WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Влияние параметров процесса МОГФЭ на свойства эпитаксиальных пленок GaInAsN © В.М. Данильцев¶, Д.М. Гапонова, М.Н. Дроздов, Ю.Н. Дроздов, А.В. Мурель, Д.А. Пряхин, О.И. Хрыкин, В.И. Шашкин Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 16 июня 2004 г.) Эпитаксиальные слои GaInNAs были выращены методом металлорганической газофазной эпитаксии. Структура четверных сплавов изучалась методами рентгеновской дифракции и вторичной ионной масс-спектрометрии. Оптические свойства слоев изучались методами фотолюминесценции и фототоковых измерений. Были выращены слои GaInNAs, совпадающие по параметру решетки с GaAs. При расхождении параметров решетки менее чем 10-4 слои имели хорошую фотолюминесценцию, в то время как при большем несоответствии фотолюминесценция затухлала.

1. Введение 2. Техника эксперимента Эпитаксиальные слои InGaAsN выращивали в устаПолупроводниковые соединения AIIIBV с малым соновке МОГФЭ „EPIQUIP“ с горизонтальным кварцедержанием азота вызывают интерес как перспективный вым реактором и индукционным нагревом подложки материал для приборов ближнего ИК диапазона. Изпри пониженном давлении в зоне роста (75 Торр).

вестно, что введение малого количества азота сильно Температура наращивания варьировалась в диапазоне уменьшает ширину запрещенной зоны ряда соедине500-650C. Источниками In, Ga, As и N служили ний AIIINAs [1]. Теоретически предсказана возможность триметилиндий (ТМИ), триметилгаллий (ТМГ), арсин создания излучающих и приемных устройств на оснои 1,1-диметилгидразин (ДМГ) соответственно. В качеве эпитаксиальных слоев InGaAsN, согласованных по стве газа-носителя использовали водород. Наращивание периоду решетки с GaAs, для волоконно-оптических InxGa1-x Ny As1-y толщиной до 1000 нм осуществляли со линий связи в области наименьшей дисперсии и лучскоростями роста 10-60 нм/мин.

шей прозрачности (1.3-1.55 мкм) оптических волоДля анализа слоев использовали методы: рентгеновкон [2].

ской дифракции (РД), масс-спектрометрии вторичных Однако на пути создания таких слоев стоит целый ионов при послойном стравливании (ВИМС), фотолюряд проблем. Большая разница ковалентных радиусов минесценции (ФЛ), оптического пропускания (ОП) и атомов N и As приводит к распаду твердых растворов атомно-силовой микроскопии (АСМ). Для оценки состапри содержании азота более 4%. Существует влияние ва четверного соединения была использована разрабоконцентрации соeдинений азота и индия в газофазном танная ранее методика определения содержания азота реакторе на вхождение азота в эпитаксиальные слои.

и индия [3], которая основана на данных независимых Замещение азотом более чем 2% атомов мышьяка измерений РД и ВИМС с предварительной калибровкой ведет к существенному снижению качества полупропо трехкомпонентным образцам.

водникового соединения. Проблемой является и определение малых количеств азота в четверном твердом 3. Исследование процессов роста растворе, поскольку рентгеновская дифракция дает лишь суммарную деформацию решетки, а вторично-ионная InxGa1-xNyAs1-y масс-спектроскопия имеет низкую чувствительность к азоту в силу его электроотрицательности при распыле- Отработку процесса МОГФЭ четверного соединения проводили, основываясь на опыте выращивания эпинии поверхности кислородом. Очевидно также, что дотаксиальных слоев тройного соединения GaNx As1-x биться точного согласования периодов слоя с подложкой с использованием ДМГ в качестве источника азота.

невозможно из-за погрешностей задания концентрации Перечислим некоторые закономерности этого процесса:

компонентов и разницы в термических коэффициентах — вхождение азота в растущий слой возрастает с уверасширения.

личением концентрации ДМГ в потоке газовой смеси;

Цель данной работы состояла в создании эпитаксиальных слоев четверного соединения Inx Ga1-xNy As1-y — при уменьшении температуры роста с до 550C, при прочих равных условиях процесса эпина подложках GaAs, в том числе и согласованных по петаксии, вхождение азота увеличивается в 2 раза. Такое риоду решетки, в исследовании особенностей процесса поведение, вероятно, вызвано тем, что при понижении роста и исследовании свойств слоев.

температуры эпитаксии уменьшается десорбция N с рас¶ E-mail: danil@ipm.sci-nnov.ru тущей поверхности, а также увеличивается количество 14 В.М. Данильцев, Д.М. Гапонова, М.Н. Дроздов, Ю.Н. Дроздов, А.В. Мурель, Д.А. Пряхин, О.И. Хрыкин...

Данные о слоях в серии ростовых экспериментов с постояннысвободных мест элемента V-й группы (As), что вызвано ми потоками экспоненциальным уменьшением скорости распада арсина при снижении температуры;

Образец Соединение Состав — с увеличением концентрации ТМГ в потоке газовой E821 GaAsN 3.8% N смеси (с целью увеличения скорости роста), при прочих E822 InGaAsN 3.4% N, 17% In равных условиях, происходит увеличение содержания E823 InAsN 3.4% N азота в слоях GaNx As1-x, что отмечалось и другими E824 InGaAs 17% In авторами [4];

— в области высоких скоростей эпитаксиального наращивания (60 нм/мин) и низких температур (500C) индия имеет место взаимное влияние потоков ДМГ и можно получать слои GaNx As1-x с содержанием азота x 6% и Eg 0.9 эВ. Однако структурное качество та- ТМИ на вхождение In и N в эпитаксиальный слой, что также отмечалось и другими авторами [5]. Обнаких образцов очень низкое. Кроме того, при увеличении ружено, что при росте InGaAsN при тех же условиях содержания азота в слоях GaAsN более 4% уменьшение эксперимента, как при выращивании GaAsN, добавление ширины запрещенной зоны практически не происходит.

индия снижает концентрацию азота в эпитаксиальной Также следует отметить, что при относительно невыпленке в несколько раз. В режиме насыщения влияние соких скоростях роста (не более 40 нм/мин) и теминдия на вхождение азота в пленку гораздо ниже (см.

пературах выращивания 530-570C твердые растворы таблицу и рис. 1, Tg = 550C). В таблице приведены гомогенны по составу и не имеют включений другой результаты 4 ростовых экспериментов, где температура фазы. В этом случае при увеличении содержания ДМГ и потоки компонентов оставались постоянными. За счет в газовой смеси для определенных условий роста (темполного отключения отдельных компонент потока в опыпературы, давления) имеет место саморегуляция (режим тах E821, E823 и E824 создавались различные тройные насыщения) по вхождению азота в эпитаксиальный слой, соединения. Как следует из таблицы, при прочих равных и увеличение концентрации ДМГ свыше определенного условиях эпитаксии вхождение азота в InGaAsN соотзначения не приводит к изменению состава выращиваеветствует его вхождению в InAsN и лишь незначительно мой пленки.

ниже, чем в GaAsN.

В ходе выращивания слоев Inx Ga1-x NyAs1-y обнаружено, что основные закономерности вхождения азота здесь те же самые, что и для GaNx As1-x. На рис. 4. Выращивание слоев приведены экспериментально полученные зависимости InxGa1-xNyAs1-y, согласованных содержания азота, y, от температуры роста Tg для двух с GaAs по периоду решетки различных концентраций индия, x.

Следует отметить тот факт, что при малых концентраИсходя из найденных закономерностей роста эксперициях ДМГ в газовой фазе, когда y < 1.5%, при введении менты проводили в интервале температур 550-600C и скоростях роста 30 нм/мин. Интервал температур роста выбран из тех соображений, что при T > 600C вхождение азота в GaAs существенно уменьшается, а при T < 550C качество слоев GaAs несколько ухудшается, так как увеличивается загрязнение растущего слоя углеродом ввиду снижения скорости десорбции углеводородов с поверхности (100) GaAs при разложении ТМГ при никих температурах. Кроме того, при данных условиях эпитаксиального наращивания не происходит расслоение четверных твердых растворов на несколько слоев разного состава.

Как отмечалось во введении, создание слоя твердого раствора, точно согласованного по периоду решетки с GaAs, невозможно, поскольку состав твердого раствора задается с конечной погрешностью. Кроме того, различие в температурных коэффициентах расширения делает возможным согласование либо в области температур роста, и тогда подавляется дефектообразование, либо в области комнатных температур, тогда подавляются упругие деформации в системе. С точки зрения практичеРис. 1. Вхождение азота в слой InxGa1-x NyAs1-y в зависиских потребностей точность согласования должна быть мости от температуры роста Tg для различных концентраций индия x, %: 1 — 25, 2 — 15. такой, чтобы при данной толщине пленки не возникали Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Влияние параметров процесса МОГФЭ на свойства эпитаксиальных пленок GaInAsN дислокации несоответствия. Чем больше необходимая толщина слоя, тем жестче требования по точности. Для получения набора слоев в области точного согласования и в ее окрестности мы использовали метод градиента состава. В реакторе вдоль потока реагентов располагали длинную пластину GaAs без вращения подложкодержателя. За счет различной скорости обеднения газовой смеси различными компонентами вдоль пластины создавали градиент состава. Подбором условий удалось получить на одной пластине область с избытком индия с одной стороны, область с избытком азота с другой и точно согласованную область между ними. На рис. показаны дифракционные спектры этих трех областей структуры E831. Видно, что в области 3 пик слоя совпал Рис. 4. Фототок образца InGaAsN, выращенного с отклос пиком подложки GaAs (004). Несоответствие периодов нением по периоду решетки от подложки GaAs в сторону порядка 10-4. На рис. 3 показан спектр ФЛ для этой обогащения индием.

области при 300 K. Длина волны пика ФЛ около 1000 нм.

В областях, где отсутствует согласование с подложкой, люминесценция практически не наблюдалась. На образцах InGaAsN, не согласованных по периоду решетки с GaAs, получались значения ширины запрещенной зоны менее 0.9 эВ, которые определялись из фототоковых измерений (см. рис. 4).

5. Заключение Исследованы особенности процессов роста эпитаксиальных слоев четверного соединения InxGa1-x Ny As1-y на подложках GaAs в реакторе МОГФЭ пониженного Рис. 2. Рентгенодифракционные спектры трех областей струк- давления.

туры E831: 1 — область с избытком In, 2 — область с Получены слои, согласованные по периоду решетизбытком азота, 3 — согласованная с GaAs область.

ки с GaAs. Показано, что слои, согласованные на уровне 10-4, проявляют хорошую фотолюминесценцию, в то время как отклонение от условий согласования приводит к гашению линии фотолюминесценции.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 03-02-17404, 04-02-17046 и ФТНС.

Список литературы [1] J.W. Ager III, W. Walukiewicz. Semicond. Sci. Technol., 17, (2002).

[2] III–Vs Review, 13 (6), 25 (2000).

[3] А.В. Мурель, В.М. Данильцев, М.Н. Дроздов, Ю.Н. Дроздов, Д.М. Гапонова, О.И. Хрыкин, В.И. Шашкин. Изв. РАН Сер. физ., 68, 87 (2004).

[4] Kurtz Sarah, R. Ready, G.D. Barber, J.F. Geisz, D.J. Fridman, W.E. McMahon, J.M. Olson. J. Cryst. Growth, 234, 318 (2002).

Рис. 3. Спектр фотолюминесценции (300 K) от образца E[5] D.G. Friedman, J.F. Geisz, S.R. Kurtz, J.M. Olson, R. Reedy.

для трех областей структуры: 1 — область с избытком In, J. Cryst. Growth, 195, 438 (1998).

2 — область с избытком азота, 3 — согласованная с GaAs Редактор Т.А. Полянская область.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 16 В.М. Данильцев, Д.М. Гапонова, М.Н. Дроздов, Ю.Н. Дроздов, А.В. Мурель, Д.А. Пряхин, О.И. Хрыкин...

Properties of GaInAsN epilayers affected by the MOVPE parameters V.M. Daniltsev, D.M. Gaponova, M.N. Drozdov, Yu.N. Drozdov, A.V. Murel, D.A. Pryakhin, O.I. Khrykin, V.I. Shashkin Institute for Physics of Microstructures Russian Academy of Sciences, 603950 Nizhny Novgorod, Russia

Abstract

The GaInNAs epilayers were grown by a metalloorganic vapor-phase epitaxy. The structure of quaternary alloys was investigated by X-ray diffraction and secondary ion massspectrometry. The characteristics of optical transitions were estimated from photoluminescense and photocurrent measurements.

The lattice matched to GaAs layers were obtained. The layers mismatched less than 10-4 exhibited good photoluminescense, while a higher mismatch resulted in quenching of the photoluminescense line.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.




© 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.