WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 10 03;04;06;12 Молекулярно-пучковая эпитаксия GaAsN на GaAs с использованием плазменного источника, возбуждаемого постоянным током 2 © А.Е. Жуков,1 Е.С. Семенова,1 В.М. Устинов,1 E.R. Weber 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Department of Materials Science and Mineral Engineering University of California Berkeley, California 94720-1760, USA (Поступило в Редакцию 30 октября 2000 г.) Серия слоев GaAsN была выращена методом молекулярно-пучковой эпитаксии с использованием нового типа плазменного источника азoта с активацией постоянным током. Эффективность встраивания азота, кристаллическое совершенство, морфология поверхности и люминесцентные свойства эпитаксиальных слоев исследованы во взаимосвязи с различными режимами работы источника.

Полупроводниковые материалы (In)GaAsN, выращен- Настоящая работа представляет собой систематиченые эпитаксиальным методом на подложке GaAs, явля- ское исследование МПЭ роста слоев GaAsN на подложются пeрспективными для использования в качестве ках GaAs с использованием нового типа плазменного активной области длинноволновых инжекционных лазе- азотного источника постоянного тока: DC constricted plasma source (CPS) [7]. Представлены данные по эффекров [1,2]. Недавно были синтезированы как торцевые [3], тивности внедрения азота, кристаллическому совершентак и поверхностно-излучающие [4] лазеры с активной ству, морфологии поверхности и оптическим свойствам областью на основе квантовых ям InGaAsN, излучающие выращенных слоев во взаимосвязи с режимами работы на длине волны 1.3 µm. Более того, была продемонстриплазменного источника.

рована фотолюминесценция на длине волны 1.52 µmиз Исследуемые структуры были выращены в установке структур с квантовыми точками InGaAsN, сформированмолекулярно-пучковой эпитаксии Intevac Gen II MBE, ными в матрице GaAs [5].

оснащенной твердотельными испарительными источниСложность использования азота при эпитаксиальном ками Ga, In и As, ионным и криосорбционным насовыращивании полупроводниковых соединений связана с сами, а также стандартной системой дифракции быстбольшой энергией связи молекул N2, не позволяющей рых электронов. На полуизолирующей подложке АХТ активировать молекулярный азот при типичных темGaAs, ориентированной в плоскости (100), при темпепературах осаждения мышьяксодержащих соединений.

ратуре 580C выращивали буферный слой GaAs толПри молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) в качещиной 0.1 µm, после чего в течение 5 min проводистве источника активных, т. е. способных встроиться в лось прерывание роста для понижения температуры растущую полупроводниковую пленку, радикалов азота подложки до 450C, поджига и стабилизации азотной в настоящее время применяются различные типы плазплазмы. Затем слой (In)GaAsN толщиной 0.35 µm осаменных источников с высокочастотным возбуждением ждали при определенном режиме работы CPS. Струк(RF plasma source). Однако до конца не решенными туры заканчивали осаждением прикрывающего слоя остаются проблемы низкой степени активации азота и GaAs толщиной 20 nm. Скорость роста составляповреждения поверхности образующимися в плазменла 1 monolayer/s, давление мышьяка, измеренное ионным ном разряде ионами. Поэтому было бы желательно датчиком, 2.5 · 10-5 Torr. Для исследования количества экспериментально проверить возможность эпитаксиальвстроенного азота и структурных свойств выращенных ного выращивания высококачественных гетероструктур структур применялась рентгеновская дифракционная сиInGaAsN с помощью альтернативных источников, в частстема Siemens D5000. Фотолюминесценция возбужданости плазменного источника с возбуждением постояндась Ar+ лазером (20 mW, 514.5 nm), детектировалась ным током (DC plasma source).

охлаждаемым Ge фотодиодом.

Плазменный источник постоянного тока потенциально CPS представляет собой источник, в котором плазма позволяет достичь высокой эффективности активации поджигается в протекающем газовом потоке, истекаазота при высокой стабильности и воспроизводимости.

ющем в ростовую камеру установки МПЭ. ИсточНизкое энергопотребление и невысокая цена делают ник характеризуется низкой степенью ионизации, т. е.

плазменные источники постоянного тока весьма приплотность ионов много меньше плотности нейтральных влекательными для использования в эпитаксиальных радикалов. Однако значительная доля атомов и молекул установках некоммерческого типа. Несмотря на это, азота может находиться в возбужденных состояниях к настоящему времени имеется мало публикаций по и встроиться в растущую полупроводниковую пленку.

исследованию свойств структур (In)GaAsN, выращенных Управляющими параметрами CPS, влияющими на поток с помощью плазменного источника постоянного тока [6]. активных радикалов и, следовательно, на содержание 60 А.Е. Жуков, Е.С. Семенова, В.М. Устинов, E.R. Weber потока и редко, подобное отклонение может погасить плазму, если мгновенное значение потока станет меньше минимального значения для заданного тока. Очевидно, что ток в диапазоне Imin-Is едва ли может использоваться при росте объемных слоев. Тем не менее такие режимы могут использоваться для роста структур с квантовыми ямами.

Для оценки эффективности встраивания азота в растущие слои в зависимости от режима CPS была выращена серия образцов с использованием разных значений потока азота и тока источника. Содержание азота и структурное совершенство были исследованы методом высокоразрешающей рентгеновской дифракции. Были сняты кривые качания около рефлексов (004) и (224). На рис. показаны типичные (004) дифракционные кривые каРис. 1. Минимальное значение тока Imin, при котором плазма чания образцов, выращенных с разными значениями I немедленно исчезает, и Is, при которой плазма может сущеи F. С увеличением каждого из параметров дифракствовать длительное время, в зависимости от использованного потока азота F. (sccm — cm3/min в стандартных условиях). ционные пики от слоя сдвигаются в сторону больших углов, как это видно из серии образцов, выращенных с одинаковым значением потока (F = 1.5cm3/ min) и разными токами (I = 7, 10 mA), и из серии с одним азота в растущем слое, являются величины потока азота значением тока (I = 10 mA) и разными потоками через источник F и постоянного тока I, протекающего (F = 1.0, 1.5cm3/ min).

через разрядную камеру источника. Tylan (Millipore) Разность угловых положений дифракционных максиFC-2950M масс-контроллер использовался для прецизимумов (004) позволяет рассчитать состав соединения, онного управления потоком азота. Для поджига и управесли известна степень релаксации напряжения. В частноления разрядом плазмы применяли Glassman ER-series сти, для двух предельных случаев псевдоморфного роста источник постоянного напряжения (100 mA, 3 kV).

и полной релаксации напряжения одно и то же полоПрeжде всего мы изучили диапазон возможного измежение дифракционного пика соответствует примерно в нения значений входных параметров, т. е. газового потока два раза отличающемуся содержацию азота. Предполаи постоянного тока источника. В то время как максигая псевдоморфный характер роста, содержание азота в мальные значения величин I и F ограничены возможностями используемого оборудования (100 mA и 5 cm3/min соответственно), минимальные значения обусловлены физическими процессами, протекающими в камере поджига плазмы. Для каждого определенного потока азота существует минимальное значение тока Imin, при котором плазма все еще существует. Другими словами, мы можем говорить о минимальном потоке азота для заданного тока. На рис. 1, на котором экспериментальная зависимость Imin от F показана сплошной кривой, видно резкое возрастание Imin с уменьшением потока в области низких значений F (0.2-0.8cm3/ min), в то время как при больших значениях потока (1-5cm3/ min) Imin практически не меняется.

Мы также обнаружили, что существует критическая величина тока, которая характеризует временную ста бильность плазменного источника. Если рабочий ток меньше некоторого определяемого потоком азота значения Is, плазма может погаснуть в течение первых нескольких минут существования. Зависимость Is от F показана на рис. 1 штриховой кривой. Она качественно схожа с зависимостью для Imin, однако разность между Is и Imin, определяющая диапазон временной неста Рис. 2. Рентгенодифракционные кривые качания вблизи отрабильности, увеличивается по мере уменьшения потока.

жения (004), измеренные на слоях GaAsN толщиной 0.35 µm.

Мы считаем, что случайные флуктуации потока вокруг — 1.5 sccm, 10 mA; — 1.0 sccm, 10 mA; — 1.5 sccm, рабочего значения играют решающую роль для объяс- 7 mA. На вставке показан ВИМС профиль концентрации азота нения этого явления. Хотя значительное уменьшение (1.5 sccm, 7 mA).

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Молекулярно-пучковая эпитаксия GaAsN на GaAs с использованием плазменного источника... в дальнейшем исследовании методом просвечивающей электронной микроскопии.

Вообще говоря, атомы азота могут встраиваться в растущий слой GaAs как в подрешетку атомов V группы, формируя таким образом твердый раствор GaAsN, так и в междоузлия кристаллической решетки, чему способствует малый радиус атомов азота. В первом из указанных случаев происходит уменьшение постоянной решетки по сравнению со случаем чистого GaAs, тогда как во втором случае постоянная решетки не искажается либо же несколько возрастает. В связи с этим определение концентрации встроившегося азота с помощью рентгено-дифракционных методов, основанных на измерении постоянной решетки выращенного слоя, подлежит уточнению методом масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС). На вставке к рис. 2 показан ВИМС профиль содержания азота для образца, выращенного в Рис. 3. Соотношение между рассогласованием решеток слоя условиях F = 1.5cm3/ min, I = 7 mA. Средняя конGaAsN и GaAs в направлении роста (a/a) и в плоскости центрация азота в слое составляет 2.08 · 1020 atoms/cm3, гетерограницы, оцененное из рентгено-дифракционных кривых что соответствует Y = 1.15%. Измеренная методом качания в асимметричном отражении (224) (темные кружки) и рентгеновской дифракции величина Y составляет 1.19% в симметричном отражении (004) (светлые кружки).

и находится в превосходном согласии с данными ВИМС.

Таким образом, у нас нет оснований предполагать междоузельное встраивание азота в слоях, выращенных с исобразцах, представленных на рис. 2, оценивается в пре- пользованием CPS.

делах 1.2-1.5%. Вычисления с использованием модели На рис. 4 сферами показаны экспериментальные знамеханического равновесия Matthews and Blakeslee [8] чения концентрации азота в зависимости от потока показывают, что критическая толщина слоев с таким азота и величины постоянного тока. Концентрация азота содержанием азота составляет 130-98 nm, что гораздо является сублинейной функцией как I, так и F, т. е. при меньше толщины наших слоев GaAsN, которая составувеличении только одного из управляющих параметров ляет 0.35 µm. Следовательно, можно предположить источника содержание азота имеет тенденцию к насыщеполную или частичную релаксацию напряжения.

нию.

Для определения степени релаксации нами были Также следует отметить, что образцы, выращенные проведены измерения вблизи асимметричного рефлекпри минимальном значении тока, обеспечивающем стаса (224). Разность между угловыми положениями подбильность плазмы (Is), демонстрируют ненулевое содерложки и эпитаксиального слоя в отражениях (224)+ и (224)- позволила нам рассчитать решеточное рассогласование в направлении роста (a/a) и в плоскости роста (a/a). На рис. 3 темными кружками показаны экспериментальные данные решеточного рассогласования в плоскости (a/a) как функции (a/a). Во всем диапазоне эксперимента (a/a) остается удивительно малым. Даже в случае такого большого значения (a/a), как 1.1% (содержание азота порядка 2.7%), постоянная решетки слоя отличается от постоянной решетки GaAs менее чем на 0.1%. Эти данные позволяют говорить о псевдоморфном режиме роста, несмотря на достаточно большую концентрацию азота в наших образцах. Это заключение также подтверждается превосходным совпадением между значениями (a/a), извлеченными из рефлексов (224) и (004), как показано на рис. 3 светлыми кружками. Сходные результаты были Рис. 4. Концентрация азота в слоях GaAsN, выращенных недавно получены при исследовании объемных слоев с использованием различных значений постоянного тока и GaAsN, выращенных методом MOCVD [9]. Причина потока азота (закрашенные сферы). Темные кружки — точечподавления формирования дислокаций несоответствия ная (трехмерная) картина дифракции и матовая поверхность;

и, таким образом, продления псевдоморфного роста в полутемные кружки — смешанная картина дифракции и блетолстых слоях GaAsN, на подложке GaAs остается по- стящая поверхность; светлые кружки — полосатая (двумерная) ка не изученной. Очевидно, что эти слои нуждаются картина дифракции и блестящая поверхность.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 62 А.Е. Жуков, Е.С. Семенова, В.М. Устинов, E.R. Weber жание азота. Поскольку относительно высокое содержание азота не всегда желательно, мы изучили более подробно минимальную достижимую концентрацию азота в слоях GaAsN, выращенных МПЭ с использованием CPS.

Очевидно, что концентрация азота в слое, выращенном при использовании I = Is, минимальна для заданного потока. Двигаясь по кривой Is-F в направлении увеличения потока, мы видим, что содержание азота понижается вопреки увеличению потока азота. Это обусловлено понижением тока. Минимальное содержание азота 0.84% было достигнуто в образце, выращенном при использовании максимального потока (3.5cm3/ min) и достаточно низкого тока 7 mA, близкого к Is для данного значения F. Возможность выращивания слоев с меньшей концентрацией азота находится за пределами Рис. 5. Зависимость эффективности встраивания азота от возможностей эксперимента из-за эффекта временной использованного тока источника.

нестабильности, обсуждаемого выше. Кроме того, мы можем сделать вывод, что ток является более мощным параметром управления составом слоев по сравнению с потоком азота в данном виде плазменного источника мы можем предположить, что коэффициент прилипания азота.

остается постоянным для всех образцов. Таким образом, В то же время CPS обеспечивает достаточную эфхотя мы и не предполагаем 100% коэффициента прилифективность встраивания азота с концентрацией столь пания, зависимость эффективности встраивания от тока высокой, как 3.7% (I = 45 mA, F = 0.7cm3/min). Знаотражает изменения эффективности активации с током.

чение потока 1 cm3/min соответствует 9.27 · 1017 атомов Тот факт, что эффективность активации плазмы сильно азота в секунду. Будучи распределенным по телесному зависит от тока, представляется весьма естественным.

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.