Исследование процессов формирования короткопериодных сверхрешеток InAs/GaAs и GaAs/AlAs при молекулярно-лучевой эпитаксии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Г-,

с?;

(■': V

г>_

сг: на правах рукописи

см

Г'

Мошегов Николай Тимофеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ КОРОТКОПЕРИОДНЫХ СВЕРХРЕШЕТОК ГпАв/ОаАв И ОаАя/А^в ПРИ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ.

Специальность 01.04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск, 1997

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Торопов А.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ольшанецкий Б.З.

кандидат физико-математических наук Величко А.А.

Ведущая организация:

Томский Государственный Университет, физический факультет, кафедра физики полупроводников, г.Томск

Защита состоится 20 мая 1997 г. в 15 часов на заседании Диссертационного Совета при Институте физики полупроводников Сибирского отделения РАН (630090, г. Новосибирск-90, прЛаврентьева, 13)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики полупроводников СО РАН.

Автореферат разослан 4 апреля 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета доктор физ.-мат. наук, профессор

А.В.Двуреченский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие технологии выращивания пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) к настоящему времени достигло уровня, при котором стало возможным создание полупроводниковых сверхрешеток (СР), структур с квантовыми ямами (КЯ), многослойных структур с размерами отдельных слоев вплоть до одного монослоя. Практическое использование уникальных оптических и электрофизических свойств таких искусственно созданных структур связано с созданием новой элементной базы и разработкой на ее основе новейших приборов микро-, нано- и оптоэлектроники.

При росте гетероструктур, структур с КЯ и СР важнейшей проблемой является получение резких гетерограниц и высококачественных слоев составных материалов. Для большинства гомоэпитаксиальных бинарных соединений Аш-Ву, таких как СаАэ, 1пАз, 1пР, имеет место существенный прогресс в росте материала высокого качества. Получены и тройные соединения (СаА1А5, Оа1пА5, 1пА1Аз и др.) с объемными свойствами, отвечающими всем требованиям приборного применения. Однако, оптимальные условия выращивания этих материалов индивидуальны и могут существенно отличаться друг от друга. В связи с этим, при гетероэпитаксии, гетерограница является местом, где необходимо либо изменять условия роста (что не всегда возможно), либо выбирать некий компромисс (в ущерб свойствам объемных материалов). Поэтому до сих пор является актуальным исследование процессов формирования гетерограниц в различных условиях роста, определение структурного совершенства гетерограниц и их влияния на свойства получаемых структур.

Хотя на данный момент система ОаА5-А1Аз является наиболее изученной, все еще не до конца ясна природа различия в экспериментально наблюдаемых свойствах между прямой (А1Аз на ваАБ) и обратной (СаАв на А1Аб) границами. Также, нет четкой взаимосвязи между наблюдаемыми во время роста поверхностными сверхструктурами (ПСС) и свойствами гетерограницы.

Для сложной, с точки зрения роста, системы ^Аэ-СаАБ (несоответствие параметров решетки ~7%) условия оптимального выращивания напряженных СР, приводимые разными авторами, сильно различаются. Кроме того, СР обычно выращиваются на подложках ОаА$(001), реже на подложках 1пР(001) и практически нет сведений о

росте СР на подложках 1пА5(001), а наличие таких объектов позволило бы более полно исследовать свойства этой системы.

Актуальность данной работы заключается в том, что в ней проведен комплекс исследований т 5Ни процессов формирования гетерогра-ниц для систем 1пАз-ОаА5 и ОаА5-А1А5 при МЛЭ методом дифракции быстрых электронов на отражение (ДБЭ). Определены оптимальные условия получения высококачественных напряженных СР ¡пАз-ОаАв. Практически синтезированы напряженные СР 1пА5ЛЗаА5 на СаАз(001) и ОаАБЛпАэ на 1пА5(001) с большим отношением толщин слоев входящих материалов. Исследован процесс формирования прямой (А1Аэ на ваАБ) и обратной (ОаАв на А1Аз) гетерограниц. Построена диаграмма сверхструктурных переходов на ростовой поверхности А1Аз на СГаА5(001) и на основе ее определены области получения высококачественных короткопериодных СР А1А$ЮаА5 и объемного материала А1(Са)Аз. Значимость полученных результатов демонстрируется синтезом полупроводниковых структур для физических исследований и приборов микро- и оптоэлектроники.

Целью данной работы было исследование т ¿¡ш процессов формирования короткопериодных СР ГпАв-ОаАз и ОаАз-А1Аз при МЛЭ методом ДБЭ. При этом решались следующие задачи:

1. Определение оптимальных соотношений потоков атомов элементов У и III групп, а также температуры подложки во время эпитаксии для формирования наиболее качественных гетерограниц в СР.

2. Практический синтез короткопериодных напряженных СР 1пАвЮа.А& на СаАз(001), (ЗаАвЛпАа на 1пА$(001) и короткопериодных СР А1Аз/СаАз на СаАз(001) в условиях фазо-сшивающей эпитаксии.

Научная новизна работы. Впервые построена диаграмма зависимости скорости встраивания атомов Аб для системы 1пА$-СаАБ от температуры подложки во время роста и интенсивности падающего потока Аб4. Применение данной диаграммы позволило синтезировать высококачественные напряженные СР ТпАзЛЗаАэ на СаА$(001) и впервые СаАвЛнАв на 1пАз(001) с большим отношением толщин слоев входящих материалов.

В работе проведено комплексное исследование т яки прямой и обратной гетерограниц в системе А^-ОаАв методом ДБЭ. Впервые построена диаграмма сверхструктурных переходов на ростовой поверхности А1Аб на СаАБ(001) с учетом процесса сегрегации ва.

Синтезированы высококачественные CP InAs/GaAs и AlAs/GaAs, шероховатость гетерограниц в которых, по данным фотолюминесценции (ФЛ), просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ВРЭМ) и комбинационного рассеяния света (КРС), не превышала одного-двух монослоев. Наличие подобных объектов позволило впервые исследовать эффекты локализации оптических и свертки акустических фононов, определить дисперсию оптических фононов для компонентов CP методом КРС, в частности для AlAs, нестабильность которого затрудняет исследование дисперсии фононов традиционными методами рассеяния холодных нейтронов.

Практическая ценность работы. Построена диаграмма зависимости скорости встраивания атомов As для системы InAs-GaAs от температуры подложки во время роста и интенсивности падающего потока As<, на основе которой показана возможность получения высококачественных напряженных CP InAs/GaAs на GaAs(001) и GaAs/InAs на InAs(001) с большим отношением толщин слоев входящих материалов. Установлены основные закономерности формирования прямой и обратной гетерограниц в системе AlAs-GaAs. Определены условия, при которых сегрегация Ga играет существенную роль при формировании прямой гетерограницы. Построена диаграмма сверхструктурных переходов на ростовой поверхности AlAs на GaAs(OOl) с учетом процесса сегрегации Ga. Результаты работы использованы при росте конкретных структур для физических исследований и приборной реализации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика in situ определения отношения потоков атомов элементов III и V групп, непосредственно встраивающихся в растущую пленку.

2. Результаты экспериментальных исследований закономерностей роста напряженных высококачественных CP InAs/GaAs на GaAs(001) и GaAs/InAs на InAs(OOl).

3. Механизмы сдвига фазы осцилляций на временных зависимостях интенсивности зеркального рефлекса картины ДБЭ во время роста GaAs на GaAs(001).

4. Экспериментальные результаты исследования поведения интенсивности зеркального рефлекса картины ДБЭ при формировании прямой и обратной гетерограниц в системе AlAs-GaAs.

5. Построение диаграммы сверхструктурных переходов на ростовой поверхности AlAs на GaAs(001) по экспериментальным данным ДБЭ.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:

- VII Всесоюзной конференции по росту кристаллов; Симпозиум по МЛЭ, Москва, 1988 г.

- III Международном Симпозиуме по МЛЭ, Велико-Тырново, Болгария, 1989г.

- V Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам, Берлин, ГДР, 1990 г.

- VII Международной конференции по микроэлектронике, Минск, 1990 г.

- XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников, Киев, 1990 г.

- XXII Международном Симпозиуме по полупроводниковым соединениям, Чеджу, Корея, 1995 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, список которых приведен в конце реферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 141 страницу, включая 38 рисунков, 2_ таблицы, список цитируемой литературы содержит 139 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные задачи работы и защищаемые положения, показана научная новизна и практическая ценность решаемых задач, дана краткая аннотация диссертационной работы.

Первая глава является обзорной. В ней представлены основные принципы МЛЭ, механизмы роста пленок, методы контроля in situ в процессе эпитаксии.

Из анализа литературных данных по исследованию начальной стадии роста пленок InAs/GaAs и роста напряженных CP в системе InAs-GaAs следует, что для системы InAs-GaAs возможно выращивание качественных напряженных CP, однако условия оптимального роста, приводимые разными авторами, сильно различаются и практически нет данных о CP II типа - GaAs/InAs на подложке InAs(OOl). Поэтому актуально разработать простой способ определения оптимальных условий

роста напряженных CP как на подложках GaAs(001), так и на подложках InAs(001), с учетом различий в химических, кинетических и т.п. свойствах входящих элементов, который бы позволил с высокой точностью (возможностью контроля непосредственно в процессе роста) и воспроизводимостью создавать эти CP с заданными геометрическими параметрами в широком диапазоне.

Для системы GaAs/AlAs имеющиеся в литературе экспериментальные данные указывают на неэквивалентность в свойствах прямой и обратной гетерограниц. Приводятся несколько причин такого поведения, главной из них является различие в поверхностной кинетике для атомов Ga и AI в типичном для МЛЭ GaAs/AlGaAs диапазоне ростовых условий. Исследование процессов формирования прямой и обратной гетерограниц в широком диапазоне ростовых условий, возможно, позволит уточнить причины этого различия и выработать практические рекомендации по созданию короткопериодных CP в системе GaAs/AlAs с наилучшими структурными и электрофизическими параметрами.

Во второй главе приводятся описания установки МЛЭ "Катунь-С" и ее модернизации, системы регистрации интенсивности картины ДБЭ, а также методики исследования in situ процессов на поверхности с помощью ДБЭ, используемой в диссертационной работе и, кратко, методов характеризации структур после роста. Описаны методики предэпи-таксиальной подготовки подложек GaAs(001) и InAs(OOl) и процесс создания буферных слоев.

Показано, что проведенная модернизация аппаратуры МЛЭ и выбор оптимальных методик предэпитаксиальной подготовки подложек совместно с определением оптимальных условий роста позволяют воспроизводимо получать буферные слои GaAs и InAs с высокими электрофизическими параметрами. Разработанная система регистрации интенсивности картины ДБЭ дает возможность in situ контролировать процесс роста (измерение скорости роста, состава твердых растворов), исследовать механизмы роста пленок и формирования гетерограниц, а также изучать процессы сверхструктурных переходов на поверхности.

Третья глава посвящена исследованию процессов роста высококачественных напряженных сверхрешеток в системе InAs-GaAs. Важнейшим условием получения совершенных пленок является оптимизация основных ростовых параметров, таких как: скорость роста, температура подложки во время роста и отношение потоков атомов элементов V и III групп, а также поддержание их постоянными в течение всего процес-

ca. Скорость роста, которая при обычных условиях роста однозначно связана с плотностью потоков атомов элемента III группы, с достаточно высокой точностью определяется из периода осцилляций интенсивности зеркального рефлекса (ЗР) картины ДБЭ. Температура подложки определяется с помощью пирометра или с помощью термопары. Поток атомов элемента V группы (мышьяка) обычно оценивается с помощью ионизационного датчика, помещаемого на место подложки или максимально близко к ней. Однако, точность при этом относительно невысока, так как требуется учет геометрии ростовой камеры и элементной чувствительности датчика.

Измерение потока As в данной работе проводилось по методике, предложенной Левисом с соавторами. Идея методики заключается в следующем'[1]: на подготовленную поверхность подложки In As или GaAs(001) (т.е. после роста буферного слоя и его максимального выглаживания) при закрытой заслонке As осаждается несколько монослоев In или Ga. Благодаря большому поверхностному натяжению осажденный металл собирается в капли и при последующем открывании заслонки As эти капли являются неограниченным поставщиком адатомов металла, скорость роста пленки в этом случае будет определяться той частью падающего потока атомов мышьяка, которая может встроиться в растущий слой при данной температуре подложки.

Практически, во время описанной выше процедуры, регистрируется интенсивность ЗР картины ДБЭ от поверхности подложки. После осаждения металла на поверхность, при последующим открывании заслонки As наблюдаются осцилляции интенсивности ЗР, период которых определяется той частью потока атомов мышьяка, которая непосредственно встраивается в кристаллическую решетку. Таким образом, измеряя период осцилляций, определяют поток атомов мышьяка, непосредственно встраивающийся в пленку при данной температуры подложки (или, иначе говоря, скорость встраивания атомов мышьяка (Vas) при данной температуры подложки для фиксированного падающего потока Рам).

Однако, определение Vaj трудоемко и требует специальной подготовки подложки, включающей в себя длительное многоступенчатое выглаживание поверхности, в связи с чем были проведены эксперименты с модуляцией потоков In(Ga) и As непосредственно в процессе роста. Перед началом измерения рост пленки продолжался не менее пяти минут для достижения стационарных условий роста. При закрывании заслон-

10 15 20 Время, с

Рис. 1.

.о U

S

10" ,8

6 4

10-1

----р

350

=5,0х1ЕИПа =3,5xlO-<ÏIa

400 450 500 550

т ,°с

s

Рис. 2.

ки As исходная сверхструктура (2x4)As переходила в (4x2)In, а интенсивность ЗР резко уменьшалась (рис, 1). Далее следовало медленное изменение интенсивности ЗР при сохранении индиевой стабилизации (период ti). Процесс восстановления интенсивности ЗР при подаче потока As и прекращении потока In также происходил в две стадии: за время t2 осуществлялся рост InAs до исчерпания избыточного (накопленного за время ti) In (медленное возрастание), затем наблюдался сверхструктурный переход (4х2)1п в (2x4)As (быстрый рост интенсивности ЗР). Время %2 фиксировалось по точке перегиба, которая наиболее ярко выражена при регистрации интенсивности ЗР в азимутах [100] и [110].

По аналогии с предыдущем случаем определения V^, время t2 пропорционально количеству напыленного за период ti индия и обратно пропорционально скорости роста пленки, определяемой потоком атомов мышьяка, непосредственно встраиваемого в кристаллическую решетку при данной температуре подложки и PAs4. Если теперь подобрать поток атомов In такой, что выполнится условие ti=t2» то потоки атомов In и As, встраиваемые в растущую пленку, будут равны, при этих условиях формируются зеркально гладкие пленки InAs с лучшими электрофизическими параметрами.

На основании полученных данных построена диаграмма зависимости скорости встраивания атомов мышьяка от температуры подложки Для системы InAs-GaAs в широком диапазоне Ts и Рд^ (рис. 2). Из рисунка видно, 'что для фиксированной температуры подложки скорости встраивания

атомов Аэ для 1пАб и ОаАэ существенно различаются, однако если выбрать потоки атомов 1п и Оа, обеспечивающие скорости роста равными УЛ, для соответствующих материалов, то стехиометрические условия будут выполняться как для 1пАз, так и для ОаАэ, т.е. диаграмма позволяет выбрать скорости роста для слоев 1пАб и ваАз, соответствующие оптимальным условиям синтеза СР.

Экспериментально обнаружено, что при использовании радиационного способа нагрева подложки, во время гетероэпитаксии 1пАз на СаАз(001) изменение температуры подложки в зависимости от толщины слоя 1пАб может достигать ДТз«100°С. Повышение температуры подложки происходит за счет большего коэффициента поглощения слоя 1пА$ по сравнению со слоем ОаАз. При выращивании напряженных СР 1пАзЛЗаАз на СаАз(001) с большим количеством периодов чередующихся слоев для сохранения оптимальных условий роста неизменными требуется коррекция данного изменения температуры подложки.

На начальной стадии рост пленки ГпАэ на ОаАз(001) происходит по двумерному механизму. В диапазоне температур роста 340-510°С для ориентации (001) смена механизма роста с двумерного на трехмерный, по данным ДБЭ, наблюдается при эффективной толщине слоя ГпАэ 2.510.5 МС.

Использование данных диаграммы зависимости скорости встраивания Аэ в растущий слой для системы ГпАБ-ОаАз от Тэ и Р^ позволило синтезировать в режиме фазо-сшивающей эпитаксии [2] высококачественные напряженные СР 1пАзЛЗаАз на ОаАз(001) и ОаАзЛпАя на 1пАз(001) с большим отношением толщин слоев входящих материалов.

Структурное совершенство и высокое качество полученных напряженных СР подтверждено исследованиями их свойств методами ВРЭМ, КРС и ФЛ. По данным этих методов величина размытия гетерограниц в исследованных СР не превышает одного-двух монослоев.

В четвертой главе описаны особенности поведения интенсивности ЗР картины ДБЭ при формировании гетерограниц в системе ОаА8-А1Аэ. Особое внимание уделено влиянию смены поверхностных сверхструктур (ПСС) на осцилляции интенсивности ЗР при МЛЭ СаА&ДЗаАз, А1Аз/ОаАз и ОаАз/А1Аз. Представлена диаграмма сверхструктурных переходов на ростовой поверхности А1Ав на СаАз(001) и результаты практического синтеза короткопериодных СР А1АБ-СаА$.

Детально исследовано влияние поверхностных сверхструктурных переходов на осцилляции интенсивности ЗР при МЛЭ СаАз/СаАз(001).

-2x4--

[АААЛДЛЛДЛЛаа^^"

1>

Для наиболее часто наблюдаемых сверхструктурных переходов (с началом гомоэпитаксиального роста) было проведено сравнение поведения осцилляционных кривых ДБЭ для азимутов [110] и [1 1 0] в зависимости от условий роста и смены этих ПСС. Результаты представлены на рис. 3. В случае В, когда во время роста сохраняется исходная ПСС (2x4), поведение кривых (1-азимут [110] и 2-азимут [1 1 0]), полученных в обоих азимутах, описывается простой моделью Джойса [3], в которой периодическое изменение интенсив-

о я а

К

н X

о

0 10 20 30 40

Время, с

Рис. 3.

ности ЗР связывается с периодическим изменением рельефа поверхности, обусловленным чередованием процессов зарождения и разрастания двумерных зародышей при росте пленки по двумерному механизму. В случаях А и С на осцилляционных кривых наблюдаются фазовые сдвиги, которые связаны с наличием сверхструктурных переходов. В случае А, при сверхструктурном переходе с(4х4)Аз в (2х4)Аз, сдвиг фазы осцилляции происходит вследствие того, что двумерный механизм роста реализуется с некоторой задержкой (во время которой рост идет по слоевому или нормальному механизму). В случае С, при смене ПСС (2х4)Ав на (3x6), сдвиг фазы осцилляций в азимуте' [1 1 0] обусловлен изменением соотношения интенсивностей зеркального и брэгговского рефлексов, дающих вклад в регистрируемый сигнал.

Проанализировано поведение интенсивности ЗР при формировании прямой и обратной гетерограниц в системе А1Аз/ОаАз в широком диапазоне Тэ и изменения отношения потоков РАЕ4/Рл1(Оа)- Показано, что смена материала может сопровождаться сменой ПСС, что вызывает появление фазовых сдвигов на осцилляционных зависимостях интенсивности ЗР от времени.

На рис. 4 приведены временные зависимости интенсивности ЗР при формировании прямой гетерограницы А1АзЛЗаАз для разных скоростей роста при неизменных парциальном давлении Аз4 и температуре подложки Тз=620°С.

л

s

о 3! В я

К

10 20 Время, с

Рис. 4.

При малых потоках А1 (рис. 4а, V=0.22 МС/с) ростовая поверхность AIAs характеризуется той же ПСС (2x4)As, что и исходная поверхность GaAs. Наблюдаемые осцилляции в обоих азимутах, кривые 1-[110] и 2- [110], изменяются синфазно. При увеличении скорости роста Vaias до 0,36 МС/с на временных зависимостях интенсивности ЗР наблюдается качественное изменение (рис. 46). В азимуте [110] появляется "горб", причем внутри этого "горба" фаза колебаний сдвинута на величину к, а в азимуте [110] в этот момент наблюдается менее выраженная "яма", затем синфазность осцилляций в азимутах [110] и [110] восстанавливается. Кроме того, с началом роста исходная ПСС (2x4)As размывается, в области "горба" наблюдается четкая ПСС (3x2), которая затем вновь переходит в ПСС (2x4)As.

При дальнейшем увеличении потока А1 (рис. 4в, V=0.56 МС/с) на поверхности роста наблюдается ПСС (3x2), которая формируется практически сразу после открывания заслонки источника А1. При этом, фаза осцил-ляций в азимуте [110] имеет сдвиг на величину к относительно фазы осцилляций в азимуте [110] на протяжении всего времени.

ПСС (3x2), с точки зрения стехиометрии поверхности, более . обогащена металлом, чем ПСС (2x4)As, а поскольку поверхностная фазовая диаграмма для AIAs качественно подобна диаграмме для GaAs, но сдвинута в область более высоких температур ввиду того, что энергия

связи атомов Ga-As (0.8 эВ) меньше чем энергия связи Al-As (1.2 эВ), мы связываем наличие "горба" (и соответственно появление ПСС (3x2)) с сегрегацией Ga, а изменение фазы осцилляций - с перераспределением интенсивностей зеркально отраженного и дифракционного рефлексов, аналогично приведенному выше случаю гомоэпитаксии GaAs/GaAs(001) при смене ПСС (2x4)As в (3x6).

620°С ■

5

4x2

0 10 20 30 40 d, МС Рис.5.

По экспериментальным данным временного поведения интенсивности ЗР в зависимости от соотно-

шения потоков Ра54/Ра1 для фиксированных значений Те и Раэ4 была построена диаграмма сверхструктурных переходов на ростовой поверхности А1А5 на СаА5(001) (рис. 5). По оси абсцисс отложена толщина пленки А1Аэ в монослоях, экспериментальные точки указывают границы наблюдаемых фазовых переходов. Видно, что сегрегация Са в зависимости от ростовых условий может простираться на расстояние более, чем 30 монослоев А1Аб. Увеличение потока атомов мышьяка при прочих равных условиях приводит к подавлению процесса сегрегации Са.

Результаты исследования особенностей формирования обратной гетерограницы СаАз/А1Аз в широком диапазоне температур роста и соотношения потоков Ра^/Ро* показали, чгго поведение осцилляцион-ных кривых в азимутах [110] и [110] подобно поведению, наблюдаемому при гомоэпитаксии СаАйЮаАэ. Из этого можно сделать вывод, что в отличие от прямой гетерограницы при формировании гетерограницы СаАвМЛАэ сегрегации атомов А1 либо нет, либо она незначительна и завершается в пределах роста первых одного-двух монослоев СаАв.

Проанализировано временное поведение осцилляций интенсивности ЗР при росте короткопериодных СР в разных частях диаграммы сверхсгруктурных переходов на ростовой поверхности А1Аз на СаА5(001). Показано, что форма огибающей осцилляций интенсивности ЗР при формировании обратной гетерограницы СаАзАМАэ позволяет судить о степени шероховатости выращенного перед этим слоя А1Аз и,

соответственно, самой гетерограницы. Уширение фронта роста слоя AlAs и, соответственно, увеличение шероховатости обратной гетерограницы наблюдается как при увеличении толщины слоя AlAs, так и при уменьшении соотношения потоков PWPai для фиксированных значений TS и Pas4.

Таким образом, наблюдаемые различия в свойствах прямой и обратной гетерограниц связаны с процессом сегрегации Ga для прямой гетерограницы и с увеличением шероховатости фронта роста для обратной. Использование построенной диаграммы сверхструктурных переходов позволяет выбрать условия роста, где проявление указанных процессов минимально.

В оптимальных условиях в режиме отсутствия сегрегации выращена серия короткопериодных CP GaAs/AlAs для исследования их оптических и электрофизических свойств. По данным КРС величина размытия гетерограниц в исследованных CP не превышает 1-2 монослоев. Благодаря высокому совершенству гетерограниц и качеству входящих слоев, методом КРС удалось разрешить пики, соответствующие локализованным в слоях AlAs продольным оптическим фононам с порядком квантования 1-5. Полученные данные позволили построить кривую дисперсии оптических фононов AlAs, согласующуюся с рассчитанной из первых принципов в работе [4].

В пятой главе приведено несколько примеров приборного применения гетероструктур и сверхрешеток. Учет особенностей формирования гетерограниц Al(Ga)As на GaAs и GaAs на Al(Ga)As, а также контроль толщины входящих слоев по осцилляциям интенсивности ЗР картины ДБЭ in situ в процессе роста позволяют с высокой точностью и воспроизводимостью выращивать сложные многослойные структуры для физических исследований и приборного применения. Это продемонстрировано на примерах получения высокоподвижных гетероструктур с селективным легированием (подвижность электронов в двумерном газе >1,2х106см2В"|с| при 4К) и использования их для изготовления конкретных полупроводниковых приборов. Разработанная технология позволяет также контролирование выращивать многослойные структуры с квантовыми ямами для фотоприемных устройств и структуры для поверхностно-излучающих лазеров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые построена диаграмма зависимости скорости встраивания атомов Аб в растущий слой для системы ¡пАБ-СаАэ от температуры роста и интенсивности падающего потока Аз4. Применение этой диаграммы позволило синтезировать высококачественные напряженные СР 1пАзАЗаАз на ОаАз(001) и ОаАзЛпАБ на 1пАз(001) с большим отношением толщин слоев входящих материалов.

2. Несмотря на большое несоответствие параметров решеток, на начальной стадии рост ГпАэ на СаАз(001) происходит по двумерному механизму. В диапазоне температур роста 340-510°С для ориентации(001) смена механизма роста с двумерного на трехмерный, по данным ДБЭ, наблюдается при эффективной толщине слоя 1пАб 2.5+0.5 МС.

3. Установлено, что сдвиг фазы осцилляций на временных зависимостях интенсивности ЗР картины ДБЭ во время роста ваАБ на СаАз(001) связан со сверхструктурными переходами на ростовой поверхности. При этом, если при сверхструктурном переходе с(4х4)Аб в (2х4)Аз сдвиг фазы осцилляций происходит вследствие того, что двумерный механизм роста реализуется с некоторой задержкой (во время которой рост идет по слоевому или нормальному механизму), то при смене (2х4)Ав на (3x6) сдвиг фазы осцилляций в азимуте [110] обусловлен изменением соотношения интенсивностей зеркального и брэгговского рефлексов, дающих вклад в регистрируемый сигнал.

4. Экспериментально обнаружено, что в зависимости от ростовых условий при формировании прямой гетерограницы А1Аз на ваАз на временных кривых интенсивности ЗР картины ДБЭ наблюдаются сдвиги фазы осцилляций, связанные с изменением поверхностных сверхструктур, а также процессом сегрегации ва.

5. Поведение осцилляций интенсивности ЗР картины ДБЭ при формировании обратной гетерограницы ОаАв на А1Аз аналогично поведению при гомоэпитаксиальном росте СаАэ на ОаАБ(001). При этом форма огибающей осцилляций интенсивности ЗР позволяет судить о степени шероховатости исходного слоя А1Аз.

6. По экспериментальным данным ДБЭ построена диаграмма сверхструктурных переходов на ростовой поверхности А1Аб на ОаАБ(001) с учетом процесса сегрегации ва, позволяющая определить области оптимальных условий роста короткопериодных СР и роста объемного материала А1(Са)Аз.

7. Практическая реализация результатов исследования, приведенных в диссертационной работе, показана на примерах синтеза многослойных полупроводниковых структур для физических исследований и приборов микро- и оптоэлектроники.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Мошегов Н.Т., Стенин С.И., Торопов А.И. Контроль отношения потоков In, Ga и As при молекулярно-лучевой элитаксии InAs и GaAs с помощью анализа интенсивности рефлексов дифракции быстрых электронов на отражение. - Поверхность. N.5, 1990, 30-34.

2. Калагин А.К., Мошегов Н.Т., Олзоев И.К., Тихомиров В.В., Торопов А.И. Однородность свойств пленок InAs на GaAs(lOO), полученных методом МЛЭ. - VII Всесоюзная конференция по росту кристаллов. Симпозиум по молекулярно-лучевой эпитаксии (14-19 ноября, 1988, Москва), Расширенные тезисы, Том IV, М., 1988, с.50-51.

3. Шебанин А.П., Гайслер В.А., Курочкина Т.В., Мошегов Н.Т., Стенин С.И., Торопов А.И. Свертка ветвей акустических фононов в сверхрешетках GaAs/InAs.-Письма в ЖЭТФ, т.49, в.6, 1989, с.349-351.

4. Haisler V.A., Kurochkina Т.В., Moshegov N.T., Stenin S.I., Toropov A.I. Folded acoustic phonons in GaAs-InAs superlattices. - In: Proc. Third Int. Symposium of Molecular beam epitaxy (October 2-7, 1989, Velico Tarnovo, Bulgaria), Sofia, 1989, p. 105.

5. Гайслер B.A., Говоров A.O., Курочкина T.B., Мошегов Н.Т., Стенин С.И., Торопов А.И., Шебанин А.П. Фононный спектр сверхрешеток GaAs-InAs. - ЖЭТФ, т.98, в.3,1990, с.1081-1092.

6. Haisler V.A., Kurochkina Т.В., Govorov А.О., Marcov V.A., Moshegov N.T., Pchelakov O.P., Sokolov L.V., Stenin S.I., Toropov A.I., Shebanin A.P. Synthesis and Raman investigation of strained superlattices. -Abstracts Fifth Int. Conf. on Superlattices and microstructures (August 1316; 1990, Berlin) p.Tu-Po-9.

v 7. Карасев В.Ю., Киселев H.A., Грибелюк M.A., Орлова Е.В., Гугаков-ский А.К., Мошегов Н.Т., Пинтус С.М., Стенин С.И., Торопов А.И. Структура эпитаксиальных сверхрешеток на основе арсенидов индия и галлия. - Тезисы VII Международной конференции по микроэлектронике (16-18 октября, 1990, Минск) 1990, с.73-75.

8. Браславец А.В., Журавлев К.С., Мошегов Н.Т., Торопов А.И., Стенин С.И. Фотолюминесценция напряженных сверхрешеток. - Тезисы

XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (23-25 октября, 1990, Киев), изд. "Наукова думка", 1990, ч.1, с.109-110.

9. Браславец А.В., Журавлев К.С., Мошегов Н.Т., Торопов А.И., Стенин С.И. Фотолюминесценция напряженных сверхрешеток (InAs)„(GaAs)m. - Письма в ЖЭТФ, т.53, в.2, 1991, с.96-100.

10. Haisler V.A., Kurochkina Т.В., GovorovA.O., Marcov V.A., Moshegov N.T., Pchelakov O.P., Sokolov L.V., Stenin S.I., Toropov A.I., Shebanin A.P. Synthesis and Raman investigation of strained superlattices. -Superlattices and Microstructures, v.10, N.3, 1991, p.279-283.

11. Moshegov N.T., Sokolov L.Y., Toropov A.I. Influence of surface reconstructions on RHEED intensity oscillations during the MBE of GaAs(lOO). - Phys. Low-Dim. Struct., 1/2, 1996, p. 129-134.

12. Moshegov N.T., Sokolov L.V., Toropov A.I., Bakarov A.K., Kalagin A.K., Tichomirov V.V. The influence of surface reconstructions on the GaAs/AlAs interface formation by MBE. - 22 International Symposium Compound Semiconductors, Cheju Island, Korea, 1995, Abstracts, p. 128.

13. Moshegov N.T., Sokolov L.V., Toropov А.Г., Bakarov A.K., Kalagin A.K., Tichomirov V.Y. The influence of surface reconstructions on the ! GaAs/AlAs interface formation by MBE. - Inst. Phys. Conf. Ser. No 145: Chapter 2, 1996, p.97-102.

1. Lewis B.F., Fernandes R., Madhukar A„ Grunthaner F.JJ. Arsenic-induced intensity oscillatiohs in reflection high-energy electron diffraction measurements. - J. Vac. Sci. Technol. B, v.4, N.2, 1986, p.560-563.

2. Sakamoto T., Funabashi H., Ohta K., Nakagawa T., Kawai N.J., Kojima T. Phase-locked epitaxy using RHEED intensity oscillation. - Jpn.' J. Appl. Phys., v.23, N.9, 1984, p.L657-L659.

3. Neave J.H., Joyce B.A., Dobson P.J., Norton N. Dynamics of Film Growth of GaAs by MBE from RHEED Observations. - Appl. Phys. A., v.31, 1983, p. 1-8.

4. Baroni S., Giannozzi P., Molinari E. Phonon spectra of ultrathin GaAs/AlAs superlattices: an ab initio calculation. - Phys. Rev., B, v.41, -N.6, 1990, p.3870-3873.

Список цитируемой литературы: