WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 11 Самопроизвольное формирование периодической наноструктуры с модуляцией состава в пленках CdxHg1-xTe ¶ ¶¶ © П.А. Бахтин, В.С. Варавин, С.А. Дворецкий, А.Ф. Кравченко, А.В. Латышев, Н.Н. Михайлов, И.В. Сабинина, Ю.Г. Сидоров, М.В. Якушев Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 27 января 2003 г. Принята к печати 7 марта 2003 г.) В пленках CdxHg1-xTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках GaAs при повышенных температурах, установлены аномалии электрофизических свойств. Аномалии проявляются в анизотропии проводимости, изменении спектров пропускания и фотопроводимости при низкотемпературном отжиге, а также в наличии периодического волнообразного микрорельефа поверхности. Исследована температурная зависимость проводимости вдоль и поперек волн микрорельефа. Предполагается, что пленка Cdx Hg1-x Te с аномальными электрофизическими свойствами представляет собой самопроизвольно сформированную периодическую структуру в виде вертикальных наностенок разного состава. Рассматриваются возможные механизмы формирования такой структуры.

1. Введение с тем, что в некоторых интервалах температур и составов однородные твердые растворы полупроводников Полупроводниковые твердые растворы на основе оказываются неустойчивыми и распадаются на периодиCdxHg1-x Te (КРТ) являются основным материалом для ческие структуры с чередующимся составом. На ранней изготовления инфракрасных фотоприемников, чувстви- стадии экспериментальные работы, касающиеся этой тельных в диапазоне длин волн 1–20 мкм.

темы, носили случайный характер, поскольку основной На электрофизические свойства материала КРТ, поми- целью было получение стабильного однородного твермо электрически активных точечных дефектов, сильное дого раствора. Последние исследования неустойчивости влияние оказывают микронеоднородности состава и про- твердых растворов позволяют предположить, что это водимости, приводящие к аномальным температурным и явление можно использовать для получения наногетерополевым зависимостям [1]. В свою очередь однородность структур [2]. Для описания неустойчивости многокомпои дефектность материала в значительной степени опре- нентных твердых растворов часто используют развитую деляются методом получения. для металлических сплавов теорию спинодального расДля выращивания пленок КРТ большой площади наи- пада [2–4]. Так, в работе [2] при исследовании пленок более подходящим является метод молекулярно-лучевой твердого раствора на основе InGaAsP, полученных в эпитаксии (МЛЭ), который позволяет использовать аль- области неустойчивости на подложках InP и GaAs, был тернативные подложки, такие как GaAs и Si. В методе обнаружен характерный спектр фотолюминесценции, соМЛЭ выращивание осуществляется при наиболее низ- стоящий из двух пиков. Наличие двух пиков в спектрах ких по сравнению с другими методами температурах фотолюминесценции таких образцов позволило пред(180–200C) и формирование структурных дефектов и положить, что эпитаксиальный слой не однороден и микрорельефа растущей поверхности сложным образом состоит из двух твердых растворов различного состава.

зависит от условий выращивания, таких как температура Исследование таких структур с помощью просвечиваи скорость роста, давление паров ртути, ориентация ющей электронной микроскопии показало модуляцию и материал подложки. Появление микрорельефа на интенсивности перпендикулярно плоскости роста. Автоначальных стадиях роста может приводить к форми- ры предполагают, что данные факты свидетельствуют о рованию неоднородностей состава и проводимости в возможности спинодального распада и, как следствие, объеме, которые будут оказывать существенное влияние формирования модуляции состава.

на параметры выращиваемых структур.

В работе [5] при выращивании пленок Inx Al1-xAs Причинами, вызывающими появление микронеодно- методом газофазной эпитаксии из металлорганических родностей состава и проводимости, могут быть неста- соединений при температурах 565–590C наблюдалось бильность твердого раствора и упругие напряжения. Из самопроизвольное формирование структуры, которую литературы известно, что в очень многих эпитаксиаль- авторы назвали вертикальной сверхрешеткой. Процесс ных структурах полупроводниковых твердых растворов формирования структуры также объясняется разделенинаблюдаются волнообразная поверхность и модуляция ем фаз твердого раствора. Исследования таких структур состава в объеме пленки [2–7]. Эти явления связывают с помощью просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции на просвет подтверждают ¶ E-mail: varavin@isp.nsc.ru ¶¶ существование периодических вертикальных областей E-mail: krav@thermo.isp.nsc.ru Fax: 8(3832) 304967 различного состава.

1370 П.А. Бахтин, В.С. Варавин, С.А. Дворецкий, А.Ф. Кравченко, А.В. Латышев, Н.Н. Михайлов...

Спонтанную модуляцию состава в слоях AlGaN, выращенных на подложках из сапфира, обнаружили в работе [6]. Однако в этом случае модуляция состава была в направлении роста пленки.

Влияние упругих напряжений на рост эпитаксиальных пленок рассматривалось в работах [7–9]. На пленках InGaAs наблюдали волнообразный рельеф поверхности.

Предполагается, что формирование поверхности определяется соотношением между поверхностной энергией, которая является стабилизирующей при образовании рельефа с малым периодом, и энергией упругой деформации, которая дестабилизирует поверхность с большим периодом рельефа. Авторы работы [7] показали, что возможность появления модуляции состава и морфологическая устойчивость эпитаксиальной пленки зависят от знака параметра несоответствия кристаллических решеток (т. е. от того, растет ли пленка в условиях сжатия или растяжения). Модуляция состава в объеме пленки может обусловливать анизотропию транспортных и оптических свойств гетероструктур.

Нами при исследовании пленок КРТ, выращенных методом МЛЭ при повышенных (для данного метода) температурах (210C), были обнаружены аномалии электрофизических свойств, выражающиеся одновременно в анизотропии проводимости, в пологом характере спектра пропускания и в изменении спектров пропускания и фотопроводимости после отжига. Кроме того, на таких пленках всегда наблюдался периодический микрорельеф поверхности. Цель данной работы состоит в исследовании транспортных и оптических процессов Рис. 1. Изображение поверхности пленки без периодического в пленках КРТ, выращенных методом МЛЭ и имеющих микрорельефа, полученное с помощью АСМ, (a) и характерпериодический микрорельеф поверхности.

ный профиль рельефа (b).

2. Результаты и обсуждение 0.1–0.2 мкм, а угол наклона склонов волн достигает Исследовались пленки КРТ, выращенные методом 5–7. Направление волн относительно базового среза МЛЭ [10] на подложках GaAs (013) диаметром 50.8 мм.

подложки одинаково по всей площади пленки и для Подложки имели базовый срез по ориентации (011).

разных пленок составляет угол 30–45.

На подложках выращивались буферные слои CdTe В пленках КРТ, выращенных при повышенных темтолщиной 5–7 мкм, а затем пленки КРТ состава с пературах и при этом имеющих периодический миx = 0.21-0.24 и толщиной 8–12 мкм, которые имели крорельеф поверхности, была обнаружена анизотропия проводимость электронного типа. На пленках, выращенпроводимости в плоскости пленки (с коэффициентом ных при повышенных температурах ( 210C), были анизотропии порядка 10 при температуре 77 K). Наобнаружены аномально низкие значения подвижности ми были проведены измерения угловых зависимостей носителей заряда ( 1000 см2/B · c), анизотропия пропроводимости и установлено, что проводимость миниводимости и особенности в спектральной зависимости мальна в направлении поперек волн периодического пропускания.

микрорельефа [11]. Анизотропия наблюдается в любом Изучение поверхности пленок с помощью атомноместе пластины, и ее причиной не является градиент силовой микроскопии (АСМ) показало следующие репроводимости по площади пластины. В пленках КРТ, не зультаты. Микрорельеф поверхности пленок, выращенимеющих периодического микрорельефа поверхности, ных при температурах 180–200C, представлен на рис. 1.

анизотропия проводимости не наблюдается. Поскольку Видно, что неровности пологие и нерегулярные. При толщина пленок ( 10 мкм) существенно больше высоповышении температуры выращивания (до 210C) на ты периодического микрорельефа ( 4нм), то только поверхности помимо пологих неровностей образуется система упорядоченных волн, как показано на рис. 2. его наличие не может быть причиной сильной анизоХарактерный период этого микрорельефа составляет тропии проводимости.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Самопроизвольное формирование периодической наноструктуры с модуляцией состава... мальными свойствами имеют структуру в виде периодической системы наностенок разного состава, расположенных вдоль направления роста, как показано на рис. 3.

Как следует из литературы, причинами образования волнообразного рельефа и модуляции состава в эпитаксиальных пленках полупроводниковых твердых растворов могут быть спинодальный распад и упругие напряжения. Однако для материала КРТ параметр постоянной решетки незначительно изменяется с составом.

Максимальное рассогласование между CdTe и HgTe составляет 0.3%, поэтому упругие напряжения между областями разного состава будут невелики. Кроме того, критическая температура спинодального распада составляет всего 80 K [12]. Таким образом, можно предположить, что в наших образцах наблюдаемая морфология поверхности и модуляция состава вызваны не спинодальным распадом или упругими напряжениями, а другими причинами, в числе которых может быть наличие волнообразного рельефа на буферном слое.

Можно предположить следующий механизм формирования стенок. Поскольку состав твердого раствора КРТ может зависеть от ориентации поверхности, на которой происходит рост, то на противоположных склонах волн микрорельефа будут расти стенки разного состава и, возможно, с разной концентрацией носителей заряда.

При наличии наностенок разного состава изменение спектральной зависимости после отжига может быть вызвано диффузионным выравниванием состава. Нами был сделан расчет толщины стенок, при которой возможно Рис. 2. Изображение поверхности пленки с периодическим микрорельефом, полученное с помощью АСМ, (a) и характер- диффузионное выравнивание состава при использованный профиль рельефа в направлении поперек волн рельефа (b).

ных режимах отжига [11]. Полученное значение составляет 0.1 мкм, что сравнимо с периодом микрорельефа.

Нужно отметить, что после отжига при T = 240C пленки становятся p-типа проводимости, при этом аниЕще одной особенностью пленок, имеющих анизотрозотропии проводимости не наблюдается.

пию проводимости, является более слабая спектральная зависимость коэффициента пропускания света в области края собственного поглощения по сравнению с таковой для пленок без анизотропии проводимости, при одинаковой толщине и близких составах [11]. Отжиг таких пленок при температуре T = 220-240C и времени отжига несколько десятков часов приводит к сдвигу края собственного поглощения в коротковолновую сторону и к увеличению крутизны спектральной зависимости.

Такое поведение спектра пропускания может быть обусловлено присутствием в пленке микрообластей другого состава, занимающих значительную долю объема.

Спектральная зависимость пропускания в этом случае будет такой же, как у эквивалентной структуры в виде двух слоев разного состава, и крутизна спектральной зависимости будет меньше, чем для однородной пленки такой же толщины.

Рис. 3. Схематическое изображение поперечного разреза Совокупность полученных экспериментальных резульструктуры и распределение состава в направлении поперек татов позволяет предположить, что пленки КРТ с ано- волн микрорельефа.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1372 П.А. Бахтин, В.С. Варавин, С.А. Дворецкий, А.Ф. Кравченко, А.В. Латышев, Н.Н. Михайлов...

Наличие микронеоднородностей состава и выравнивание состава после отжига подтверждается также изменением спектра фотопроводимости. На рис. 4 показаны спектры фотопроводимости образца 525 до и после отжига. Видно, что длинноволновая граница фотопроводимости после отжига сдвигается в коротковолновую область примерно на 8 мкм. Сдвиг на такую большую величину может быть связан только с изменением состава. Оценки показали, что для такого сдвига составы в соседних стенках должны иметь x = 0.195 и x = 0.после роста и одинаковый состав с x = 0.233 после отжига.

Рассмотрим возможность появления анизотропии проводимости по причине разной удельной проводимости в стенках. Оценки показывают: для того чтобы отношение проводимости вдоль и поперек стенок было 10 (что наблюдается экспериментально), необходимо иметь отРис. 5. Температурные зависимости проводимости: 1, 2 — ношение проводимостей в стенках разного состава 40.

расчет для однородного материала с концентрацией доноров При этом концентрация электронов в соседних стенках Nd = 1014 и 1015 см-3 соответственно; 3, 4 — эксперимент должна различаться более чем на порядок, поскольку для направлений вдоль и поперек волн микрорельефа соотподвижности электронов для составов с x = 0.2-0.ветственно.

различаются не более чем в 3 раза. Такое различие концентраций в стенках представляется маловероятным, так как в однородных пленках разного состава, выращенпри концентрации электронов 1014 см-3. Температурная ных при одинаковых условиях, концентрации носителей зависимость проводимости поперек волн микрорельефа различаются слабо.

Для определения природы анизотропии были проведе- имеет более крутой наклон, а значение проводимости ны измерения температурных зависимостей проводимо- меньше в несколько раз. В целом же поведение зависимости поперек волн микрорельефа повторяет характер сти и коэффициента Холла (в диапазоне от 77 до 300 K) зависимости вдоль полос микрорельефа.

на холловских образцах, изготовленных с помощью фотолитографии в направлениях максимальной и мини- Температурные зависимости коэффициента Холла на мальной проводимости. На рис. 5 показаны зависимости образцах вдоль и поперек волн микрорельефа подобны, проводимости от температуры. Сплошными линиями а величина коэффициента Холла различается незначипоказаны расчетные зависимости для однородного ма- тельно в диапазоне температур от 77 до 300 K.

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.