НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2012, том 48, № 2, с. 133-135
УДК 546.681:19
РАСПАД ПЕРЕСЫЩЕННОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА ЖЕЛЕЗА В GaAs
© 2012 г. И. А. Прудаев*, С. С. Хлудков*, А. К. Гутаковский**, В. А. Новиков*,
О. П. Толбанов*, И. В. Ивонин*
*Томский государственный университет **Институт физики полупроводников СО Российской академии наук, Новосибирск
e-mail: prudaev@rid.tom.ru Поступила в редакцию 09.12.2010 г.
Методами магнитно-силовой микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии исследован распад твердого раствора железа в арсениде галлия при температуре 900°С. Установлено, что в процессе 3-часового отжига в GaAs, легированном Fe, происходит формирование ферромагнитных включений дисковой формы диаметром 50—500 нм и толщиной 1.5—50 нм. Концентрация включений составляет в среднем 1011 см-3. Оцененное время распада твердого раствора при данной температуре не превышает 1 ч.
ВВЕДЕНИЕ
Арсенид галлия, легированный примесями железа или хрома, используется для изготовления различных приборов: фотоприемников, лавинных 8-диодов, детекторов ионизирующего излучения, а также является перспективным материалом для изготовления устройств спинтроники [1]. Структуры для данных приборов при изготовлении подвергаются различным высокотемпературным обработкам, в ходе которых возможно неконтролируемое протекание распада полупроводникового раствора. При этом скорость распада во многом определяется коэффициентами диффузии, которые для примесей Бе и Сг сопоставимы и достигают больших значений при температуре легирования, Б ~ 10-9—10-8 см2/с [2, 3]. Распад может приводить к появлению новых свойств материала, например к увеличению времени жизни носителей заряда вследствие "гофрировки" энергетических зон [4]. Ранее, в работе [5], методами атомно-силовой микроскопии исследовались структуры из СаАз, легированного Бе. Было установлено, что в процессе 3-часового отжига при 900°С в объеме образцов СаАз—Бе формируются включения второй фазы дисковой формы с диаметром до 1 мкм. В настоящей работе приводятся результаты дополнительных исследований, проведенных методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и магнитно-силовой микроскопии (МСМ) во внешнем магнитном поле. Обсуждается природа второй фазы, приводятся оценки концентрации включений и времени распада твердого раствора.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Арсенид галлия легировали железом в процессе диффузии при температуре 1100°С в откачанных кварцевых ампулах при давлении паров мы-
шьяка 0.1 МПа по методике [3]. Использовались пластины GaAs, ориентированные по плоскости (100), толщиной 400 мкм из двух слитков, выращенных по методу Чохральского, легированных теллуром. Исходная концентрация электронов составляла 6 х 1016 и 1 х 1017 см-3, плотность дислокаций 5 х 104 см-2. Диффузию проводили с двух сторон пластин, так что профили Fe имели седлообразный вид [5]. Удельное сопротивление GaAs в результате компенсации железом составляло 104105 см-3. Часть пластин, легированных при 1100°С и подвергнутых резкому охлаждению, отжигалась при 900°C в течение 3 ч, также в ампулах при 0.1 МПа мышьяка. Предполагалось, что распад раствора происходит в процессе дополнительного отжига.
Привлекались две методики измерения: МСМ для образцов, находящихся во внешнем магнитном поле, и ПЭМ.
Для проведения измерений методом МСМ пластины GaAs раскалывались по плоскости спайности. Измерения проводились в середине свежеприготовленного скола с использованием микроскопа Solver HV В процессе измерения поддерживалось постоянное количество точек (256 х 256), частота сканирования составляла 2 Гц, использовали зонды с ферромагнитным покрытием NSG10/Co. Измерения проводились в полуконтактном режиме во внешнем магнитном поле 0.1 Тл.
Образцы для ПЭМ препарировались в виде тонких фольг, параллельных плоскости (100) с помощью струйного химического травления в растворе 3H2SO4 + 1H2O2 + 1H2O. Травление проводилось с одной из сторон до появления отверстия на противоположной стороне. Толщина прозрачных для электронов участков GaAs, прилегающих к отверстию, составляла 10-500 нм, а суммарная площадь - несколько сотен мкм2.
134
ПРУДАЕВ и др.
(а)
нм 160 80 нм
800
нм
400
(б)
1000
500
50.35-
50.30-
500 нм
1000
ры включений в диаметре составляют от 100 до 600 нм, толщина — десятки нанометров. Включения располагаются параллельно плоскостям {100}. Картины муара и дифракции быстрых электронов указывают на упорядоченную решетку второй фазы (рис. 2). При этом кристаллическая структура обладает кубической симметрией. Оценки показывают, что концентрация частиц второй фазы может составлять от 5 х 1010 до 5 х
1011
см
Рис. 1. АСМ-изображение скола (а) и соответствующее МСМ-изображение (б).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Измерения топологии рельефа показали, что на поверхности сколов образцов, подвергнутых дополнительному низкотемпературному отжигу при 900°С, в области атомарно-гладкой либо ступенчатой поверхности наблюдаются локальные неоднородности, размер которых, как правило, составляет 50—500 нм в диаметре и 1.5—50 нм в высоту. Во внешнем магнитном поле намагничиваются наиболее крупные из них, диаметром 300—500 нм. На рис. 1 представлены топология рельефа поверхности скола и соответствующее ему МСМ-изображение. Как видно из рис. 1а, на одной из ступеней, образованной при скалывании образца, присутствует выступ, который во внешнем магнитном поле намагничивается, принимая форму магнитного домена в МСМ-моде (рис. 1б).
Измерения методом ПЭМ показали, что в материале после отжига появляются пластинчатые включения с формой, близкой к дисковой. Разме-
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Ранее распад раствора Fe в GaAs исследовался методами сканирующей зондовой микроскопии в работе [5]. В настоящей работе исследования проводились с использованием ПЭМ и МСМ во внешнем магнитном поле. Результаты данной работы согласуются с результатами работы [5]. Как и в работе [5], после распада раствора наблюдаются включения схожих размеров и форм. Доменная структура, выявленная для крупных включений во внешнем магнитном поле, указывает на ферромагнитные свойства обнаруженных частиц.
Согласно ранее проведенным исследованиям [6—8], в системе Fe—Ga—As ферромагнитными являются раствор As и Ga в a-Fe, двойное соединение Fe3Ga и тройное соединение Fe3Ga2 _ xAsx. Первые две фазы имеют кубическую решетку, третья — гексагональную [8]. Картина дифракции для фаз, обнаруженных в нашей работе (рис. 2б), совпадает с картиной для раствора As и Ga в a-Fe и соединения Fe3Ga [9].
Параметр решетки GaAs является фактически удвоенным параметром решетки обнаруженной фазы aGaAs = 2aa-Fe = 2aF%Ga. Удвоение рефлексов, наблюдаемое на картине дифракции (рис. 2б), может быть следствием слабой разориентации кристаллической решетки включения относительно решетки GaAs. Для более точного определения второй фазы следует привлекать дополнительные экспериментальные методы, что является предметом нашего дальнейшего исследования.
Оценим время, за которое в GaAs выделится 90% от общего объема равновесной фазы. При этом будем считать, что распад протекает статистически однородно по всему объему за счет образования зародышей дисковой формы. Тогда, согласно теории Хэма, уравнение кинетики распада Авраамии может быть записано следующим образом [10]:
% = 1 - 2.1exp(-Kт),
где K = 3Z>(FC0)1/3(2nNp/3)2/3F. В данном уравнении величина £, является относительным выделившимся объемом равновесной фазы (в конце распада £, = 1); т — время распада; D — коэффициент диффузии; V — объем, приходящийся на атом при-
X
0
0
нм
0
0
РАСПАД ПЕРЕСЫЩЕННОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА ЖЕЛЕЗА В GaAs
135
Рис. 2. ПЭМ-изображение включения второй фазы в GaAs (a) и соответствующая картина дифракции быстрых электронов (б).
меси в выделяющейся фазе; С0 — исходная концентрация примеси в первой фазе; Np — концентрация центров выделения (зародышей); F — фактор, зависящий от формы центров выделения.
Учитывая, что на элементарную ячейку фазы a-Fe с параметром решетки aGaAs/2 приходится 2 атома, можно оценить величину V. Величину F для простоты положим равной 1 (таким образом будем оценивать максимально возможное время распада). При найденном в эксперименте среднем значении Np = 1011 см—3 и известных D = 6 х
х 10—10 см2/с и С0 = 3 х 1017 см—3 [3, 5] время, за которое распад пройдет на 90%, будет составлять =53 мин.
Оцененное время сравнительно мало, что указывает на возможность частичного распада уже в процессе охлаждения образцов после высокотемпературной диффузии. Это в свою очередь должно приводить к неконтролируемому формированию гетерогенных систем при изготовлении приборов из GaAs, легированного быстродиффундирующи-ми примесями Fe или Cr.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показано, что в процессе отжига при температуре 900°С в GaAs, легированном Fe, происходит формирование ферромагнитных включений a-Fe (либо Fe3Ga) дисковой формы диаметром 50— 500 нм и толщиной 1.5—50 нм. Концентрация включений составляет в среднем 1011 см—3. Оцененное время распада раствора GaAs—Fe при данной температуре не превышает 1 ч.
Работа выполнена в рамках проектов ФЦП (16.740.11.0231), АВЦП (2.1.2/12752) и РФФИ (07-02-00314-а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хлудков С.С. Разбавленные магнитные полупроводники и приборы на основе спинзависимых явлений // Изв. вузов. Физика. 2010. № 9/3. С. 30—31.
2. Ардышев М.В., Прудаев И.А., Толбанов О.П., Хлудков С.С. Диффузия хрома в GaAs в открытой системе // Неорган. материалы. 2008. Т. 44. № 9. С. 1036— 1040.
3. Прудаев И.А., Хлудков С.С. Диффузия и растворимость электрически активных атомов железа в ар-сениде галлия // Изв. вузов. Физика. 2008. № 11. С. 39—41.
4. Ayzenshtat G.I. et al. GaAs Structures for X-ray Imaging Detectors // Nucl. Instr. Meth. Phys. Research. 2001. V. 466. P. 25—32.
5. Хлудков С.С., Прудаев И.А., Новиков В.А. и др. Исследование процесса распада пересыщенного твердого раствора GaAs : Fe методом сканирующей зондовой микроскопии // ФТП. 2010. Т. 44. № 8. С. 1009—1012.
6. Okamoto H. The As—Fe (Arsenic—Iron) System // J. Phase Equilibria. 1991. V. 12. № 4. P. 457—461
7. Okamoto H. The Fe—Ga (Iron—Gallium)
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.