научная статья по теме ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ ПОДЛОЖКИ GAAS НА СОСТАВ СЛОЕВ GA XIN 1-XP Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ ПОДЛОЖКИ GAAS НА СОСТАВ СЛОЕВ GA XIN 1-XP»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2004, том 40, № 4, с. 391-394

УДК 54-165

ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ ПОДЛОЖКИ

ОаАэ НА СОСТАВ СЛОЕВ Оа^щ _ХР

© 2004 г. В. В. Кузнецов*, Л. С. Лунин**, В. И. Ратушный**, Э. В. Олива**, М. В. Шишков**

*Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, **Южно-российский государственный технический университет, Новочеркасск

Поступила в редакцию 05.05.2003 г.

Исследовано влияние кристаллографической ориентации подложки ОаАв на состав твердого раствора Оах1пх _ ХР, полученного методом жидкофазной гетероэпитаксии. Показано, что твердый раствор Оах1пх _ХР, изопериодный ОаАв, может быть выращен в одинаковых технологических условиях на подложках ОаАв с кристаллографической ориентацией (100), (111)А и (111)5 при использовании жидких фаз различного состава. Полученные результаты объясняются энергетическим вкладом межфазной поверхностной энергии границы раздела кристалл/расплав в полную избыточную энергию смешения твердого раствора.

Эпитаксиальное осаждение твердого раствора ваХ1п1 _ ХР проводили при 1025 К в традиционном горизонтальном кварцевом реакторе в очищенном потоке водорода с использованием графитовой кассеты пенального типа. Пересыщение создавали начальным переохлаждением раствора-расплава на величину Дх — 10°С с последующим равномерным охлаждением со скоростью 1°С/мин в течение 2 мин. В качестве исходных компонентов шихты использовали 1п, ва и нелегированный поликристаллический 1пР. Применяли подложки ваАв с кристаллографической ориентацией (100), (111)А и (111)5.

Содержание ваР в твердом растворе определяли по положению максимума краевой полосы фотолюминесценции при 300 К. Связь состава и ширины запрещенной зоны в ваХ1п1 _ ХР определяется выражением [1]

Б^, ( х ) = 1.351 + 0.727Х + 0.702Х2 (300 К)

Погрешность определения состава при данном подходе не превышала 3%.

Результаты экспериментов приведены на рис. 1. Анализ результатов проводили по методике [2] в рамках модели простых растворов с использованием когерентной фазовой диаграммы и с учетом массопереноса компонентов в жидкой фазе. Результаты расчетов также изображены на рис. 1. Как видно, использованные модельные представления не дают корректного объяснения для зависимости состава твердых растворов ваХ1п1 _ ХР от кристаллографической ориентации подложки ваАв. Это может быть связано с тем, что используемые модели [3] не учитывают в гетерогенных равновесиях вклада межфазной поверхностной энергии в полную энергию смешения. В то же время, являясь поверхностной фазой переменно-

го состава, граница раздела может вносить при определенных условиях существенные коррективы в общую картину гетерогенных равновесий.

На основании изложенного полную энергию смешения гетерогенной твердой фазы ваХ1п1 _ ХР/ваАв целесообразно представить в виде суммы

¿~,вХ

(1)

где О^ - избыточная энергия смешения ненапряженной твердой фазы, Оетх - упругая энергия

деформированного эпитаксиального слоя, Отх -энергия границы раздела кристалл/расплав.

Т= 1025 К

ОаР в твердом растворе, мол. %

55 Г- - - Равновесный солидус 54 _— Когерентный солидус/ • (111) В ■ (111) А '

53 52 51 50 49 48 47 46

1.1 1.2 1.3

Оа в жидкой фазе, ат. %

Рис. 1. Зависимости состава твердого раствора в гетеро-структуре ОаХ1п1 - ХР/ОаАв от содержания Оа в расплаве.

Таблица 1. Результаты расчетов избыточной составляющей межфазной энергии

Ориентация подложки GaAs as, Дж/моль sl аэксп , Дж/моль

(100) 20500 5300

mm 17530 2330

(111)5 11300 -3900

Примечание. Равновесное значение as составляет 15200 Дж/моль.

Избыточную составляющую межфазной поверхностной энергии определяли как разницу между параметром межатомного взаимодействия ненапряженной твердой фазы для изопериодного ваЛв твердого раствора ва^Их _ хР (х = 0.5) и интегральным параметром взаимодействия, учитывающим кристаллографическую ориентацию подложки. Полученные результаты систематизированы в табл. 1. Видно, что избыточная составляющая межфазной поверхностной энергии убывает при изменении кристаллографической ориентации подложки в последовательности (100) —(111)А —-—► (111)5. Такая же последовательность наблюдается при исследовании других подложек и при иных составах жидких фаз [4—6].

Как известно, величина межфазной поверхностной энергии для твердых тел не равна поверхностному натяжению и является кристаллографически анизотропной. В свою очередь поверхностное натяжение зависит от состава сосуществующих фаз, температуры и кристаллографической ориентации, т.е.

а = /({Ш}, 7\х!,Х*,-).

Тогда межфазная поверхностная энергия границы раздела монокристалл/расплав может быть определена по выражению [7]

3 1/3

rsi . (2-3cosб + cos 6Л

Gmix — As Gl

(2)

As — „

s 2

lV3 Na

(3)

методом "лежачей капли" по методике [9]. Результаты расчетов, проведенных с использованием выражений (2) и (3) и имеющихся данных по поверхностному натяжению расплава и контактным углам [4], близки к значениям аЭксп, определенным нами ранее (табл. 1).

Кроме указанной методики, для определения значений межфазной поверхностной энергии для кристаллографических ориентаций (111)А и (111)5 использовали подход, предложенный в [8]

Gsi = ksAs AHN0

-2/3

Na

(4)

где АН - энтальпия растворения; N - число атомов на единицу объема кристалла; к, - эмпирический параметр, определяемый кристаллографической ориентацией и свойствами границы раздела кристалл/расплав.

Энтальпию растворения материала выражали в соответствии с[8]

А Н = ХЛ ХБаЛБ + ХЛ ХС аЛС + ХБ ХС аБС + ХЛ НА +

+ X B H B + X C H C -1 х (1 - х )а

х l

AC-BC - 4 aAC "

1 - х l

1

2

aAC - о HA -

1 - х l 1

(5)

Hr, - - Hr +

где G - поверхностное натяжение расплава; б -контактный угол; As - площадь монослоя, образованного половиной моля атомов III или V группы.

Для кристаллографической ориентации (111) соединений AmBV площадь поверхности для случая, когда все атомы III или V группы составляют поверхностный монослой, может быть определена по уравнению [8]

+ xTfA C A^A c + (1- х) T B C A^B C,

где - мольная доля компонента в расплаве, а1 -

параметр взаимодействия в жидкой фазе, н\ - эн-

/ /

тальпия растворения компонента, АS¡j и Т^ - энтропия и температура плавления бинарных соединений.

Результаты расчетов, проведенных по уравнению (4), приведены на рис. 2. Видно, что значение межфазной поверхностной энергии слабо меняется при изменении в широких пределах состава жидкой фазы по ва и коррелирует с величинами, определенными ранее (см. табл. 1).

Расчет фазовых равновесий в системе ва-1п-Р проводили по уравнениям из [2] с использованием коэффициентов активности, учитывающих вклад межфазной поверхностной энергии для подложки ваЛв (111)А и (111)5:

где а - параметр решетки твердого раствора, N -число Авогадро.

Необходимые данные по поверхностному натяжению расплава получали экспериментально

RT ln (уАсхАс) — RTln

i \

i i i i 4хахсУаУ c

sl sl

, YaYc

2

ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ

393

+ А ^ с (T А с- T)

RT 1п (у Вс хВс) = RTln

С. г г г 1\ 4хвХсУвТс 81 81 У вУ с

(6)

+

+ А^В с( ТВ с- Т),

где коэффициенты активности в твердой фазе принимают вид

RT 1пУ8 = Л ( ОтП )

ОПц

RT 1п У Ас = а5хВс + О (а Ас хАс + 2 аАс хАс хВс + + ( 2аАсаВс — аВс ) ХВс ) + + —1—(а - ашЪ)(2аас - а - ашЪ)

(7)

2

2 ч 2

RT 1п у вс = ашъХ ас + О ((2 аАс авс- аАс) Хас +

2 2 2 2 2 + 2 авс хас Хвс + авс Хвс) +

+ "З (а - а8иЪ)(2аВс - а - азиЪ)

173 ЫАа, г 2-3 ео8 е + ео8 е3^1/3

О51, Дж/моль

4000 г

3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200

(111) В----(111) А

0

3 4 5

Оа в жидкой фазе, ат. %

Рис. 2. Зависимости поверхностной энергии от содержания Оа в расплаве.

^111 =

6 С44 ( С1 1 + С1 2 ) С11 + 2С12 + С44

Массоперенос компонентов в расплаве учитывали в приближении "полного перемешивания" жидкой фазы:

О = 2-

Здесь п - общее число молей бинарных компонентов в твердой фазе, пу - число молей бинарного соединения у в твердой фазе, а1у - параметр решетки бинарных компонентов твердого раствора, а5иЬ - параметр решетки подложки, а -параметр решетки твердого раствора в свободном (недеформированном) состоянии, "Кщ - приведенный модуль упругости [10]

Хг = Ха + N g(Х01 - Х01)

Хг = Х01 + ( Х01 - Х01 )

X'

N =

X'

(8)

Таблица 2. Термодинамические параметры, использованные при расчетах

То ар = 1743 К [8] яОа = -269500 Дж/моль [8]

Т^ = 1333 К [8] И\п = -232200 Дж/моль [8]

А3£аР = 72.38 Дж/(моль К) [8] ЯР = -207500 Дж/моль [8]

АБ1Р = 63.6 Дж/(моль К) [8] е(111А) = 40° [5]

аОаР = 9966 - 14.64Т Дж/моль [8] е(111В) = 48° [5]

а!пР = 22430 - 21.67Т Дж/моль [8] аОаА8 = 5.6533 ^ [2]

аОа1п = 9623 Дж/моль [8] а1пР = 5.8688 А [2]

аОаР-1пР = 15200 Дж/моль [2] аОаР = 5.4509 А [2]

2

8

GaP в твердом растворе, мол. %

55 г

Т= 1025K

54 53 52 51 50 49 48 47

Когерентный солидус (111) B (111) A

1.0 1.1 1.2 1.3

Ga в жидкой фазе, ат. %

Рис. 3. Зависимости состава твердого раствора в гете-роструктуре Оах1п1 - хР/ОаЛв от содержания Оа в расплаве с учетом влияния поверхностной энергии.

I и 1 ,

где - состав пересыщенной жидкой фазы, х0;,

х0 - составы твердой и жидкой фаз после полного снятия пересыщения, Ng - доля кристаллизуемой твердой фазы, N. = - доля растворяющейся твердой фазы, п\ и п. - общее число молей компонентов в исходной жидкой и твердой фазах.

Термодинамические параметры, использованные при расчетах, приведены в табл. 2. Результаты расчета по уравнениям (6), (7), (8) с учетом упругих напряжений и массопереноса компонентов расплава представлены на рис. 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Определено влияние межфазной поверхностной энергии на состав твердого раствора вах1п1 - хР при жидкофазной эпитаксии на подложке ОаЛв с кри-

сталлографической ориентацией (111)А и (111)5. Показано, что избыточная составляющая межфазной поверхностной энергии убывает в ряду (100) - (111)А - (111)5, что адекватно отражается на характере изменения состава получаемого твердого раствора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Vurgaftman I, Meyer JR., Ram-Mohan L.R. Band Parameters for III-V Compound Semiconductors and Their Alloys // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. P. 5815-5875.

2. Кузнецов ВВ., Москвин П.П., Сорокин B.C. Н

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.

Показать целиком