Письма в ЖЭТФ, том 89, вып. 2, с. 94-97
© 2009 г. 25 января
Формирование гетерограницы СаАэ-Се в присутствии окисла
С. П. Супрун1^, Е. В. Федосенко Институт физики полупроводников Сибирского отд. РАН, 630090 Новосибирск, Россия
Поступила в редакцию 9 декабря 2008 г.
Приведены результаты исследования методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и дифракции быстрых электронов на отражение процесса формирования гетерограницы СаЛк Се при условии неполного удаления всех окисных фаз с поверхности подложки СаЛк. Показано, что совмещение процессов окончательной десорбции окисла ваг О и осаждения Се позволяет предотвратить испарение мышьяка и нарушение стехиометрии в области границы раздела.
РАСБ: 73.20.^г, 73.40.Lq, 81.15.Hi
Гетероструктура СаАв-Се является, по-видимому, наиболее изученной и, по праву, считается "модельной". Она характеризуется как сочетанием пространственной симметрии решеток, так и хорошим согласованием по длине связи на границе двух материалов. Различия, связанные с типом валентной связи в решетках этих полупроводников, подробно исследованы как теоретически, так и экспериментально. Показано, что при формировании гетерограницы на полярных гранях СаАв образуется переходный слой смешанного состава, согласующий атомный дипольный потенциал. Получено хорошее согласие расчетных данных по величине разрыва валентной зоны с измеренными значениями, хотя и наблюдается некоторый их разброс [1, 2]. Это может быть связано с тем, что при использовании в качестве подложки соединения, на свободной поверхности всегда наблюдается отклонение состава от объемной стехиометрии.
В настоящее время подробно изучен состав и морфология собственного окисла СаАв. Считается, согласно фазовой диаграмме, что при нормальных условиях термодинамически равновесным с СаАв является сочетание предельного окисла Са20з и мышьяка [3, 4]. В связи с этим в окисле, формирующемся при химической обработке, с участием поверхности монокристалла будут наблюдаться процессы замещения в окислах мышьяка с формированием кластеров окисла вагОз [3]. При нагреве подложки в вакууме происходит десорбция мышьяка и его окислов с образованием рыхлого слоя, имеющего нарушения сплошности, и возникновением лакун [5]. На следующем этапе очистки при наличии фрагментов свободной поверхности СаАв наблюдается реакция, приводящая к понижению валентности ва в составе предельно-
1'е-таП: suprun@thermo.isp.nsc.ru
го окисла, и десорбция компонент при температуре порядка 500 °С [6, 7] имеет вид
Са203(в) + 4СаАз(в) = ЗСа20 | +2Аз2 |. (1)
Таким образом, на поверхности СаАв при нагреве в условиях высокого вакуума наблюдается сложная цепочка химических реакций, приводящая к удалению собственных окислов материала и потере части стехиометричного мышьяка. Показано, что рассматриваемая система весьма чувствительна к способу приготовления окисла и его начальной толщине [8]. Из-за низкого давления паров Са20з время (или необходимая температура) окончания второго этапа очистки поверхности, сопровождающегося понижением валентности ва, определяется исходной толщиной окисла. Отрицательной особенностью полного удаления окислов СаАв путем термического нагрева в вакууме, безусловно, является огрубление поверхности и обогащение поверхности галлием. При последующем осаждении материала это приводит к образованию различного рода дефектов в области границы раздела, появлению "хвоста" фоновой примеси, тянущейся в растущий слой [9]. Поэтому общепринятым является выращивание буферного слоя СаАв на подложке с целью восстановления состава и рельефа поверхности. Хотя даже в этом случае может наблюдаться большой разброс в электронных свойствах и электрофизических параметрах гетероперехода (ГП) СаАв Се, обусловленный наличием на поверхности сверхструктуры со своим отношением Са А*.
В то же время, хорошо известны достоинства и преимущества этого ГП по сравнению с гомоперехо-дами на основе как СаАв, так и ве [10]. Так, например, использование лавинных фотодиодов (ЛФД) СаАв Се в спектральной области 1.5 мкм, представляющей значительный практический интерес, может дать существенное увеличение чувствительности по
Формирование гетерограницы СаАз-Се в присутствии окисла
95
сравнению с ве ЛФД. А создание однофотонных приемников излучения в связи с развитием в настоящее время метода квантовой криптографии является весьма актуальной задачей.
Ранее нами был подробно исследован методом рассеянного лазерного излучения процесс десорбции собственного окисла ваАв при нагреве в вакууме [11]. Была показана возможность формирования остров-ковой пленки ве на подложке ваАв при неполной очистке поверхности в лакунах собственного окисла. В настоящей работе приведены результаты изучения методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и дифракцией быстрых электронов на отражение (ДБЭО) процесса формирования гетерограницы СаАв-Се в условиях неполного удаления окисла с поверхности подложки.
В качестве образцов использовались стандартные пластины полуизолирующего и п+СаАз(001) диаметром 50 мм, прошедшие следующую химическую обработку: последовательное кипячение в толуоле, ацетоне и диметилформамиде по 1 мин, затем в изо-пропиловом спирте - 3 мин. После этого проводилось травление в концентрированной соляной кислоте при комнатной температуре в течение 2 мин с целью утонения окисла, после чего следовала окончательная промывка в деионизованной воде.
В аналитической установке исследования поверхности МАРТОБСАМ-бО (Франция, фирма ШЬег) методом РФЭС были получены спектры поверхности ваАв до и после нагрева образца при температуре 500 °С. В качестве источника использовалась А1 Ка линия с энергией 1486.6 эВ, спектры набирались с разрешением 0.6 эВ при угле наклона анализатора 70° от нормали к поверхности пластины для уменьшения эффективной глубины анализа. На рис.1 и 2 показаны спектры Зс^/г ва и Аэ, расстояние между пиками, соответствующими объемным компонентам, было 21.9 эВ. В таблице приведены величины спин-орбитального расщепления, отношение компонент в
Ga 3d As 3d
Расщепление (эВ) 0.45 0.69
Отношение 1.5 1.4
Ширина гауссиана (эВ) 0.6 0.6
Ширина лоренциана (эВ) 0.7 0.7
Поверхностная комп. 51 (эВ) 0.34 -0.43
Поверхностная комп. 5г (эВ) -0.32 -
Химический сдвиг - Аз (эВ) - 0.6
АвгОз - 3.2
Саг О 0.4 -
Са203 1.5 -
дублете, а также значения полной ширины на половине высоты функций Гаусса и Лоренца, использованных при разложении экспериментальных спектров, сдвиги по энергии относительно объемных компонент Зс^/г ва и Ав для поверхностных компонент и в различных соединениях.
Binding energy (eV)
Рис.1. Спектры А8 3(1, полученные сразу после химической обработки образца (вверху), после нагрева образца до температуры 500° С и после осаждения ве (внизу), там же во вставке показан обзорный спектр. На спектрах экспериментальные данные показаны кружками, пунктирные линии соответствуют компонентам разложения, сплошная линия - сумма всех компонент. Обозначения на спектрах: В - компонента, соответствующая объемной связи А8 С!а. Я - поверхностная компонента, Ав - элементарный мышьяк
Приведенные в таблице значения спин-орбитального расщепления, отношение компонент в дублете и сдвиги по энергии поверхностных компонент были взяты из работы [12], а значения химических сдвигов - согласно данным [13]. Исходное состояние поверхности соответствует существующим представлениям о формировании собственного окисла СаАв.
96
С. П. Супрун, Е. В. Федосенко
_|_I_I_I_I_I_I_I_i_
24 22 20 18 16
Binding energy (eV)
Рис.2. Спектры Са ?м1 поверхности, полученные сразу после химической обработки образца (вверху), после нагрева образца до температуры 500°С (внизу). Обозначения на спектрах соответствуют таблице и рис.1
Так, пик Ав Зй (рис.1, вверху) может быть представлен композицией пиков чистого мышьяка, компоненты, соответствующей объемной связи Ав-ва (В), и сравнительно небольшого пика окисла АвгОз- В то же время исходное состояние ва (рис.2, вверху) характеризуется наличием окислов вагО, вагОз, объемной компоненты ва-Ав и слабо выраженными поверхностными компонентами и 5г (на верхней части рис.2 эта компонента не отмечена).
При нагреве образца до температуры 500 °С происходит десорбция мышьяка и его окисла (рис.1, средняя часть). Наблюдаемый пик представляет собой сумму объемной и поверхностной компонент Авва. Существенные изменения наблюдаются в состоянии пика ва Зй (рис.2, внизу). Содержание окислов вагО, вагОз уменьшается, при этом поверхностная компонента соответствующая низкоко-ординированному ва, становится доминирующей в спектре. Наличие галлия с оборванными валентными связями, находящегося, следовательно, в химически активном состоянии, должно способствовать развитию реакции согласно формуле (1). Если в это время начать осаждение германия на поверхность, то это, по нашему предположению, приведет к связыванию освобождающегося мышьяка, что предотвращает нарушение стехиометрии поверхности и обогащение ее галлием.
Аналитическая установка МА]М08СА]М-50 была оборудована ростовой камерой, состыкованной с ней, что позволяло получать требуемую структуру и пе-
редавать образец в камеру анализа без контакта с атмосферой. Методика исследования in situ была аналогична применявшейся при изучении низкотемпературной перекристаллизации Ge на ZnSe [14]. На подложку, имевшую состав поверхности, приведенный на рис.1 и 2 после прогрева, был осажден слой Ge. Затем образец был передан в аналитическую камеру, нагрет до температуры 500 °С и снят спектр поверхности, приведенный во вставке к рис.1 (внизу). В химическом состоянии мышьяка произошли значительные изменения: пик As 3d сдвинулся по энергии на 0.8 эВ относительно объемной компоненты В и представляет собой практически одно чистое состояние. Наблюдаемый сдвиг пика в сторону увеличения энергии связи аналогичен тому, что приведен в работах [15, 16] при осаждении Ge на атомарно чистую поверхность GaAs при обогащении мышьяком, поэтому состояние мышьяка в данном случае указывает на химическую связь именно с ним.
Часть экспериментов по получению ГП GaAs -Ge была проведена в уст
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.