ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 9, № 2, 2013, стр. 16-19
ФИЗИКА
УДК 539.231
ОСОБЕННОСТИ ЭПИТАКСИИ СаЛэ<В1> ИЗ ВИСМУТСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРОВ-РАСПЛАВОВ В ПОЛЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАДИЕНТА
© 2013 г. Д.Л. Алфимова1, М.Л. Лунина1
Исследованы особенности эпитаксии ваА8<Б1> из висмутсодержащих растворов-расплавов в поле температурного градиента. Проанализированы возможные механизмы снижения плотности дислокаций.
Ключевые слова: эпитаксия, раствор-расплав, поле температурного градиента.
ВВЕДЕНИЕ
Висмут, в отличие от остальных элементов пятой группы таблицы Д.И. Менделеева, не образует химических соединений с элементами третьей группы, кроме индия. Являясь изовалентной примесью в соединениях А3В5, висмут как растворитель при эпитаксии из жидкой фазы открывает новые возможности варьировать исходным фазовым пространством с целью управления свойствами твердых растворов А3В5. Соединения А3В5 с висмутом должны приводить к образованию твердых растворов, в которых Б1 замещает элементы пятой группы, проявляя свойства изовалентной примеси, вследствие чего уменьшается ширина запрещенной зоны гетероструктуры. Часть атомов висмута может располагаться в междоузлиях, и это приводит к обратному, хотя и менее значимому эффекту -увеличению ширины запрещенной зоны Е Вхождение висмута в решетку соединений А3Вдолжно носить характер дефектообразования, играющего упорядочивающую роль. В данной работе исследованы особенности эпитаксии слоев арсенида галлия из висмутсодержащих растворов-расплавов, фазовые равновесия в области диаграммы состояния трехкомпонентной системы ва-Аз-Б и характер дефектообразования в ваАз<Б1>.
АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ В СИСТЕМЕ ва-А8-Б1
Для расчета фазовых равновесий в системе ва-Аз-Б в квазирегулярном приближении модели простых растворов осуществлена оценка тем-
пературы, энтропии плавления и малых энергий смещения (параметров взаимодействия бинарных компонентов в жидкой и твердой фазах). Методика определения подобных параметров изложена в [1]. Эти экспериментальные данные использованы для расчетного построения кривых фазовых равновесий в системе Ga-As-Bi в интервале температур Т = 650-780 К. Расчет проводили на основе известных соотношений [1], описывающих составы равновесных жидкой и твердой фаз. На рисунке 1 точками показаны экспериментальные данные измерения температуры ликвидуса твердого раствора GaAsBi путем прямого визуального наблюдения в режиме in situ [1]. Из сравнения теоретических и экспериментальных данных следует вывод о корректности применяемой модели расчета фазовых равновесий в системе Ga-As-Bi.
12-
10-
«п 8Н
о
X $6
4-
2-
•
< ""•....... _2
X X
> С 1 ▲
/к i к
/ к
8
йихЮ3
10
12
14
1 Южный научный центр Российской академии наук, 344006,
Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41; e-mail: lunin_ls@mail.ru
Рис. 1. Результаты расчета фазовых равновесий для системы Оа-Аз-Б1: сплошные кривые - расчет, точки - эксперимент. 1 - 650 К, 2 - 720 К, 3 - 780 К
ОСОБЕННОСТИ ЭПИТАКСИИ GaAs<Bi>
17
ЭКСПЕРИМЕНТ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Эпитаксиальное выращивание проводили в вертикальном проточном реакторе из раствора-расплава, ограниченного горизонтально расположенными подложками. В качестве металла-растворителя использовали висмут марки ВИ-0000, подложками служили монокристаллические пластины арсенида галлия марки АГЧО (100) (п = 1 • 1018 см3). Темпе-ратурно-временная схема процесса выращивания приведена на рисунке 2. Температура насыщения раствора-расплава ^ во всех экспериментах составляла 850 °С, интервал охлаждения Дt = t0—t = 20 °С, скорость изменения температуры на этапах кристаллизации и растворения 1 градус/мин. Для изучения зависимости толщины эпитаксиального слоя d от толщины слоя 8 раствора-расплава между подложками подложки собирали в пакет, в котором величина 8 изменялась от 0,8 до 2,2 мм. Толщину эпитаксиальных слоев определяли под микроскопом ММУ-3 после травления скола структуры в растворе К2Сг2О7 : Н2О : Н^О4 = 0,3 г : 100 мл: : 1,6 мл, плотность дислокаций - по методу девяти полей после обработки в травителе состава Ш3 : НБ = 3 : 1 [1].
Методика выращивания основана на использовании естественной конвекции, возникшей в растворе-расплаве, ограниченном горизонтально расположенными в поле температурного градиента подложками на расстоянии 8 > 8к (8к - критическая толщина слоя). Поскольку плотность растворенного арсенида галлия меньше, чем плотность висмута, используемого в качестве растворителя, в процессе охлаждения слоя раствора-расплава на величину Дt и кристаллизации эпитаксиального слоя в растворе-расплаве формируется градиент плотности растворенного компонента, приводящий к образованию конвективных потоков, направленных к верхней подложке. При отсутствии гомогенной кристаллизации толщина dв слоя, выращиваемого на верхней подложке, ограничивающей слой раствора-расплава, больше толщины dн слоя, выращиваемого на нижней подложке, на величину
t,° С
А d = d, - d„ =
Mp2 2Ap1
(Cо - C)(5 - 5 ), (1)
t, мин
Рис. 2. Температурно-временная схема процесса выращивания. хц - длительность цикла, хкр - интервал кристаллизации, хг - интервал гомогенизации раствора-расплава, хр - интервал растворения
верхней подложке dB, на величину Дd' = - с£. Таким образом, за один цикл охлаждение - нагрев на величину Дt на верхней подложке образуется слой толщиной Дd, а толщина нижней подложки уменьшается на величину Дd'. Величина ДС = Дd ' при условии, что после окончания процессов охлаждения и нагрева система арсенид галлия - раствор-расплав приходит в равновесие при температуре При повторении циклов охлаждение - нагрев N раз на верхней подложке формируется слой толщиной d = NДd, толщина нижней подложки уменьшается на величину с.
Критическая толщина слоя раствора-расплава 8к при выращивании из раствора арсенида галлия в расплаве висмута была экспериментально определена из зависимостей толщины слоев на верхней и на нижней подложках от величины 8 аналогично тому, как это описано в [2], и при скорости снижения содержания арсенида галлия в растворе-расплаве а = dс/dx = 0,35 • 10-5 ат. доли/с составила 8к = 0,9 мм.
С использованием полученного значения 8к оценивали коэффициент диффузии компонента, лимитирующего рост эпитаксиального слоя арсенида галлия из раствора в расплаве висмута, на основании выражения [2]:
D =
' Mg( pi - Р2) aö{
(2)
где М, р1 - молекулярная масса и плотность арсенида галлия; А, р2 - атомная масса и плотность висмута; С0 и С - содержание арсенида галлия (мол. доли) в расплаве висмута при температурах ^ и t соответственно. Если затем провести нагрев на величину Дt от t до t0, то толщина с' слоя, растворенного на нижней подложке, окажется больше, чем на
8Ra к Ap2 oC
где RaK = 1100 - критическое число Рэлея, соответствующее условию возникновения естественной конвекции, g - ускорение силы тяжести, v = h/p -кинематическая вязкость раствора-расплава, h - динамическая вязкость, величина которой для висмута в интервале температур 532-1310 К описывается
18
Д.Л. АЛФИМОВА, М.Л. ЛУНИНА
1,00 3,00 5,00 7,00 9,00 11,00 Энергия, КэВ
Element Мае, % At, %
BiM 01,19 00,54
GaK 58,90 48,75
AsK 38,96 49,41
Matrix Correction ZAF
Рис. 3. Результаты рентгеновского энергодисперсионного микроанализа: а - графическое изображение относительной концентрации компонентов, б - элементный состав; в - поверхность эпитаксиального слоя
уравнением [3]
h = -0,777 + -
648,9 6,129 ■ 104
T
T 2
(3)
личина коэффициента диффузии составляет D = 1,72 • 10-4 см2/с. Это значение хорошо согласуется с величиной коэффициента совместной диффузии галлия и мышьяка в расплаве висмута, полученной в [4]. Экспериментально определенное распределение плотности дислокаций по толщине эпитаксиального слоя на верхней подложке при ^ = 850 °С, Дt = 20 °С, N = 38 в интервале 3,0 < с < 18,0 мкм удовлетворительно описывается уравнением прямой \giNxd) = -0,14хС + 4,4. При толщине слоя более 20 мкм плотность дислокаций на его поверхности не превышает 5 • 102 см-2.
Наблюдаемое уменьшение плотности дислокаций может быть объяснено действием нескольких независимых факторов. Во-первых, снижение плотности дислокаций по толщине слоев, растущих в периодическом процессе рост - растворение, обусловлено образованием дислокационных полупетель при замыкании дислокаций, наследуемых из подложки [5]. Во-вторых, уменьшение количества дислокаций может быть объяснено повышением энергии образования дислокаций при легировании арсенида галлия висмутом. В пользу такого предположения свидетельствует то, что эпитаксиальные слои, выращенные из раствора-расплава висмута, обладают более высокими значениями микротвердости по сравнению со слоями, полученными из раствора-расплава галлия [6].
Важнейшим условием получения структурно и морфологически совершенных эпитаксиальных слоев является обеспечение морфологической стабильности фронта кристаллизации, нарушение которой обусловлено возникновением концентрационного переохлаждения раствора-расплава вблизи подложки и происходит при условии [7]:
dT dz
Аж - А,
+
■кр
dT
■Акр dz
+
Lo
Аж + Ак
dT
- m-< 0.
dz
(4)
Здесь СТ/Сг и СС/Сг - градиенты температуры и концентрации на фронте кристаллизации, Аж и Акр -теплопроводности раствора-расплава и кристалла, т = СТ/СС - наклон кривой ликвидуса, V - скорость роста эпитаксиального слоя, Ь - теплота кристаллизации.
На границе подложка - раствор-расплав осуществляется равенство
СТ1
dT Аж-
dz
= Ак,
dz
(5)
При содержании растворенного арсенида галлия в расплаве висмута С = 0,0192 ат. доли ве-
где Т0 и Т1 - соответственно температуры раствора-расплава и подложки. Поскольку теплопроводность жидкого висмута при температуре эпитаксии Аж,в1 = 0,08 Дж/(см • с • К), а теплопроводность галлия АжСа = 0,5 Дж/(см • с • К), то использование висмута в качестве растворителя позволяет увели-
ОСОБЕННОСТИ ЭПИТАКСИИ GaAs<Bi>
чить температурный градиент в растворе-расплаве вблизи подложки в 6 раз по сравнению с галлиевым растворителем.
Таким образом, при выращивании из растворов в расплаве висмута обеспечивается более высокое зна
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.