ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 9, с. 94-98
УДК 621.325
ПРОЦЕССЫ ВЫРАЩИВАНИЯ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО
РАСТВОРА-РАСПЛАВА
© 2004 г. И. Е. Марончук1, М. В. Найденкова2, В. В. Курак1, А. И. Марончук1
1Херсонский государственный технический университет, Херсон, Украина 2Калифорнийский университет, Лос-Анджелес, США Поступила в редакцию 27.01.2003 г.
Рассмотрены процессы тепло- и массопереноса и кристаллизации эпитаксиальных слоев нанораз-мерной толщины при импульсном охлаждении тыльной стороны подложки, находящейся в контакте с насыщенным раствором-расплавом, в зависимости от толщины теплопоглотителя, разности температур теплопоглотителя и раствора-расплава и определены технологические условия выращивания слоев с заданными параметрами. Фотолюминесценция и высокоразрешающая дифракция рентгеновских лучей показали наличие квантоворазмерных слоев ОаАз толщиной от 1 до 12 нм в выращенных гетероструктурах. Выращивание квантовых точек осуществлялось в системе 1пА$-ОаАз. Спектры фотолюминесценции образцов, полученных на подложках с ориентацией (100), свидетельствуют о наличии квантовых точек одного размера, а на разориентированных на 4° в направлении [110] - двух размеров.
ВВЕДЕНИЕ
ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ
Дальнейшее развитие электроники в значительной мере связывают с развитием наноэлектроники, основными элементами которой являются низкоразмерные структуры [1]. По своим физическим характеристикам их обычно подразделяют на структуры с квантовыми ямами (квазидвумерные слои и квазиодномерные проволоки) и с квантовыми точками (квазинуль-мерные структуры). Принципиальное отличие этих структур заключается в том, что в структурах с квантовыми точками свойства электронов и дырок нельзя описать на основе представлений о газе квазичастиц, которые применимы для структур с квантовыми ямами.
Технология получения структур с квантовыми точками также занимает особое положение, так как для получения таких структур требуется разработка новых нестандартных самоорганизующихся процессов.
Получение низкоразмерных структур, которые содержат от нескольких десятков до нескольких сотен слоев нанометровой толщины, стало возможным в связи с развитием МОС-гидридной и молекулярно-лучевой эпитаксии. Однако высокая стоимость технологического оборудования, специфические дефекты в структурах, полученных этими методами, требуют поиска альтернативных методик. В качестве такой альтернативы для получения низкоразмерных гетероструктур и гетерокомпозиций был предложен метод импульсного охлаждения раствора-расплава [2].
При выращивании низкоразмерных слоев с импульсным охлаждением раствора-расплава подложка при температуре Т1 приводилась в контакт с насыщенным при этой температуре раствором-расплавом. Затем к тыльной стороне подложки подводился теплопоглотитель (вставка на рис. 1), температура которого Тп на величину ДТ = Т1 - Тп была меньше, чем температура подложки. Через некоторое время т теплопоглотитель нагревался до температуры Т1, но в течение этого времени происходило охлаждение подложки и слоя раствора-расплава, находящегося вблизи лицевой поверхности подложки, что и приводило к наращиванию эпитаксиального слоя.
Толщина выращиваемого слоя определялась распределением температуры в системе теплопо-глотитель-подложка-раствор-расплав и ее изменением во времени, т.е. функцией:
Т(г) = Т1 + Тн (г, г).
Здесь Тн(г, г) удовлетворяет нестационарному уравнению теплопроводности:
ЭТ н
.Э2 Т н
ЭТ = х(г)"Э? при
§1 ^ г <§2, х(г) =
%1 при - 81 < г < 0, Х2 при 0 < г < §2,
а также начальным граничным условиям на внешних границах системы и на границе теплопо-
- 5з §2
Теплопогло-титель
\
Подложка
Раствор-расплав
- §з 0
^2 г
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 г, см
Рис. 1. Распределение температуры в системе теплопоглотитель-подложка-раствор-расплав в течение t, с: 0.05 (1), 0.15 (2), 0.25 (3), 0.35 (4).
глотитель-подложка:
Г-ЛТ = Тн - Т-5! < г < -8э, Т■(*0' = {0, -8з < г < 8>2.
Тн(-8!, г) = Тн(82, г), Тн(- 83-0, г) = Тн(- 5з + 0, г),
. ЭТн(- 8з-0, г) . ЭТн(- 8з + 0, г)
---- = ^з—
д г
д г
Таблица 1. Значения длительности импульса холода и толщины эпитаксиальных слоев 1пАв при различной толщине теплопоглотителя 8 и различных значениях импульса холода ЛТР на фронте кристаллизации
ЛТр, °С Длительность импульса холода т, с
8 = 0.1 см 8 = 0.3 см 8 = 0.5 см
2 0.028 0.1 0.72
5 0.0375 0.122 0.895
10 0.045 0.14 1.025
Толщина эпитаксиальных слоев к, нм
ЛТР, °С Т = 400°С Т=500°С
8 = 0.1 8 = 0.3 8 = 0.5 8 = 0.1 8 = 0.3 8 = 0.5
см см см см см см
2 0.93 1.76 4.73 4.32 8.16 21.89
5 2.60 4.72 12.80 12.13 22.04 59.68
10 5.46 9.64 26.08 25.80 45.50 123.11
Здесь %1, - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности материалов тепло-поглотителя и подложки, которые предполагались одинаковыми; %2, - эти же коэффициенты для раствора-расплава.
На рис. 1 представлено в качестве примера распределение температуры в системе теплопо-глотитель-подложка-раствор-расплав при использовании в качестве теплопоглотителя пластины графита толщиной 0.51 см, подложки толщиной 0.04 см и слоя раствора-расплава толщиной 0.15 см при х1 = 1.486 см2/с, %2 = 0.2 см2/с, = = 1.54 Дж/(см • с • град), = 0.5 Дж/(см с град) при Т1 = 700°С, ЛТ = 100°С.
Минимальное переохлаждение, необходимое для кристаллизации ваАв из раствора-расплава, составляет 0.025°С [3], и следовательно, из условия Тн(0, Лг) = 0.025 можно определить длительность импульса холода т, а значит и толщину кристаллизуемого слоя.
В табл. 1 представлены значения длительности импульса т и толщины Н эпитаксиальных слоев 1пАв при двух температурах процесса для различных значений толщины теплопоглотителя 8 и
Л ТР
на
различных значений импульса холода фронте кристаллизации.
Как следует из данных табл. 1, низкоразмерные слои одинаковой толщины могут быть получены при больших величинах ЛТ и малых толщинах теплопоглотителя 8, либо при малых величинах ЛТ и больших значениях толщины теплопоглотителя, т.е. при различных скоростях нарастания пересыщения и градиентах температуры в растворе. Вы-
бор оптимальной скорости нарастания пересыщения представляется важным, так как она влияет на нестационарные процессы зарождения и определяет соотношение гетерогенной и гомогенной кристаллизаций.
В зависимости от величины угла смачивания б, градиента температуры в растворе-расплаве и т при наличии большого пересыщения на фронте кристаллизации возможна либо только гетерогенная кристаллизация, либо одновременно с гетерогенной и гомогенная кристаллизация.
Характеристическая скорость диффузии в
жидкой фазе VI, = 4ОТг, а скорость изменения
температуры vT = 4%Тг, т.е. в 4%ТЬ раз выше, чем скорость диффузии. Атомы растворенного вещества, формирующие гетерогенный зародыш, за время импульса холода т успевают продиффундировать к подложке, если они находятся на расстоянии Ьв =
= -/ОтТЛ. Образование гомогенного зародыша в растворе ваАв-ва при ЖФЭ происходит при переохлаждении раствора ДТ > 10°С. Это позволяет оценить градиенты температуры, при которых за время т будет происходить гомогенное зароды-шеобразование.
Все вышеперечисленное позволяет определить режимы формирования идеальных гетероструктур типа А1хва1 _ ^Ав-ваАв с квантовыми ямами методом импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава, если известны материалы растворителя, кристаллизуемого вещества, подложки и заданы толщины квантово-размерных слоев.
В случае получения гетероструктур с сильно различающимися параметрами решеток сращиваемых материалов и при формировании нуль-мерных структур необходимо учитывать механические напряжения, возникающие в таких структурах при кристаллизации. Движущая сила процесса кристаллизации, определяемая разностью химических потенциалов атомов кристаллизуемого вещества в жидкой и твердой фазах, в этом случае будет определяться выражением:
ДЦн = Цж - Цкр - и(г) = Дц - и(г),
где Дц - разность химических потенциалов атомов в жидкой и твердой фазах в недеформирован-ном кристалле; и(г) - энергия деформации, приходящаяся на атом в квазинуль-мерном островке, зависящая от координаты г атома. При увеличении энергии деформации атома с ростом г для такого атома Дцн —► 0, и при Дцн < 0 процесс кристаллизации сменяется на процесс растворения, т.е. формирование гетероструктур с сильно различающимися параметрами решеток происходит в виде островков по механизму Франка-ван-дер-Мерве. Эти островки будут формироваться на участках поверхности подложки между дислока-
циями несоответствия, которые образуются на гетерогранице для материалов с постоянными решетки а1 и а2 с плотностью (а1 - а2)/а1а2 = Да/а2, где а ~ а1 ~ а2.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Гетероструктуры в системе АЮаАв-ваАв с одиночной квантовой ямой выращивались при температуре кристаллизации Т1 = 600-750°С и температуре теплопоглотителя Тп = Т1 - ДТ, где 10 < ДТ < 100°С. В качестве растворителей использовались ва, 1п, Ы и сплавы на их основе. Выращивание осуществлялось в кассетах сдвигового типа с неполным удалением расплава с поверхности подложки и в кассетах поршневого типа, что позволяло избежать окисления поверхности эпи-таксиальных слоев твердых растворов, содержащих алюминий.
Выращивание квантовых точек 1пАв осуществлялось из растворов в расплаве 1п, а формирование матричных слоев ваАв - в расплавах ва + 1п или Ы в сдвиговых кассетах с размещением подложки на поверхности раствора-расплава. Температура процесса выращивания варьировалась в интервале 400-500°С. Температура теплопоглотителя выбиралась таким образом, чтобы переохлаждение на фронте кристаллизации не превышало 5-7°С, и тем самым не происходило гомогенное зародышеобразование в объеме жидкой фазы. В качестве подложек использовались ориентированные пластины ваАв с ориентацией поверхности (100), а также разориентированные на 4° от (100) в направлении [110].
Фотолюминесценция (ФЛ) при 77 и 300 К возбуждалась гелий-неоновым лазером мощностью Ртах = 20 мВт и аргоновым лазером с Ртах = 5 Вт. В качестве фотоприемника использо
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.