ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 7, с. 70-73
УДК 536.331
АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ InAs/GaAs В ПРОЦЕССЕ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ © 2014 г. А. В. Кацюба1, А. А. Величко, В. А. Илюшин, Г. Ф. Сивых
Новосибирский государственный технический университет, 630092 Новосибирск, Россия 1Е-таИ: kacuba@ngs.ru Поступила в редакцию 29.07.2013 г.
Установлено, что при молекулярно-лучевой эпитаксии 1пА на подложке ОаАя с ростом толщины пленки происходит дополнительное поглощение теплового излучения и, как следствие, — неконтролируемое увеличение температуры гетероструктуры по сравнению с исходной температурой. Нестационарный режим роста приводит к ухудшению качества структуры. Расчет перегрева гетероструктуры позволит корректировать температуру подложки в процессе роста.
БО1: 10.7868/80207352814070075
ВВЕДЕНИЕ
Эпитаксиальные пленки арсенида индия, благодаря высокой подвижности электронов и прямо-зонной структуре, используют для изготовления высокоэффективных электронных и оптоэлек-тронных приборов, фотоприемников ИК-диапазо-на и инжекционных лазеров. Одним из способов получения качественных пленок арсенида индия является гетероэпитаксиальное выращивание 1пАя на подложках арсенида галлия в установках моле-кулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [1].
В технологии МЛЭ самой распространенной методикой нагрева подложек является радиационный нагрев, который основан на поглощении теплового излучения нагревателя подложкой и эпитаксиальной пленкой. При выращивании пленок узкозонных полупроводников на широкозонных подложках с ростом толщины растущего слоя наблюдается дополнительное поглощение теплового излучения эпитаксиальной гетерострукту-рой, что порождает повышение температуры системы при постоянной мощности нагревателя подложки. В этом случае, по мере возрастания толщины пленки, может возникать значительный перегрев эпитаксиальной структуры. В системе ¡пАз/ОаА возникает дополнительное поглощение тепловой энергии пленкой ¡пАя. Это поглощение происходит в основном в спектральной области от 0.9 до 3.5 мкм, так как ширина запрещенной зоны ¡пАя много меньше, чем у ОаАз. Это поглощение увеличивается с ростом толщины пленки. В экспериментах [2—6] осаждение арсенида индия проводилось на подложках арсенида галлия с ориентацией поверхности (100). После стандартной предэпитаксиальной подготовки подложек и осаждения буферного слоя ОаАз выращивался эпитаксиальный слой ТпАз.
Анализ структуры поверхности 1пАз, проведенный в процессе роста методом дифракции быстрых электронов, показал, что наблюдаются два основных типа сверхструктуры: (2 х 4) или (4 х 2) для поверхностей, стабилизированных мышьяком или индием соответственно. Образование 1п- или Аз-стабилизированной поверхности зависит от температуры подложки и соотношения интен-сивностей потоков мышьяка и индия у = ?м/¥ы. В работе [7] показано, что при отжиге ОаАз при температуре >500°С мышьяк интенсивно десор-бируется с поверхности ОаАз. Обычно рост проводится со стабилизацией мышьяком, так как при стабилизации индием происходит огрубление поверхности. При этом с ростом температуры подложки испарение мышьяка увеличивается, и для стабилизации необходимо увеличивать поток мышьяка. Отсюда следует, что если поддерживать соотношение потоков постоянным, то при неконтролируемом повышении температуры подложки, вследствие увеличения толщины пленки, может произойти переход от стабилизации поверхности мышьяком к стабилизации индием, что нежелательно. В работе [3] показано, что при постоянном соотношении потоков в диапазоне у = 0.5—10 и Тв < 663 К образуется сверхструктура (2 х 4), стабилизированная мышьяком, а при Тв = = 663 К наблюдается сверхструктура (4 х 2), соответствующая поверхности, обогащенной индием. В случае эпитаксии арсенида индия при температуре подложки Тя, близкой к 663 К, и стабилизации поверхности мышьяком в процессе роста, наблюдался структурный переход от (2 х 4) к (4 х 2) без изменения режима работы нагревателя подложки Тн. Это говорит о дополнительном поглощении тепловой энергии пленкой арсенида индия, и, как следствие, реиспарении мышьяка.
АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ТпАз/ОаА
71
Целью данной работы является анализ изменения температуры в системе 1пАз/ОаА и расчет зависимости температуры гетероструктуры в процессе МЛЭ от толщины эпитаксиального слоя 1пА для различных температур нагревателя подложки. Наличие такого анализа позволит существенно снизить количество бракованных структур, заранее программировать температурные режимы процесса МЛЭ.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Расчет температуры образца Т проведен с использованием стационарного уравнения теплового баланса, учитывающего поступление лучистой энергии от нагревателя и собственное излучение образца:
S(е1 + е2)стТ = 1 - Я)а- 11 + /2). (1)
Здесь Тн — радиационная температура нагревателя; еь е2 — коэффициенты серости лицевой (со стороны нагревателя) и тыльной поверхностей образца; S — площадь поверхности. В левой части уравнения (1) суммирована величина излучаемой гетероструктурой энергии с обеих поверхностей.
В правой части выражение 5(1 — Д)стГн4 — это энергия, поглощенная подложкой, с учетом отражения от тыльной стороны подложки; /1, 12 — часть энергии излучения нагревателя, которая не поглотилась подложкой и вышла из образца с лицевой и тыльной стороны соответственно.
Значения интенсивностей излучения 11 и 12 рассчитывались с использованием закона Бугера I = 10 ехр(-а, учитывающего селективный характер поглощения излучения с помощью коэффициента поглощения а = а (к). Следует отметить, что расчет проводился в предположении справедливости закона Бугера при любой толщине образца. Важно отметить, что возрастание температуры подложки приводит к увеличению собственной концентрации носителей заряда, которое определяется зависимостью
N = (К^Кс) 1/2ехр (-Е§/2кТ), (2)
где Е% = 1.4 эВ — ширина запрещенной зоны арсе-нида галлия. Поэтому с ростом температуры возникает дополнительное поглощение на свободных носителях. Такое же увеличение концентрации свободных носителей имеет место и в пленке арсенида индия, но в значительно большей степени, поскольку ширина его запрещенной зоны Еъ = 0.354 эВ. Это должно приводить к еще большему поглощению и нагреву.
Поскольку точно учесть все механизмы отражения и поглощения невозможно, в расчетах исполь-
125
1 100
3
о
4
1-С
о С н я
ё 25
я
я
^ 0
т о
75
50
10 15 20 25 Длина волны, мкм
30
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения ОаА (1) и 1пА (2) от длины волны X [8].
зовались экспериментальные данные, приведенные в литературе, [8]. Спектральные зависимости коэффициентов поглощения представлены на рис. 1, где кривая 1 соответствует зависимости а (к) для ОаАз, а кривая 2 — для 1пАз. Как видно из рис. 1, помимо дополнительного поглощения 1пА в области от 1.0 до 3.5 мкм необходимо также учесть поглощение на свободных носителях в дальней инфракрасной области. Поглощение 1пА становится существенным начиная с 35 мкм, в то время как ОаА полностью поглощает все падающее излучение начиная с 16 мкм.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
На рис. 2 приведены схемы двух вариантов расчета: без учета отражения излучения от границ образца (рис. 2а) и с учетом однократного отражения от каждой из границ (рис. 2б). Поскольку коэффициент отражения Я1 излучения, падающего на поверхность ОаА, слабо зависит от длины волны, то его значение было принято постоянным, Я1 = 0.285. При наличии пленки 1пА на поверхности образца коэффициент отражения от тыльной границы образца Я2 брался равным 0.31, тогда как отражение от внутренней границы между слоями образца крайне слабое — Я12 = 0.001.
Результаты численного расчета температуры гетероструктуры 1пА—ОаА в зависимости от температуры нагревателя Тн и толщины пленки 1пА приведены на рис. 3. Расчет проводился для двух температур нагревателя — 985 К и 1140 К. Поскольку образец находился в вакууме на специальных теплоизолирующих держателях, потери тепла за счет теплопроводности через держатели были пренебрежимо малыми и не учитывались. Как и следовало ожидать, учет отражения падающего излучения от границ образца приводит к уменьшению расчетной температуры образца, по-
5
72
КАЦЮБА и др.
(а)
1н
GaAs
InAs
h
(б)
ч
GaAs \ \
InAs
s м
о
4 д
о С
а
s fr
а р
<0 С
s <0
H ^
5 M
X
о §
о с
а
s fr
а р
<0 С S <0 H
(а)
730 710 690 670 650 630
840 820 800 780 760 740 720
1 2 3 4 5 Толщина пленки, мкм
(б)
1 2 3 4 5 Толщина пленки, мкм
Рис. 2. Схема распределения интенсивности прошедшего и отраженного излучения в структуре ¡пАя/ОаЛя: а — однократное отражение только от тыльной поверхности подложки; б — с учетом отражения от трех поверхностей.
скольку в этом случае учитывается дополнительный вынос энергии отраженными лучами. Результаты расчета показывают, что в процессе роста пленки 1пАз происходит дополнительное повышение температуры образца: увеличение составляет от 37 К при Тн = 980 К до 54 К при Тн = 1140 К.
Из рис. 3 видно, что наиболее резкое изменение температуры происходит на начальной стадии роста до толщины пленки менее 1 мкм, при дальнейшем росте температура увеличивается более плавно. Это происходит из-за того, что при толщинах 1пАз более 1 мкм происходит практически полное поглощение излучения в диапазоне длин волн 0.9—3.5 мкм. При увеличении температуры нагревателя увеличивается концентрация носителей заряда, причем в арсениде индия в значительно большей степени, чем в ОаАБ. Из-за этого происходит дополнительное поглощение энергии в 1пАз и повышение температуры гетеро-структуры.
Рис. 3. Зависимость температуры гетероструктуры от толщины пленки 1пАя; а — для температуры нагревателя Тн = 980 К; б — для температуры нагревателя Тн = 1140 К. Без учета отражения (кривая 1) и при однократном отражении (кривая 2).
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании приведенных расчетов можно сделать вывод о том, что при молекулярно-луче-вой эпитаксии InAs на подложке GaAs с ростом толщины пленки происходит увеличение температуры гетероструктуры по сравнению с исходной тем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.