 K) 1011 дин/смKAB(T ) — константа равновесия реакции (1), PAPB — равновесные парциальные давления над поверхностью GaAs 5.6533 12.10 5.42 6.AB. Минимальное давление молекул V группы во внешAlAs 5.6605 12.50 5.34 5.нем потоке PB, позволяющее выращивать слой AB без InAs 6.0584 8.32 4.50 3.образования на поверхности роста капель, обогащенных GaSb 6.0959 8.83 4.10 4.AlSb 6.1355 8.70 4.30 4.элементом III группы, при данной скорости роста, т. е.

InSb 6.4794 6.10 3.00 2.заданных величинах PA и Ts может быть записано как Примечание. Приведенные значения величин взаты из кни1 0 A-L A-L PB,min = mB/mA PA - PA + PB, (3) ги [9].

n A-L A-L где mA/mB — молярные массы; PA и PB —равноизменения Gstr. При справедливом допущении о неизвесные парциальные давления молекул III и V групп, соменности кристаллического порядка при псевдоморфном ответственно, над ликвидусом A–AB фазовой диаграммы росте монослоя на буферном слое энтропия реакции соединения AB в соответствии с выражением (2). Далее, S остается неизменной, т. е. Sstr = 0. Следовательравновесные парциальные давления атомов III группы но, используя соответствующие константы из табл. над ликвидусом A–AB могут быть записаны в виде и температурные зависимости из табл. 2, равновесные парциальные давления молекул V группы над ликвадуA-L L PA = PA[AL]A, [AL] +[BL] =1, (4) сом A–AB для случая псевдоморфного формирования L монослоя на ГГ могут быть записаны в виде где PA, A и [AL] — равновесное давление атомов a) ГГ типа InSb на буфере AlSb (Hstr = 6.34 · 10-2 эВ):

III группы над чистым расплавом, коэффициент активно сти элемента в жидкой фазе и концентрация компонента In-L PSb4 str = 3.09 · 1015 exp(-3.39/kT ) A в жидкой фазе (в мол%) соответственно; [BL] — концентрация B в жидкой фазе. Коэффициент активности -- In 1 - [SbL], (8) представляет собой величину б) ГГ типа InSb на буфере GaSb (Hstr = 7.84·10-2 эВ):

A = exp (T )[BL]2/kT, (5) In-L PSb4 str = 3.09 · 1015 exp(-3.33/kT ) где (T) — параметр взаимодействия в жидкой фазе, k — константа Больцмана. Результирующее выражение -- In 1 - [SbL], (9) A-L для равновесного парциального давления PB в случае роста соединений, согласованных по параметру решетки, в) ГГ типа GaAs на буфере GaSb (Hstr = 2.07·10-1 эВ):

может быть получено из (2) и (4):

Ga-L PAs2 str = 8.98 · 1011 exp(-3.54/kT ), (10) 1/n -1 A-L A-L PB = KAB PA. (6) г) ГГ типа AlAs на буфере AlSb (Hstr = 2.11 · 10-1 эВ):

Для псевдоморфного гетероэпитаксиального роста мо Al-L PAs2 str = 3.97 · 108 exp(-4.02/kT ) нослоя на ГГ необходимо принимать во внимание дополнительную свободную энергию Гиббса Gstr, об -- Al 1 - [AsL]. (11) условленную упругим напряжением, с соответствующим изменением энтальпии [8] Здесь энергии активации приведены в эВ, давление — в атм.

Hstr = 2G (1 + )/(1 - ) Vm (a - a0)/a0 2, (7) где = C12/(C11 + C12) — отношение Пуассона;

Результаты и их обсуждение Vm — молярный объем буферного слоя (в м3/моль);

G = (1/2)C44 (для поверхности (100)), C11, C12, C44, На рисунке представлены рассчитанные выше темпеи a — коэффициенты упругости и постоянная решетки ратурные зависимости равновесных парциальных давлененапряженного бинарного соединения, формируемого ний As и Sb над соответствующими напряженными соA-L на ГГ соответственно. Поскольку PA, являясь давле- единениями монослоев ГГ, а также равновесное давление In-L нием над ликвидусом A–AB, не изменяется при наличии сурьмы PSb4 (кривая 1), рассчитанное в соответствии напряжения, эта величина оказывается единственным с выражением (6) для случая гомоэпитаксиального роизменяемым параметром в выражении (2) вследствие ста InSb/InSb, приведенное для сравнения. Пунктирные Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1244 П.В. Неклюдов, С.В. Иванов, Б.Я. Мельцер, П.С. Копьев -1 L Таблица 2. Константа равновесия реакции KAB, давление III группы над чистым расплавом PA, коэффициент активности и концентрация [BL] в жидкой фазе для соединений AIIIBV Параметр InSb GaAs AlAs -KAB 7.68 · 1011 exp(-3.31/kT ) 2.73 · 1011 exp(-4.72/kT) 1.63 · 1011 exp(-5.39/kT) L PA, атм. 1.03 · 105 exp(-2.4/kT) [6] 2.73 · 1011 exp(-4.72/kT ) [10] 8.18 · 105 exp(-3.17/kT ) [9] [BL], мол% 47 exp(-0.33/kT ) [11] 0 [11] 26.6exp(-1.08/kT ) [12] (T ), эВ[11] 0.147 - 5.2 · 10-4T 0.223 - 3.93 · 10-4T -0.276 - 2.38 · 10-4T Примечание. Энергии активации приведены в эВ. Цифры в квадратных скобках — ссылки на работы, из которых взяты приведенные значения параметров.

линии представляют минимальные давления во внешних ская толщина составляет менее 1-го монослоя [16], а не потоках молекул сурьмы и мышьяка (см. (3)), необхо- обедением поверхности As под действием напряжений.

димые для обеспечения обогащения поверхности роста Таким образом, из представленной термодинамичеэлементом V группы при росте псевдоморфных слоев ской модели формирования гетерограницы (ГГ) с кванInSb и GaAs на поверхности буферных слоев AlSb и товой ямой (Al,Ga)Sb/InAs следует, что значительное GaSb при различных скоростях роста. Как видно из риувеличение равновесного парциального давления элесунка, формирование ГГ типа InSb на AlSb или на GaSb мента V группы над формируемым монослоем (МС) под приводит к значительному (более 2 порядков) увеличедействием напряжений может помешать образованию ние парциального давления Sb над ликвидусом In–InSb желаемого типа ГГ при температурах роста, когда данное вплоть до давлений, обычно используемых при росте давление превосходит давление во внешнем потоке. Это (AlGa)Sb, при критических температурах TC 390C может проявляться в заметном увеличении шероховатои TC 380C для буферных слоев AlSb и GaSb соответсти ГГ из-за обеднения МС по атомам V группы. Максиственно. Дальнейшее превышение температуры роста Ts над TC способно привести к интенсивному переиспарению Sb с поверхности, что препятствует образованию планарного однородного монослоя InSb на ГГ. Результаты данного темродинамического анализа находятся в хорошем согласии с экспериментальными результатами Сета и др. [13], которые показали, что намеренное внедрение монослоя InSb на гетерограница InAb/AlSb при Ts > 400C приводит к сбою осцилляций дифракции отраженных электронов высоких энергий. Села и др. [4] наблюдали с увеличением Ts систематическое возрастание интенсивности моды In–Sb в спектре рамановского рассеяния структур InAs/AlSb, выращенных при разных температурах. Данное поведение объяснялось увеличением числа связей In–Sb на ГГ, т. е. увеличением шероховатости ГГ. Наклон температурной зависимости интенсивности резко увеличивался при Ts = 440450C, что можно отнести к началу сильного переиспарения Sb с поверхности монослоя.

В противоположность случаю формирования ГГ типа InSb максимальные температуры образования монослоев GaAs или AlAs на ГГ с квантовой ямой (Al,Ga)Sb/InAs, как видно из рисунка, имеют величину много боль- Расчетные температурные зависимости равновесных парциальных давлений: 1–3 — молекул Sb4; 1 — над ликвидусом шую, чем температуры используемые при МПЭ этих In–InSb в отсутствие рассогласования решеток; 2, 3 — при гетероструктур (350 550C), несмотря на большее рассогласовании для случая формирования гетерограницы типа рассогласование по параметру решетки с буферными InSb на буферных слоях AlSb [2 — см. выражение (8)] и GaSb слоями GaSb или AlSb. Данный результат позволяет [3 —(9)]; 4, 5 — молекул As2 при рассогласовании решеток предположить, что ранее наблюдавшиеся трудности с над ликвидусами Ga–GaAs [4 — (10)] и Al–AlAs [5 — (11)].

получением ГГ типа AlAs и GaAs [3,14,15], вероятнее Пунктирными линиями показаны минимальные давления во всего, обусловливаются температурными зависимостями внешнем потоке [см. выражение (5)] молекул Sb4 (a, b) и реакций обмена As–Sb на ГГ или нарушением структуры As2 (c, d) при различных скоростях роста, мкм/ч: a, c —1;

монослоя AlAs, формируемого на AlSb, когда критиче- b, d —0.6.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Особенности формирования гетерограниц (Al,Ga)Sb/InAs при молекулярно-пучковой эпитаксии мальные температуры, соответствующие формированию [13] M. Seta, H. Asahi, S.G. Kim, K. Asami, Shun-ichi-Gonda. J.

Appl. Phys., 74, 5033 (1993).

планарной и однородной ГГ типа InSb, имеют величины [14] J. Spitzer, H.D. Fuchs, P. Etchegoin, M. Ilg, M. Cardona. Appl.

TC 390C и TC 380C для буферных слоев AlSb Phys. Lett., 62, 2274 (1993).

и GaSb соответственно. Данные значения критических [15] B.R. Bennett, B.V. Shanabrook, R.J. Wagner, J.L. Davis, температур находятся в хорошем согласии с эксперименJ.R. Waterman. Appl. Phys. Lett., 63, 949 (1993).

тальными данными. В рамках термодинамической моде[16] M.Yano, M. Okuizumi, Y. Iwai, M. Inoue. J. Appl. Phys., 74, ли планарные ГГ типа AlAs и GaAs могут формироваться 7472 (1993).

во всем температурном диапазоне 300 550C.

[17] P.D. Wang, N.N. Ledentsov, C.M. Sotomayor-Torres, S.V. Ivanov, B.Ya. Meltser, P.S. Kop’ev. Sol. St. Commun., 9, На основе проведенного анализа была разработа361 (1994).

на технология формирования интерфейсов InSb на ГГ (Al,Ga)Sb/InAs, полностью свободных от связей типа Редактор Т.А. Полянская Ga–As. В качестве тестовых образцов использовались квантово-размерные структуры AlSb/InAs/AlSb с двумерPeculiarities of (Al,Ga)Sb/InAs interface ным электронным каналом, подвижность носителей в formation by molecular beam epitaxy котором кардинально зависит от типа интерфейса [17].

P.V. Necliudov, S.V. Ivanov, B.Ya. Meltser, P.S. Kop’ev Достигнутые значения подвижности электронов (свыше 200 000 см2/(В · с) при T = 4.2K), а также наличие в A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, рамановских спектрах только пиков, соответствующих 194021 St. Petersburg, Russia моде InSb, убедительно свидетельствуют о формировании именно гетерограницы типа InSb.

Abstract

We present a thermodynamic view on the formation proccess by means of molecular beam epitaxy of InSb-, GaAsДанная работа осуществлялась при поддержке Междуand AlAs-like interfaces (IFs) in (Al,Ga)Sb/InAs QW structures.

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.