« Темплетні шари для наногетероструктур Si/А3В5 | Главная | Особенности программного обеспечения микропроцессорного управления RGB источниками белого света на интегральных матрицах светодиодов »
Ионно-твердофазная наноэпитаксия гетероструктур арсенида-нитрида галлия
Автор: admin | 22 Апр 2010
УДК 621.315.592.2
Ионно-твердофазная наноэпитаксия гетероструктур арсенида-нитрида галлия
В.И. Осинский, д-р техн. наук, В.Г. Вербицкий, д-р техн. наук, В.И. Глотов, Д.О. Мазунов, канд. физ. -мат. наук
Предложен нетрадиционный метод получения гетерогенных наноструктур арсенидов-нитридов
галлия путем замещения части атомов мышьяка низкоэнергетичными ионами азота в твердой фазе монокристаллической пленки арсенида галлия. Экспериментально получены нанослои GaAs1-хNх в низкоэнергетической плазме азота. Показана возможность замещения атомов мышьяка атомами азота при сравнительно низкой температуре при условии достижения энергии ионов, необходимой для разрыва в достаточном количестве химических связей Ga–As и встраивания атомов азота в пленку с образованием локальной фазы GaAsN.
The alternative method of GaAs-GaN heterogenous nanostructures obtaining is suggested. The one consists in the substitution of the part of arsenic atoms for low-energy nitrogen ions in the solid phase of gallium arsenide monocrystalline film. The GaAs1-хNх nanolayers are experimentally grown in the low-energy nitrogen plasma. The replacement of arsenic atoms for nitrogen atoms is demonstrated under relatively low temperatures. It is shown that ions must reach energy necessary for breakdown of the Ga–As chemical bonds and for N atoms embedding in the film. These processes lead to the local GaAsN phase formation.
Введение
Современная гетероэлектроника основана на варьировании основным составом полупроводниковых соединений и их твердых растворов в микро- и нанообластях [1]. При определенных термодинамических условиях (объем, температура, давление, энергия связи) все соединения А3В5 теоретически образуют непрерывные ряды твердых растворов [2], однако в практически реализуемых областях технологических параметров существуют области плохой взаимной растворимости соединений А3В5. К таким твердым растворам относятся средние составы четырехкомпонентной системы InGaAsР[3], InGaN, GaAsN и некоторые другие. В работе [1] предложено использовать ионные технологии расширения областей растворимости соединений А3В5, которые широко применялись нами при получении труднорастворимых составов многокомпонентной системы InGaAsP [4]. При обычных температурах и давлениях плохо взаимно растворяются средние составы арсенидов и нитридов галлия – двух базовых соединений гетероэлектроники. Интерес к трехкомпонентной системе твердых растворов арсенида-нитрида галлия объясняется по меньшей мере тремя причинами. Во-первых, они являются «мостом» между системой твердых растворов нитридов и арсенидов-фосфидов – двух основных составов многокомпонентных твердых растворов, которые теоретически обеспечивают перекрытие всего видимого спектра излучения светодиодов и лазеров, а также селективной фоточувствительности фотоприемников. Однако реальная взаимная растворимость арсенида и нитрида галлия в применяемых традиционных технологиях имеет значительные области нерастворимости средних составов [3]. Во-вторых, плохо растворимые составы в нанообластях могут создавать квантовые точки арсенидов в матрице нитридов, что стимулирует теоретические и экспериментальные исследования механизмов и условий их образования и стабильного существоваия, которые сильно отличаются от традиционных подходов для массивных кристаллов и микроскопических эпитаксиальных структур. В третьих, арсениды и нитриды галлия находят широкое применение в сигнально-осветительной и телекоммуникационной технике благодаря своим уникальным параметрам: на их основе создаются светодиоды и лазеры в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах длин волн, полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ), работающие на частотах выше 100 ГГц при мощности десятки ватт, способные функционировать при температурах ~400 оС, селективные фотоприемники с подавлением чувствительности к солнечному излучению до 105 раз, сенсоры физических и биологических величин. Для формирования нанослоев приборных гетероструктур на основе бинарных соединений и их твердых растворов широкое распространение получили методы молекулярно-лучевой и МОС-гидридной эпитаксии. В этих процессах необходимые атомные составы твердых растворов задаются потоками соответствующих элементов III и V групп или молекул их соединений, находящихся при тепловых энергиях порядка kТ. Установлено, что при выращивании гетероструктур соединений А3В5 скорость роста определяется главным образом скоростью поступления на подложку атомов элементов третьей группы. Изменяя эту скорость, можно управлять скоростью роста, задавая соответствующую программу в широких пределах от очень малой (~1 Å/с) до сравнительно высокой (50 Å/с). Низкая скорость роста используется при необходимости контролировать толщины и атомный состав предельно малых нанообластей, например, квантовых точек. При получении многокомпонентных твердых растворов [2] это требует чрезвычайно сложной схемы и программы компьютерного управления, которая еще больше усложняется кинетикой встраивания атомов пятой группы. В настоящей работе предложен новый подход к наноэпитаксии гетероструктур А3В5, состоящий в замене только атомов пятой группы в сформированной кристаллической решетке, которая остается квазистабильной в процессе эпитаксии. Несмотря на большой научный и практический интерес к наноэпитаксиальным структурам зонной инженерии твердых растворов арсенидов-нитридов галлия и родственных им составов А3В5, поиск адекватных методов эпитаксии в литературе недостаточен. Многие авторы, получая реальные гетерогенные наноструктуры, не решаются отказаться от модели нерастворимости, справедливой для объемных кристаллов. Такая позиция тормозит работы по нетрадиционным методам получения наноразмерных гетероструктур для практических целей. В настоящей работе предпринята попытка разработки альтернативного метода получения гетерогенных наноструктур арсенидов-нитридов галлия путем замещения части атомов мышьяка низкоэнергетичными ионами азота в твердой фазе монокристаллической пленки арсенида галлия. Для увеличения энергии и подвижности встраиваемых в решетку элементов предложено подавать их в зону роста из низкоэнергетической плазмы в виде низкоэнергетических ионов с энергией порядка единиц и десятков электронвольт. Технологически удобной и практически важной системой является твердый раствор арсенида- итрида галлия, выращенный на подложке арсенида галлия путем замещения части ионов мышьяка с ионным радиусом 0,118 нм на ионы азота с меньшим радиусом 0,071 нм. Особенности получения монокристаллических наноструктур из низкоэнергетической плазмы интересна тем, что ионы не нарушают, как в случае имплантации примесей, структуру кристаллической решетки и в то же время имеют высокую подвижность поверхностной и объемной миграции, которая осуществляет «мягкое» замещение атомов, аналогичное росту монослоев из жидкой фазы, каталитическое действие которой обеспечивает высокое совершенство и бездислокационность микро- и наноструктур арсенида галлия, получаемых по механизму пар -жидкость — твердое тело (ПЖТ) [5]. Глубокое понимание механизмов образования гетероструктур GaAsN/GaAs при обработке арсенида галлия в низкоэнергетической плазме азота открывает путь к их управляемому росту и определению условий, обеспечивающих не только ориентированный рост, но и стимулирующих самоорганизацию ансамблей квантовых точек арсенидов в матрице нитридов, перспективных для создания новых приборов, таких как, например, квантовые компьютеры [6].
Полный текст статьи: Ионно-твердофазная наноэпитаксия гетероструктур арсенида-нитрида галлия
Темы: Твердотельная электроника | Комментариев нет