Субструктура и оптические свойства гетероструктур на основе А3В5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Середин Павел Владимирович

СУБСТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ А3В5

01.04.10 - Физика полупроводников Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Воронеж - 2012 г.

Работа выполнена в Воронежском государственном университете, г. Воронеж

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Домашевская Эвелина Павловна доктор физико-математических наук, профессор, Воронежский государственный университет

Кузнецов Владимир Владимирович,

доктор физико-математических наук,

профессор, Санкт-Петербургский

государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова

(Ленина) (СПбГЭТУ)

Безрядин Николай Николаевич,

доктор физико-математических наук,

профессор, Воронежский государственный

университет инженерных технологий

Овчинников Олег Владимирович,

доктор физико-математических наук,

профессор, Воронежский государственный

университет

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится "18" октября 2012 г. в 152® часов на заседании диссертационного совета Д.212.03 8.10 в Воронежском государственном университете, г. Воронеж по адресу: г. Воронеж, Университетская пл. 1, ауд. 428

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета

Автореферат разослан сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, ^ Маршаков Владимир Кириллович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РА1ЮТЫ

Актуальное! I, темы исследовании.

Уникальность свойств многослойных гетсростру|аур определяется атомными н электронными процессами, протекающими как в самих слоях, гак и на границах между слоями. В связи с этим происходит постоянная модернизация технологий получения этих структур одновременно с развитием прецизионных методов диагностики и теории явлений в иизкоразмерных системах.

Полупроводниковые соединения А3В5 и твердые растворы на их основе, в которых можно управлять шириной запрещенной зоны путем изменения состава, получать сверхструктурные фазы и доменную структуру, остаются в центре внимания исследователей в области полупроводниковой оптоэлектроники. Эти твердые растворы (ТР) имеют положительную энтальпию образования, что создает возможность их спонтанного распада при определенных температурах. В результате распада ТР могут самопроизвольно возникать структурные и фазовые неоднородности, в том числе сверхструктурные фазы упорядочения с образованием доменной структуры. Такие сложные системы наряду с бинарными соединениями А3В5 являются исходными материалами для компонентов микро и оптоэлектронных устройств.

Спонтанное возникновение периодически упорядоченных структур на поверхности и в эпитаксиальных пленках полупроводников охватывает широкий круг явлений в физике твердого тела и в полупроводниковой технологии, обусловленных процессами самоорганизации в конденсированных средах. Взрыв интереса к данной области связан с необходимостью получения полупроводниковых наноструктур с характерными размерами <100 им. Спонтанное упорядочение наноструктур позволяет получать включения узкозонных полупроводников в широкозонной матрице и наоборот, и тем самым создавать локализующий потенциал для носителей тока. Периодические структуры таких включений могут образовывать сверхрешетки, состоящие из квантовых ям, проводов или точек. Явления спонтанного возникновения наноструктур создают основу для новой технологии получения упорядоченных массивов неоднородпостей — базу для опто-и микроэлектроники нового поколения.

Актуальность проблемы упорядочения в то же время связана и с модификацией фундаментальных свойств полупроводниковых систем, обусловленной изменением симметрии сфалеритной структуры соединений А3В5, следствием которого является возможное изменение ширины запрещенной зоны, переход от непрямозонпого к прямозонному полупроводнику, инверсному порядку следования зон, усложнению оптических спектров сверхструюурных фаз в результате снятия вырождения с состояний потолка валентной зоны и дна зоны проводимости.

Обзор современной литературы дает представление о спонтанном упорядочении и образовании наноразмерных неоднородностсй в твердых растворах на основе III-V. Однако, хорошо развитые теоретические представления в этих работах зачастую не подкреплены экспериментально. Потому экспериментальные исследования возникновения наноструктур в результате упорядочения или распадов в системах твердых растворов для достаточно хорошо согласованных по параметрам решетки твердых растворов А1хОа,.хА5, Оал1пихР, Са,1П].хЛ5уР|.у, а также в метаморфных ТР 1пхСа1.,,А5 и многослойных структурах являются актуальными и практически важными.

Очевидно, что прогресс в экспериментальном изучении физических свойств кнангоноразмерпых структур тесно связан с развитием технологии их получения и в ■значительной мере им и определяется. Изготовление квантово-раэмерных структур в большинстве случаев требует создаппя полупроводниковых гетеропереходов с необходимыми свойствами. Для создания структур с двумерным электронным газом на основе гетеропереходов основным условием является требование близости параметров кристаллических решеток у обоих полупроводников, образующих гетеропару. Нарушение этого условия может привести к образованию высокой плотности дислокаций несоответствия вблизи гетсрограницы, что резко ухудшает свойства переходов и делает невозможным наблюдение эффектов размерного квантования.

Поэтому моделирование физических процессов в полупроводниковой технологии, позволяющих выявлять опгимальиые режимы получения ненапряженных эпитаксиальных слоев твердых растворов А3В5 максимально согласованных с параметром решетки монокристаллической подложки, в том числе с помощью легирования высокими концентрациями, по-прежнему остаются одной из актуальных задач современной физики и технологии полупроводниковых гетероструктур.

Такие исследования проводятся в данной диссертационной работе.

Цель работы заключалась в установлении основных закономерностей образования микро - и мано неоднородностей в гетероструктурах в результате распадов тройных и четверных твердых растворов на основе А3В5 или их упорядочения, а также в определении технологических условий полного согласования параметров решетки твердых растворов различных составов с монокристаллической подложкой ОаАв (100).

Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие основные задачи:

-Исследование особенностей возникновения квазипериодических неоднородностей: сверхструктурных фаз упорядочения, микро- и нанодоменов в однослойных эпитаксиальных гетероструктурах на основе тройных твердых растворов А^Оа^Ав, Сах1п].хР, выращенных методами жидкофазной и МОС-гидридной эпитаксии на ОаАзООО), рентгеноструктурными, микроскопическими и оптико-спектроскопическими методами;

-Определение параметров кристаллических решеток и оптических свойств новых фаз;

-Изучение фазообразования под влиянием спинодалыюго распада твердых растворов;

-Влияние легирования диспрозием и промежуточного буферного пористого слоя СаАв на свойства эпитаксиальных гетероструктур Са„1П|_хР:Оу/рог-СаА5/ОаАз(ЮО); -Определение условий получения ненапряженных, полностью согласованных по параметру кристаллической решетки с подложкой ОаА5(ЮО), эпитаксиальных твердых растворов А1хОа|.хА5 различных составов путем легирования кремнием и углеродом. Определение необходимых концентраций соответствующих примесей; -Определение параметров решетки и состава доменов, образующихся при спниодалыюм распаде четверных твердых растворов Сах1п|.хА5уР1_у в составе

тройных эпитаксиальных слоев, выращенных па монокристаллических подложках GaAs (100);

-Идентификация колебательных состояний и определение структурных н оптических параметров многослойных эпитакснальпых гетероструктур с квантовыми ямами и w-капавками методом ИК-спектроскопнп.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Закономерности возникновения сверхструктурных фаз упорядочения в эпитаксиальных тройных TP полупроводников AjB5 при половинном замещении в металлической подрешетке на основе комплексных исследований структурными и спектроскопическими методами.

2. Образование сверхструктурной фазы упорядочения являющейся химическим соединением AlGaAs2 в эпитаксиальных твердых растворах AlxGai_xAs при х-0.50. Кристаллическая решетка обнаруженной фазы AlGaAs2 описывается тетрагональной структурой InGaAs2-™na (Layered Tetragonal) с параметрами с =2а =2*5.646=11.292А, а"=5.6532А и направлением упорядочения [100].

3. Появление новой интенсивной эмиссионной полосы в спектрах фотолюминесценции с энергией Ев=2.17еВ наряду с основной полосой Eg=2.05eB в твердом растворе Alo.joGa<j.soAs обусловлено образованием сверхструктурной фазы AlGaAs2.

4. Возникновение фазы упорядочения Ga2InP3 в виде квазипериодических доменов при распаде твердых растворов Gaxlri|.xP с х~0.50 обеспечивает хорошую планарность и минимальные внутренние напряжения кристаллической решетки в гетероструктурах GaxIni_xP/GaAs(100).

5. Обнаружение упорядоченной стехиометричсской фазы InGaAs2 в метаморфных твердых растворах InxGai.xAs, выращенных на GaAs(l 00).

6. Образование микродоменов с поперечной слоистой наноструктурой при спинодальном распаде четверных твердых растворах InxGai_xAsyPi.y, заключенных между слоями тройных TP GaxInl xP.

7. Определение условий полного согласования параметров кристаллических решеток эпитаксиальных твердых растворов AIxGai_xAs с подложкой GaAs(100) в результате образования четверных твердых растворов (Al„Gai_ xAs)].ySiy и (AlxGai_xAs)1.yCy при легирования высокими концентрациями кремния или автолегировании углеродом.

Научная новизна

Все результаты, сформулированные в научных положениях, получены впервые, начиная от постановки задачи исследования до численных расчетов, сравнения с экспериментом и интерпретации полученных данных. Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1. Впервые получены экспериментальные данные о возникновении структурной неустойчивости в гетероструктурах Alo.soGao.soAs/GaAs (100) с образованием сверхструктуриой фазы, являющейся химическим соединением AlGaAs2. Решетка обнаруженной фазы AlGaAs2 описывается структурой InGaAsi-rnna (Layered Tetragonal) с [100]-направлением упорядочения.

Тетрагональное сжатие чередующихся слоев, заполненных различными атомами Ga или AI, разделенных слоями мышьяка, происходит за счет слоевого упорядочения атомов А! и Ga в подрешетке А3. Определена величина тетрагонального сжатия в

направлении лштаксиального роста 0.991а н параметры кристаллической решетки ¡i1- 5.6532 А, с' -2а"-2*5.646=1 1.292 А. Фаза упорядочения может образовывать домены и аптиломсиы, состоящие из 10 элементарных ячеек фазы AlGaAs? и 10 элементарных ячеек аитнфазы GaAlAs2 длиной 1.13 им.

2. Впервые экспериментально установлено, что при росте эгштаксиальиых гетероструктур Ga,Iri|_xP/GaAs(100) с х-0.50 возникает фаза упорядочения Ga2InP3 имеющая решетку CuPt-B-типа и параметр кристаллической решетки а"=5.6455 Á в виде квазнупорядоченных доменов. Показано, что параметр решетки фазы упорядочения GanlnlJ5 мало отличается от параметра решетки матрицы твердого раствора Ga(i 5^1п0.ббР, которая обладает хорошей планарностыо.

3. Впервые обнаружена сверхструктурная фаза InGaAs2 в метаморфных твердых растворах In4Ga|.„As, выращенных на GaAs(lOO). Элементарная ячейка фазы упорядочения lnGaAs2 кристаллической решеткой типа Layered Tetragonal состоит из 10 элементарных ячеек типа сфалерита с параметром элементарной ячейки av=5.3577Á. Атомы в металлической подрешетке сверхструкгурной фазы InGaAsj должны быть расположены таким образом, чтобы параметр кристаллической решетки в направлении роста был равен параметру неупорядоченного твердого раствора, а параметр в плоскости роста испытывал сжатие вследствие возникновения явления упорядочения. Образование сверхструктурной фазы InGaAs2 не влияет на хорошую планарность эпитаксиального твердого раствора InxGa!.xAs.

4. Экспериментально показано, что при спинодальном распаде четверных твердых растворов Gaxlni_xAsyP|_y могут образовываться квазиупорядоченные домены, ориентированные вдоль направления [ПО] со слоистой поперечной наноструктурой. Максимумы фотолюминесценции доменов разных составов могут иметь близкие значения, если лежат вблизи одной изоэнергетической линии.

5. В многослойных эпитаксиальных гетероструктурах с погруженными слоями GaAs и InAs напряжения растяжения или сжатия в окружающих слоях w-канавок могут приводить к частичному расслоению твердых растворов и локализовывать в них оптические фононы, как это происходит в случае сверхрешеток.

6. Впервые экспериментально установлена и обоснована возможность полного согласования параметров кристаллических решеток твердых растворов AlxGai_xAs различных составов и монокристаллической подложки GaAs за счет управляемого введения в решетку твердого раствора кремния и углерода с образованием твердых растворов (AlsGai.xAs)|.ySiy и (AlxGai_xAs)i.yCy.

При высоких концентрациях углерода (у>0.001) атомы примеси могут концентрироваться па дефектах кристаллической решетки твердого раствора (AIxGa|.xAs)|.yCy с образованием нанокластеров углерода.

В результате обобщения совокупность полученных результатов работы можно охарактеризовать как крупное научное достижение в области диагностики полупроводниковых гетероструктур на основе А3В5 с квазипериодическими пеоднородностями дифракгометрическими и спектроскопическими методами.

Практическая значимость

1. Разработанная методика регистрации запрещенного рефлекса (600) гетероструктур А3В5 на больших брзгговских углах отражения позволяет производить прецизионные измерения параметров компонент гетероструктур с точностью до четвертого знака, за счет использования рефлекса (600) момокристешлической подложки GaAs(100) в качестве внутреннего стандарта.

2. Прецизионные измерения параметром решеток кристаллических решеток и частот оптических фононов в системах с микро- и напо пеодиородносчями составляют' основу структурно-спектроскопической диагностики гетероструктур, необходимо!! для разработки технологий устройств оптоэлектропики.

3. Моделирование технологических процессов в координатах: параметр!,1 кристаллических решеток ТР - состав ТР - температура роста ТР - давление при росте ТР позволяет определять оптимальные режимы получения полупроводниковых гетероструктур А1СаЛ5ЛЗаАя(100) с полностью согласованными параметрами решетки путем растворения кремния и углерода в кристаллической решетке АЦСа^А® при образовании твердых растворов (А!хОа|. хА5)|_у81у И (А1хСа|.хАз)|.уСу.

4. Полученные автором результаты внедрены и активно используются в технологических процессах роста гетероструктур в Лаборатории полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Научная обоснованность и достоверность полученных экспериментальных результатов, представленных в диссертационной работе, определяется использованием современной экспериментальной техники и воспроизведением обнаруженных эффектов в ряде зарубежных научных коллективов, о чем свидетельствуют ссылки в статьях, обзорах и монографиях на о1губликоваиные автором работы по теме данной диссертации. В частности:

Результаты экспериментальных исследований явления упорядочения и распада в твердых растворах на основе А3В5 с возникновением неодпородностей, в том числе наноразмерных, подтверждают теоретические данные других авторов, исследовавших аналогичные проблемы.

Данные по изучению структурных свойств методами рентгеновской дифракции, спектроскопии колебательных состояний подтверждаются прямыми экспериментами (включая данные по электронной микроскопии, получепные как в рамках диссертационного исследования, так и другими авторами) и согласуются с существующими теоретическими представлениями.

Результаты расчетов спектров ИК отражения однослойных и многослойных гетероструктур с достаточно высокой точностью совпадают с экспериментальными данными, а их интерпретация соответствуют выводам других авторов, исследовавших подобные структуры.

Основные результаты работы получены в Воронежском государственном университете в течение 2001-2012 гг. в соответствии с планами НИР Университета по направлению: «Физика полупроводников» в рамках научной школы проф. Домашевской Э.П. "Атомное и электронное строение твердых тел".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

♦ 5-й Международной конференции "Явления релаксации в твердых телах". (Воронеж, 2004)

♦ 2-й, 3-й, 4-й Всероссийских конференциях "Физико-химические процессы в конденсированных состояниях и на межфазиых границах". (ФАГРАН-2004, ФАГРАН - 2006, ФАГРАН - 2010), Воронеж, 2004, 2006, 2010

♦ 4-й, 5-й, 6-й Международных научных конференциях «Химия твердого тела и

современные микро- п нанотехпологии», Кисловодск, 2004, 2005, 2006.

♦ 6-й, 7-й Всероссийских молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой OH I O- и шшонлектропикс. Санкт-Петербург 2004, 2005

ф 9-ii. 10-ii I 1-й конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов - 2004, 2005. 2006 Владивосток

♦ 3-ей международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе САПР, АСНИ, СУБД и систем искусственного интеллекта (ИНФОС - 2005) Вологда 2005.

♦ Четвертом международном междисциплинном симпозиуме Фракталы и прикладная синергетика «ФиПС-2005», Москва 14-17 ноября 2005г.

♦ European Conference on Applications of Surface and Interface Analusis ECAS1A'05 (Vienna, 2005), ECASIA'09 (Antalya, 2009),

♦ 10, II симпозиумах "Нанофизика и Наноэлектроника", 2006г. 2007г. Нижний

Новгород

♦ Международной конференции "GaAs - 2006". Томск.

♦ 10-й Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2006. Иркутск 2006г.

♦ Seventh International Young Scientists Conference "Optics and High Technology Material Scicnce SP02006" Kiev, Ukraine, 2006

♦ 15lh International symposium "Nanostructures: Physics and technology" 2007, Novosibirsk

♦ 8-й Российской конференции по физике полупроводников "ПОЛУПРОВОДНИКИ-2007" г. Екатеринбург, 2007

♦ 6-й 7-й Всероссийской школы конференции "Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" г. Воронеж 2007, 2009

♦ 6-й Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". Санкт-Петербург 2008

♦ 161'1 International Symposium Nanostructures: Physics and Technology. Institute of Automation and Control Processes, Vladivostok, Russia 2008

♦ Nanostructure materials, applied optics and photonics. International school for young scientists within the framework of the 16'b international simposium "Nanostructures: Physics and Technology". Vladivostok, Russia 2008.

♦ 11 -ой научная молодежной школе по твердотельной электронике «Нанотехнологии, наноматериалы, нанодиагностика» Санкт-Петербург 2008.

♦ 17th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" Minsk, Belarus 2009

♦ NATO Advanced Reccarch Workshop "Advanced materials and technologies for Micro/Nano-Devices, Sensor and Actuators" NanoDSA'2009, St.Peterburg, Russia, June 29 - July 2, 2009

♦ 4-ой Всероссийской конференции с международным участием "Химия поверхности и папотехпология" 2009, Хилово, Псковская обл.

♦ Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи "Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов" Белгород, 2009

♦ XII Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике Иркутская обл., Россия, 2010 г.

♦ 5th International Workshop on Crystal Growth Technology June 26 - 30, 2011 Berlin,

Gcrmany

♦ E-MRS 2011 Fall Meeting, September 19 - 23, 20i 1 Warsaw Univcrsity of Tcchiiology. Poland

♦ llth International Conference on Atomieally Controlled Surfaccs, Interfaces and Nanoslnjctures (ACSIN-11) St. Petersburg (Russia), October 2011

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 печатных работ, из них 25 статей опубликованы в изданиях, соответствующих перечню ВАК РФ рецензируемых научных журналов и изданий, в том числе зарубежных, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук. Три работы опубликованы без соавторов. Отметим, что данный список не включает публикации в трудах отечественных и международных конференций, а также статьи автора, прямо не связанные с темой диссертации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с выводами и содержит 308 страниц текста, включая 96 иллюстраций, 38 таблиц , и списка цитируемой литературы из 179 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены объекты исследования, сформулирована цель работы, задачи, которые необходимо решить исходя из цели работы, приведены основные результаты, отмечена их новизна, научное и практическое значение, освещена апробация работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе

В §1.1 рассматриваются фундаментальные свойства полупроводниковых твердых растворов на основе А3В5, приводятся литературные данные относительно кристаллической структуры, ИК - спектров отражения и спектров фотолюминесценции (ФЛ), морфологии поверхности, а также электронной структуры твердых растворов на основе полупроводников А3В5. Проведен детальный анализ явления возникновения упорядоченных сверхструктур в различных эпитаксиальных слоях на основе твердых растворов Al,Gaj.KAs, GasIn,^P, Ii^Ga^As, Ga„Ini.,AsyP|_y (§1.2). В §1.3 рассматриваются теория фазовых превращений, упорядочения и распадов в твердых растворах на основе полупроводников А3В5, дается классификация фазовых превращений, рассматриваются диффузионный и спинодальный тип распада твердых растворов.

Вторая глава.

В §2.1 обсуждается обоснование выбора исследуемых гетероструктур и приводятся их характеристики, описаны параметры исследованных образцов, разбитых на серии, в зависимости от вида гетероструктуры и типа твердого раствора. Современные методы исследования атомного и электронного строения эпитаксиальных гетероструктур и объектов на основе А3В5 с наноразмерными неоднородностями обсуждаются в §2.2. Приводится описание основных методов получения эпитаксиальных гетероструктур: жидкофазной, МОС-гидридной и молекулярио-лучевой эпитаксий, экспериментальных приборов и методов,

используемых ii сопрсмсшюм экспериментальном практике для получения и обработ ки рентгепоструктурных данных, ИК спектров и спектров комбинационного рассеяния, методов атомио-енловон и растровой электронной микроскопии. 11риводится разработанная автором методика цифрового представления информации при фотографической регистрации рентгенограмм.

Приведены описания и основные характеристики использованных в работе приборов: рентгеновских дифрактометров ДРОН 4-07, ARL'XTRA Theromo Fisher, ИК-спектрометра Vertex 70 Bruker, Рамановского микроскопа Sinterra Bruker, атомпо-силового микроскопа Femtoscan, электронного мироскопа JOEL. В §2.3 описывается и обсуждается преимущество предложенной методики исследования состава и внутренних напряжений полупроводниковых гетероструктур методами реитгеноструктурного анализа.

Сообщается, что параметр кристаллической решетки эпитаксиальной пленки с учетом внутренних напряжений, обозначаемый стандартно как аи, может быть рассчитай следующим образом [1,2]:

л. 1 - V и 2 V

а =а -+ а"---m

l + v 1 + V UJ

Ввиду послойного роста тонкой эпитаксиальной пленки на монокристаллической подложке, параллельная составляющая эпитаксиального слоя а'' может быть заменена параметром кристаллической решетки подложки.

Таким образом, соотношение для параметра решетки с учетом внутренних напряжений эпитаксиальных слоев А,В|.,С с учетом линейной зависимости для коэффициента Пуассона

илА^с =холс+(\-х)ивс (2)

может быть записано как:

а„ =а1 1 -(п>лс+(1-Фвс) , А'в,-'с 1+(холс+(1-х)овс) 2(хуас+(\-Х)Увс) (3)

ВС

1 + (хоАС +(\-х)ьвс)

Аналогичные выражения для параметров решетки с учетом внутренних напряжений и коэффициентов Пуассона в предположении линейного изменения обоих можно записать и для четверных твердых растворов.

Кроме того в §2.3 обсуждаются: методика регистрации далеких дифракционных линий и ее преимущества при расчете параметров кристаллических решеток, методики определения параметра решетки с учетом внутренних напряжений, обсуждаются основы стандартных геометрий рассеяния, описывается методика определения напряжений в псевдоморфных гетероструктурах, обсуждается метод асимметричного отражения в исследованиях метаморфных структур, вводится методика разложения дифракционных профилей на дублеты.

§2.4 приводится методика моделирования ИК - спектров в различных моделях, в том

числе в усовершенствованной модели "пленка - подложка" применительно к многокомпонентным системам.

Сообщается, что при моделировании ИК-спсктров решеточного отражении многокомпонентных материалов и гетероструктур расчетные спектры вычисляются с учетом модели пленка - подложка. Эта модель позволяет проводить дисперсионный анализ ИК спектра отражения, с учетом фононных мод, возникающих как в пленке, так и в подложке. В системе, состоящей из

полубесконечной подложки (с диэлектрической функцией ) и поверхностного

слоя или пленки (с диэлектрической функцией £/) толщиной с1, амплитудный коэффициент отражения г для нормального падения имеет вид [3, 4]

г, О) + О) • ехр(72/?)

\ + г,(а)-гр(оУек р(/2/?) (4)

Коэффициент отражения Л = |г| соответственно равен \-JeAQ))

где _ _

_ Vе/о)-Vе. о)

Дисперсионное отношение для функций диэлектрической проницаемости пленки и подложки может быть найдено в адиабатическом приближении в следующем виде:

,{а>то,) -со +М)у,.

где fj, и 7) - сила, резонансная частота и затухание ^го осциллятора

Моделирование спектров многослойных гетероструктур проводится аналогично моделированию спектров однослойных гетероструктур в модели пленка - подложка. Однако длинноволновая диэлектрическая функция пленки такой многослойной структуры Ег используется в виде, предложенном в [4], для случая нормального падения:

(8)

где e¡ и (1] - диэлектрическая функция, и толщина ь го слоя. Выражение (8) справедливо, если выполняются требования пространственной однородности в

каждом слое [4].

Глава 3 посвящена исследованию гетероструктур, в том числе с наноразмерпыми неодпородностями, на основе тройных твердых растворов AlGaAs.

В §3.1 обсуждаются исследования классических эпитаксиальных гетероструктур Al,Gai_xAs/GaAs (100). На основе данных, полученных дифрактометрическим и фотографическим методами рентгеиоструктурного анализа, а также ИК-спектроскопии на отражение и последующего моделирования ИК-спектров отражения в различных моделях представлены в §3.1. Определены: постоянная кристаллической решетки монокристаллической пластины GaAs а=5.6532 ±0.0001Ä, а также частоты основных фононных колебаний, возникающих в эпитаксиальных слоях. Показано, что точное измерение постоянной кристаллической решетки GaAs играет особое значение, т.к. данный параметр является репером при проведении дальнейших расчетов. Представлено соответствие полученных результатов литературным данным, а также показано, что постоянство измеренных параметров и их для всех образцов свидетельствует о хорошей воспроизводимости результатов эксперимента.

Что касается закона Вегарда, то, как показано в §3.1.1, для эпитаксиальных гетероструктур AlxGai_xAs/GaAs (100), выращенных двумя методами (МОС -гидридной и жидкофазпой эпитаксисй), постоянная решетки av твердых растворов различных составов, рассчитанная с учетом упругих напряжений удовлетворяет линейному характеру зависимости параметра решетки от состава твердого раствора в системе AlAs-GaAs, приведенного в [5] (см. рис. 1), однако, для МОС-гидридпых образцов наилучшим образом.

В §3.2 сообщается об обнаружении на рентгенограммах образцов AlGaAs/GaAs (100) с х-0.50 дифракционных линий от неизвестной фазы. Так при разложении дифрактометрической линии (400) и ассиметричного рентгенографического рефлекса (711) на компоненты помимо Ка^ -дублетов от монокристаллической подложки GaAs (100) и твердого раствора AlxGa,.xAs обнаружено появление фазы с параметром решетки а=5.649 А меньшим, чем параметр GaAs а=5.6532 А. Анализ полученных результатов дифрактометрических исследований твердых растворов с х-0.50 на подложках GaAs (100) в §3.2.2 привел к заключению о том, что обнаруженная нами неизвестная фаза представляет собой химическое соединение AlGaAs2 и является сверхструктурой к решетке сфалерита. Решетку обнаруженной фазы упорядочения AlGaAs2 можно описать структурой InGaAs2-Tnna (Layered Tetragonal) с [100]-направлением упорядочения.

В этой структуре элементарная ячейка соответствует двум ячейкам типа сфалерита, поставленным друг на друга вдоль оси с и испытывающих тетрагональное сжатие за счет слоевого упорядочения расположения атомов Al и Ga в подрешетке А3. Параметр фазы AlGaAs2 с =2а lnMl.Pi=l 1.292 А < 2а Ai0.50Ga0.50/vs=l 1.322 А. Параметр с направлен по нормали к плоскости (100), т.е. тетрагональное сжатие элементарной ячейки происходит в направлении роста эпитаксиальной пленки и составляет величину с A|CaAs2 /2а aiosogjosoas =0.997<1 в области упорядочения, что экспериментально удалось показать впервые и что подтверждает данные теоретических исследований [6].

Результаты рентгеновской дифракции свидетельствует о значительном объеме (-15%) областей упорядоченного твердого раствора Alo.50Gao.50As с образованием сверхструктурной фазы AlGaAs2 в эпитаксиальных гетероструктурах с х-0.50.

М0.9>В°*<) шАл/ОдЛ» |100)

1,4т» 5

:Г 7] ¡1

ЙЛЩ»

Рис. 1 Разложение (400) дифракции от Рис. 2. Морфология поверхности МОС-

образца

А1о.5оСао.5оА5/ОаА5(100), эпитаксиальном твердом растворе упорядочения АЮаАзг.

гидриднои эпитаксиальнои

гетероструктуры гетероструктуры АЬОа^Ав/ОаАв (100)

содержащего в с х=0.50. (а) - изображения микроучастка образца; (Ь) - сечение его фазу поверхности; (с, с1) - соответствующие функции распределения

неупорядоченного (с) и

упорядоченного (с!) нанорельефа рельефа поверхности.

Данные атомно-силовой микроскопии и растровой-электронной микроскопии, приведенные в §3.2.3 показывают, что на поверхности гетероструктуры с сверхструктурной фазой АГСаАэг существуют области упорядоченного нанорельефа. Период упорядочения составляет около п~115нм при средней высоте рельефа около ЗОнм. Угол сопряжения наноструктурированных областей составляет ~80° (рис. 2). Обсуждается связь сверхструктурной фазы с областями упорядочения, а также показано, что величина параметра с~ 1.13 нм кратна периоду поверхностного упорядочения нанорельефа п~115 нм, что является одним из характерных признаков самоорганизованных структур [7].

Рис. 3. Варианты расположения атомных слоев в элементарной ячейке соединения АЮаАз2: фаза АЮаАэг (слева) и антифаза СаА1А52 (справа).

АЮаАз, СаА1Аз,

О о • е •

• в Л! О О О

Л>

о а с* в • •

л*

• » л! р о а

Ль

о о • • в

V • - <ь о - Л!

Доказано, что существуют два возможных варианта расположения атомных слоев в элементарной ячейке соединения АЮаАвг.В первом варианте (рис. 3, слева) верхний, средний и нижний слои занимают атомы алюминия, в то время как в промежутке между ними находятся слои галлия. И те, и другие отделены друг от друга слоями мышьяка, образующими с атомами металла верхнего и нижнего слоя ковалентно - ионные связи. В этом случае мы имеем фазу АЮаА52. Во втором варианте (рис. 3, справа) атомы двух металлов располагаются с точностью до

и

наоборот. Т.е. атомы алюминия располагаются в промежуточных слоях, а атомы галлия содержатся в верхнем, среднем и нижнем слоях, т.е. в прогивофазе по отношению к Al. И таким образом образуется антифаза GaAlAs2. Фаза AlGaAs2 образует домены наповерхности гетероструктуры, в то время как антифаза GaAlA-s2 - антидомены, состоящие из 10 элементарных ячеек фазы и 10 элементарных ячеек аптифазы с длиной 1.13 нм. Показано, что в областях упорядочения домены и антидомены сгруппированы в чередующиеся полосы или ленты, которые образуют "ёлочку" или "паркет".

Данные И К - спектрометрии отражения МОС-гидридных эпитаксиальных гегероструктур, а также результаты дисперсионного анализа ИК-спектров, проведенного в модели "пленка-подложка", приведены и обсуждаются в §3.2.4, Результаты дисперсионного анализа позволили показать, что в ИК-спектре отражения гетероструктуры со сверхструктурной фазой упорядочения помимо основных фононных мод, соответствующих связям: Ga-As и Al-As возникают две группы дополнительных мод, сдвинутые относительно основных колебаний в сторону длинных. Используя микроскопическую теорию колебаний кристаллической решетки [8] для кубического кристалла с помощью соотношения Сигети удалось доказать, что возникающие дополнительные моды представляют собой колебания ионов, относящихся к сверхструктурной фазе.

В §3.2.5 приведены результаты фотолюминесцентной спектроскопии МОС-гидридных твердых растворов AlxGai.xAs со сверхструктурированием.

Обсуждается связь упорядочения с модификацией фундаментальных свойств полупроводниковых систем, обусловленной понижением

симметрии сфалеритной структуры соединений А3В5, следствием чего является не только изменение кристаллической структуры

эпитаксиального твердого раствора, усложнение оптических спектров сверхструктурных фаз в результате снятия вырождения с состояний, соответствующих потолку валентной зоны и дну зоны проводимости, но и возможное изменение ширины запрещенной зоны. Анализ полученных экспериментальных

результатов, а также моделирование спектров фотолюминесценции показал, что фотолюминесценция образца со сверхструктурной фазой упорядочения помимо эмиссии от неупорядоченного твердого раствора имеет высокоинтенсивную дополнительную эмиссию с энергией 2.17еВ. Сообщается, что расчеты, приведенные в теоретической работе [9] показывают, что рассчитанный для сверхструктуры AlGaAsj минимум ширины запрещенной зоны составляет Eg~2.2eB, что согласуется с полученным нами результатом.

§§3.3-3.4 посвящены экспериментальному изучению высоколегированных гетероструктур на основе твердых растворов А3В5, поскольку существенно изменять структурные, электрические и оптических свойства полупроводникового

£8, eV

Wavelenglh. nm

Рис. 4. Спектр фотолюминесценции гетероструктуры Alo.50Gao.5oAs/GaAs(100) с фазой упорядочения AlGaASí

эгштаксиального материала можно посрсдствам введения примесей и дефектов. Обсуждается перспектива технологических возможностей получения ненапряженных - максимально согласованных по параметру решетки с мопокристаллической подложкой эпитаксиальиых пленок полупроводниковых твердых растворов А^Са^А-ч различных составов, выращенных па ОаЛк( 100) и легированных рядом примесей, что является высоко актуальной задачей физики гетероэпитаксиальных структур.

В §3.3.1-3.3.5 сообщается об обнаружении и изучении эффекта влияние кремния на релаксацию кристаллической решетки в МОС-гидридных гетероструктурах А^Оа^Аз^/ОаАв^ОО). Обсуждается образование твердых растворов в гомоэпитаксиальных структурах СаА5:81/ОаА5(ЮО), а также влияние высокого уровня легирования кремнием на согласование решеток в гетероструктурах А^Са^ хА5:31/СаА5(100). На основании полученных данных получен обобщенный закон Вегарда для четверной системы твердых растворов (А^Оа^Ав)^^,, который будет иметь вид

а(А1,Са1_,А1)1.! А, = ~ У(аЛ1,Са,_хЛ! ~ а) =

= 5.6532 + 0.0078л: - ^(0.2222 + 0.0078л:) (9)

где х - концентрация атомов алюминия, у - концентрация атомов кремния. Показано, что в твердом растворе (А1хОа].кАз)1.у31у можно предполагать образование не только антиструктурных дефектов типа Са^, но и более сложных дефектов и комплексов.

Доказано, что два фактора - растворение атомов А1 и растворение атомов (на порядок меньшего количества), приводят к противоположным изменениям параметра и должны компенсировать друг друга при точной оптимизации технологических параметров. Обсуждается, что управляемое введение концентрации легирующего элемента (кремния) позволяет полностью согласовать параметры решетки твердых растворов А^Са^Аэ и монокристаллической подложки ОаА$, тем самым, решив одну из главных задач технологии - рост согласованных по параметру гетероструктур (рис. 5,а).

На основе проведенного моделирования оптимального соотношения технологических параметров роста, а именно потока дисилана и температуры в реакторе, приводящих к полному согласованию параметров кристаллических решеток эпитаксиального слоя с растворенным кремнием и монокристаллической подложки, установлены зависимости между рассогласованием параметров решеток Да и ростовыми параметрами. Для этого в системе координат поток - температура -рассогласование параметров решеток (V — Т - Да) на основании экспериментальных и расчетных данных построены диаграммы зависимостей Да(У,Т) для гомоэпитаксиальных структур (рис. 6) и гетероструктур с х~0.25 и х~0.40 (рис. 7-8 соответственно). Использование методов регрессивного анализа позволило аппроксимировать зависимость между величинами диаграммы плоскостью, задаваемой соотношением:

Аа(¥,Т) = тУ+ пТ + р (10)

где ш, п, р - расчетные коэффициенты.

400 350 300 250 УУауе ЫитЬег, ст"'

200 500 600 700 600 600 УУауе^пд!^ пт

Рнс.5. Исследования высоколегированных гетеросгруктур ЛЦОа,. нАя^/СаАвООО) Профили (600)

рентгеновской дифракции от: (а) нелегированной структуры А1хОа,_

хА8/ОаА5(ЮО), (Ь) -высоколегированной гетероструктуры

(А1о.з5Сао.б5Аз)о.99з51о,оо7/

ЛЗаАэООО); (с)-ИК-спектр отражения

образца

(А1о.35Сао.б5А5)о.99з51о.007'' ЛЗаА5(100); (<1) - спектры фотолюминесценции образца

(Alo.3sGao.6S А8)0.99З З^.оо?/

ЛЗаАзООО)

Анализ полученных результаты, позволил выявить эмпирические зависимости между параметрами элитаксиальных гетероструктур и технологическими условиями роста, а именно между различными скоростями потоков диссилана и разными температурами, которые и определяют количество внедренных атомов легирующей примеси, а также их положение в той или иной подрешетке.

Полученные данные в результате регрессивного анализа и расчетов оптимальных соотношений технологических параметров представлены в Табл.1.

Там же приведены расчетные концентрации кремния, соответствующие полному согласованию решеток, определенные на основании соотношения (10) для четверных твердых растворов (А1хОа|.хАз)|_у81у.

ш

щ?

шш-

Рис. 6. Гомоэпитаксиальные структуры СаА5:81/СаА5(100).

Рис. 7. Эпитаксиальные

гетеросгруюуры А^Оец^АБ^ЮаА^ЮО) с х-0.25.

Рис.8. Эпитаксиальные гетероструктуры А1хОа|. „Аз^^/СаА^ЮО) сх-0.40.

Таблица 1. Расчет концентраций параметров кристаллической решено] эпптаксналг.пой пленки Л1к(5а|.хА«:81 и мопокриспишичсскои подожки С»кЛ«{ 1001 и зависимости от потока дисилапа и температурь! н омкгоре.

X т*10"6 п*10'6 Р Соотношение между V н 'Г для согласования решеток ат. %

0 -5.277 1.00 0.0020 К = -3.795*102 +0.18954Г 0.009

-0.25 -7.688 -7.60 0.0072 V = 9.365* 102 —0.98857'

-0.40 -5.222 -3.00 0.0052 V = 9.962И02 -0.5747Г 0.014

В §3.3.4 обсуждаются результаты ИК-спектроскопии высоколегированных гетероструктур на основе баАз^! и А^Са,.^^. Получены частоты плазмои-фононных мод в ИК-спсктрах. Покказано, что помимо небольших смещений основных колебательных мод образование твердых растворов с кремнием вызывает появление дополнительных колебаний в спектрах почти всех образцов гетероструктур А1хОа|_хА5:81/СаА5(100) (рис. 5,с), интенсивность которых возрастает с ростом концентрации кремния в твердом растворе Расчет частот колебаний счш ближайших соседей для алмазоподобной решетки, выполненный на основе модели, предложенной Харрисоном [10] и успешно апробированной в [11], в соответствии с соотношениями (11-12):

С0 = (Зя3 /16)(см + 2сп)

С, =(аэ/32)(С|1 -с12)

где а - параметр кристаллической решетки, см и с12 напряжений для твердого раствора А1хОа|_хАз-51,

показал, что обнаруженная в ИК-спектрах отражения (рис. 5,с) эпитаксиальных гетероструктур А1хОа|_хАз:31/СаА5(100) фононная мода с частотой ш-291 см"' и совпадающая по частоте с продольным 1,0 оптическим фононом баАэ возникает вследствие расщепления ТО и 1,0 фононов моды ва - Аэ, а появление дополнительных колебательных мод с частотами —153 см"' и -130 см"' п обусловлено возникновением в твердом растворе сложных дефектов на основе 81.

Результаты фотолюминесцентной спектроскопии гетероструктур А^ва,. „АвгБЮаАзООО), приведены в §3.3.5. Установлено, что в спектрах фотолюминесценции гомоэпитаксиапьных гетероструктур СаАэ^/ОаАзПОО) отсутствует люминесценция от эпитаксиального ОаАх, в то время как у гетероструктур А1хОа1.хА5:81/СаА5(ЮО) не наблюдалась полоса эмиссии от твердого раствора А1хСа].,А5. Сообщается, что при образовании четверного твердого раствора (А1хОа|_хА5)|_у51у возможно образование глубоких уровней в запрещенной зоне и расположенных ниже потолка зоны проводимости на величину порядка 500 теУ, что согласуется с нашими экспериментальными данными (рис. 5,с!). В §3.3.6 на основании комплексного анализа высоколегированных гетероструктур сделано заключение, что высокий уровень легирования кремнием должен был привести к повышенной концентрации носителей ~1020 см"3, в отличие от того, что показали Холловские измерения (~1018 см"3). Такие значительные отклонения от

(И) (12)

- коэффициенты тензора

ожидаемых величин с учетом заметных отклонений параметра решетки от обобщенного закона Вегарда (9) свидетельствуют об образовании глубоких уровней, обусловленных сложными дефектами и комплексами, возникающими в результате образования тройных и четверных твердых растворов с кремнием. Введением кремния и этштакснальпыс слон гетерострукгур А1хСа1.кА5:51/СаА5(100) можно добиться полного согласования параметров кристаллических решеток пленки с подложкой Аа-0 в условиях выполнения обобщенного закона Вегарда (9) для четверного ТР (А^Па,.^),.^^.

В §3.4 изложены результаты исследованиях низкотемпературных высоколегированных углеродом гетероструктур А1хОа,_хА5:С/СаА5(100). Результаты рентгеновской дифракции, приведенные в §3.4.1 показали, что твердые растворы А1хОа,.хА5:С, полученные методом и выращенные при пониженной температуре имеют параметр решетки меньше, чем у ОаАэ, что противоречит общеизвестному для системы а1Аз - ОаАэ закону Вегарда (рис. 9,а). Анализ полученных указывает на отличающееся от стандартного неупорядоченного твердого раствора заполнение металлической и неметаллической подрешеток основными атомами в низхкотемпературных эпитаксиальных слоях А1хСа|.хАз:С. Эти данные, полученные рентгеновской дифракцией, подтверждаются и методами Рамановской и ИК-спектроскопии, приведенными в §3.4.2-§3.4.3, исходя из данных о частотах и интенсивностях ТО и ЬО фононов основных мод (рис. 9,Ь).

Сообщается, что

экспериментальные данные указывают, что акцепторная присутствует углерода в пленках

низкотемпературных твердых растворов Al.Gai.xAs в довольно высокой концентрации, поскольку значительное уменьшение параметров и сжатие кристаллической решетки ОаА$:С и А1хОа|_„А5:С при

больших концентрацях углерода в

соответствии с

данными рамановской спектроскопии (рис. 9,Ь) может происходить при встраивании углерода в решетку с образованием твердых растворов (СаАБ)|_уСу и (А1хОа|.хА5)и.Су.

В §3.4.4 обсуждается появление в спектрах фотолюминесценции низкотемпературных гетероструктур дополнительных эмиссионных полос (рис. 10), смещенных в низкоэнергетическую область, обусловленное переходами, с глубоких акцепторных уровней, а также с возникновением нанокластеров углерода.

'/»V« НмпЬш <*/т>

Рис.9,« Профили (600) Рис.9, Ь Экспериментальные

рентгеновской дифракции спектры Рамаповского рассеяния

от низкотемпературных низкотемпературных

гетероструктур (А1хСа,. гетероструктур(А1хОа1.хА5)1.

«А5)|.уСу/СаА5(100).

уСу/СаА5(100). На вкладках приведены моды колебаний кластеров углерода СС|К,ег.

Диаграмма энергетических переходов в низкотемпературных гстерос-фуктурах. полученная на основе экспериментальных данных приведена на рис. 11.

А1,Са. ,Аы-С

Рис. 10. Экспериментальный спектр Рис. 11. Диаграмма энергетических

фотолюминесценции низкотемпературной переходов для низкотемпературной гетероструктуры (А1хОа|хА5)|_ гетероструктуры, построенная на

уСу/СаАз(100). основании данных фотолюминесценции.

Стрелками указаны возможные переходы.

В §3.4.5 Показано, что расчет параметров решетки с учетом внутренних напряжений для низкотемпературных эпитаксиальных гетерострукгур А1хСа,. яА5:С/СаАз(100) может быть выполнен с учетом обобщенного закона Вегарда для четверной системы твердых растворов (А1хОа|.хА5)1.уСу, который будет иметь вид:

Ф, у) = - у) + аа„пют1у =

= (5.65325 + 0.0078х)(1 -у) + 3.5670у (13)

где х - концентрация атомов алюминия, у - концентрация атомов углерода. Совместное решение уравнений (1) - (3) и (13) позволило не только рассчитать параметры решетки для образцов А1хОа1.кАз:С, но и определить концентрации легирующей акцепторной примеси - углерода. На основе расчетных данных определено, что концентрации углерода, введенного в решетку твердого раствора (А1хОа1.хАз)|_уСу при низкотемпературной МОС-гидридной эпитаксии составляют доли атомного процента, что достаточно для образования твердого раствора замещения, а также образования сложных структурных дефектов.

На основе вышеописанной интерполяционной схемы для закона Вегарда четверного твердого раствора (А1хОа|.,,А5)1_уСу по аналогии можем записать зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации атомов в ТР - уравнение Куффала:

Е8(А1,Са, ./(.О, _с. = ^8,11 Со. ,/ьО ~ у) + ^ёЛоттиУ =

(14)

= (1.437 + 1.247х)(1 - у) +15.Зу Величина ширины запрещенной зоны алмаза 1^(ц,11Ш,п<1=15.3еВ была взята из [5].

Используя уравнение Куффала (14) для (А1хСа|.хА5)|.уСу определены энергии эмиссий Ее соответствующие ширинам запрещенных зон твердых растворов низкотемпературных гетероструктур. Аналогично в соответствии с выражением (14) можем определить энергию эмиссии для тройного твердого раствора (ОаА5)|.УСУ.

Анализ получеппых расчетных данных и сравнение их с экспериментом позволяет говорить о полном соответствии результатов полученных в эксперименте и расчете, основанном на данных, полученных методами рентгеновской дифракции и фотолюминесцентпой спектроскопии, а также правильности выбора интерполяционной схемы для теоретических расчетов.

Также в §3.4.5 обсуждается методика определения оптимальных концентраций углерода, приводящих к полному согласованию параметров кристаллических решеток эпитаксиалыюго слоя с растворенным углеродом и монокристаллической подложкой. Показано, что согласование решеток гстсропары А1хСа1.хА5:С - СаАэ в зависимости от концентраций атомов в металлической подрешетке может быть достигнуто за счет введения углеродной примеси с концентрацией:

(,5)

2.08625

где х - концентрация атомов алюминия, у - концентрация атомов углерода.

Основываясь на результатах Рамановской спектроскопии можно достоверно утверждать, что при высоких концентрациях углеродного акцептора атомы последнего концентрируются на дефектах кристаллической решетки твердого раствора (А1хОа|.хА5)1уСу с образованием нанокластеров углерода. Появление дополнительных эмиссионных полос, смещенных в низкоэнергетическую область, в спектрах фотолюминесценции низкотемпературных гетероструктур на наш взгляд может быть обусловлено переходами, как акцепторных уровней, так и с примесных центров, обусловленных возникновением нанокластеров углерода, концентрирующихся на дефектах кристаллической решетки, что было подтверждено методом Рамановской спектроскопии.

Глапа 4 посвящена исследованию гетероструктур на основе тройных и четверных твердых растворов в системе Оа-1п-Аз-Р.

В §4.1 представлены результаты исследования влияния условий и кинетики роста на возникновение структурной неустойчивости в эпитаксиальных твердых растворах Сах1п|.хР.

Проблема неустойчивости твердых растворов полупроводниковых соединений Сах1п|.хР особенно в области составов х~0.50 обсуждается в §4.1.3.

Методами рентгеиоструктурного анализа в §4.1.1 показано, что возможным оказывается два варианта роста твердых растворов Сах1пКхР на подложках ОаАэ (100) с концентрациями х-0.51, что позволяет максимально согласовать параметры кристаллических решеток в гетеропаре. В первом случае пленка Сах1п|.хР растет композиционно устойчивой, т.е. твердые растворы этих образцов не распадаются на компоненты, а параметры решеток мопокристаллической подложки и эпитаксиалыюго слоя максимально близки и возникающие напряжения кристаллической решетки малы.

Во втором случае растущие твердые растворы Оах]П|.хР являются композиционно неустойчивыми и распадаются на компоненты (рис. 12). Причем состав компонентов твердого раствора варьируется около х-0.51 и таким образом можно говорить о том, что в твердых растворах образцов происходит как распад эпитаксиального слоя на два состава, так и композиционное расслоение. При этом на поверхности таких образцов наблюдается рельеф в виде статистического распределения нсоднородпостсй - "микродомснов" (рис. 12), которые имеют размер около 10-12 ц и ориентированы вдоль одного направления (см. §4.1.2). Наблюдаемые

микродомены могут быть представлены в виде прямоугольных параллелепипедов размерности ахЬхс, где а - длина параллелепипеда, Ь - ширина, с - высота. Из эксперимента найдено, что эти величины находятся между собой в следующем

Рис. 12. Профиль (600) рентгеновской дифракции от гетероструктуры Сах1П|_ хР/ОаАз(100) с фазой упорядочения Оа21пР3 (слева). Изображения участков поверхности образца ТР Gffini.jP с микродоменами на основе фазу упорядочения Оа21пРз и их микроанализ (центр). Решетка фазы упорядочения по типу СиР1в (справа).

Сообщается, что в отличие от ТР Оах1п|_хР, состав которых лежит в области х-0.50, микродомены, возникающие на поверхности образца имеют состав Gao.66lno.34P- Параметр кристаллической решетки доменов а=5.6455 А, определенный в соответствии с используемой в диссертации методикой, не совпадает (имеет большую величину) с параметром решетки для неупорядоченного ТР с составом х~0.66. Это возможно лишь в случае возникновения упорядоченных структур Оа21пР3-типа на основе ТР Оах1п,.хР, при чем увеличение параметра кристаллической решетки сверхструктурной фазы по сравнению с неупорядоченным ТР происходит за счет упорядочения атомов в направлении [111]. Доказано, что обнаруженная нами фаза упорядочения Оа2/з1п]/зР должна состоять из упорядоченных фаз вазИт^ и Оа1пР2, а именно из одной ячейки Оа1пР2и двух ячеек Оаз1п1Р4.

Показано, что при этом возникновение упорядоченных структур йаЛпРз в ТР Оах1п!.хР не нарушает хорошую однородность (планарность роста) пленки и ее пропускной способности.

Определено, что распад эпитаксиального твердого раствора Оах1п|.хР происходит по спинодальному механизму с образованием на поверхности эпитаксиального слоя распределения выделяющихся фаз (доменов), которые отличаются от основной фазы - твердого раствора только концентрацией и параметром решетки, вследствие чего появляются сателлиты основных рентгеновских рефлексов, соответствующих однофазной структуре.

Отмечено, что распад эпитаксиального твердого раствора происходит при пониженной температуре роста, в то время как изменение потока фосфина (источника фосфора) влияет лишь на изменение состава твердого раствора.

В §4.2 приведены результаты экспериментальных исследований эпитаксиальных гетероструктур Оао.491по.5|РЛЗаА5(100), Са0.481по.52Р:Оу/ОаА5(100),

Оао.491по.51Оу/рог-ваАэ/СаАэ( 100), полученных методом жидкофазной эпитаксии.

Методами рентгеновской дифракции, электронной микроскопии" (рис. 13), а также ИК-спектроскопии с проведением дисперсионного анализа в модели "пленка - подложка (рис. 14) показано, что в жидкофазных гетероструктурах Оах1п!.хР:Е)у/ОаА5(100) легирование твердого раствора атомами диспрозия (псу~10"' ст~3) приводит к локализации состава и очищению от дефектов атомами диспрозия, в результате чего полуширина дифракционной линии (600) от эпитаксиального слоя уменьшается в три раза (Д0=О.О9°).

Введение дополнительного пористого слоя в гетероструктуру Сах1п|_хР:1)у/рог-ОаА5/ОаАэ(100) в качестве буферного (рис. 13) приводит к практически полному снятию напряжений между пленкой и подложкой, несмотря на значительное рассогласование параметров между ними т=0,0019. Результаты исследований сколов методом электронной микроскопии показали, что в буферном пористом слое СаАя образца Сах1п]_ хР:Оу/рог-ОаА5/ОаАз(ЮО) наблюдается неоднородное распределение пор по размерам.

Остаточные внутренние напряжения, вызванные различием параметров решетки поверхностного слоя тройного твердого раствора Оах1п|.хР и монокристаллической подложки ваАБ, перераспределяются в пористый слой, который выступает в роли своеобразной "губки" и полностью снимает остаточные внутренние напряжения.

Рис. 13. Изображение,

полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа, поперечного скола образцов гетероструктур С;а1пР:Оу/СаАя (слева) и Оа1пР:Оу/ рог -СаАв ЛЗаА5(100) (справа). Рис. 14. ИК-спектры отражения гетероструктур: 1-СаА5:5п(100);2-Сао,491по,5|Р/СаАз(100); 3- Оа0,491по,51Р:Оу/рог -

СаА5/ОаАз(ЮО);4-СаАз(ЮО).

В §4.3 сообщается об обнаружении и изучении эффекта упорядочения в системе метаморфных эпитаксиальных твердых растворов 1пхСа|.хА5. Сообщается о высокой перспективности таких гетероструктур, которая связана, в первую очередь, с высокой транспортной подвижностью электронов и их оптическими фотолюминесцентными свойствами

В §4.3.1 методами рентгеноструктурного анализа проводится определение биаксиальной деформации пленок 1пхОа|.хАз методом рентгеновской дифракции с последующим расчетом коэффициента деформации твердого раствора и энергии деформации, приходящейся на единицу объема. Показано, что при росте метаморфического твердого раствора происходит частичная релаксации

деформации. Таким образом, обе компоненты параметра несоответствия (Да/а)1,11 для параллельной и перепендикулярной составляющей параметра кристаллической решетки отличны от нуля (аг'иа5) и их точное определение необходимо для расчета степени деформации и параметра решетки слоя в ненапряженном состоянии. Для этого предлагается использовать метод, основанный на асимметричных брэгговских рефлексах.

На основе полученных данных определены зависимости параметра кристаллической решетки метаморфных эпитаксиальных твердых растворов 1пхОа1_ хАз от концентрации и условий роста, коэффициенты релаксации твердого раствора 1пхОа1_хА5, а также рассчитана энергия деформации, приходящаяся на единицу площади.

Обсуждается появление на дифрактограмме твердого раствора 1пхОа|.хАз от концентрацией х=0.48 и полученного при пониженной температуре роста (Тр=575 С) дополнительного дифракционного максимума. Сделано предположение, что появление дополнительных дифракционных максимумов от однородного твердого раствора при концентрациях замещающих атомов, близким к половинным, возможно в следствие возникновения явления спонтанного упорядочения, т.е. формирования в твердом растворе 1пхОа1.хАз (рис. 15).

20. deg 60MKIT1

Рис. 15. Возникновение сверхструктурной фазы InGaAs2 в системе TP lnxGai_xAs. (а) данные рентгеновской дифракции; (Ь) закон Вегарда для системы InxGa,.xAs и параметр сверхструктурной фазы InGaAs2; (С) участок поверхности эпитаксиального слоя InxGai_xAs TP с х=0.48, содержащего фазу упорядочения InGaAs2.

Результаты электронной микроскопии (рис. 15,с) метаморфных слоев InxGai.xAs, приведенные в §4.3.2 показали, что поверхность гетероструктуры, профиль дифракции (511) которой содержит дополнительную рентгеноструктурную линию, образована не сплошными, а мозаично расположенными блоками. Эти блоки имеют неправильную геометрическую форму и уложены друг на друга в виде пластинок, которые вытянуты в плоскости роста эпитаксиальной пленки InxGai_xAs. В §4.3.3 обсуждается спонтанное упорядочение в твердых растворах lnxGai_xAs с концентрацией х-0.50 и выращенных на GaAs(lOO). Сообщается о возникновении упорядоченных стехиометрических фаз вида AnB4.nCi или А4В„С4.П. в метаморфном твердом растворе InxGai_xAs, выращенном на GaAs(lOO).

Отмечается, что атомы в металлической подрешетке фазы упорядочения должны

быть расположены таким образом, чтобы параметр кристаллической решетки в направлении роста был равен параметру неупорядоченного твердого раствора, а параметр в плоскости роста испытывал сжатие вследствие возникновения явления упорядочения в направлении перпендикулярном направлению роста, т.е. в самой плоскости эпитаксиального роста. Коэффициент тетраганольного сжатия в плоскости роста для неизвестной фазы составляет 0.929.

Сделано предположение, что сверхструктурная фаза, образовавшаяся на поверхности эпитаксиального твердого раствора Ino.i8Gao.52As, представляет собой соединение (пОаАзг-типа с упорядоченным послойным расположением атомов йа и 1п в металлической подрешетке в плоскости роста эпитаксиапьпой пленки и градиентом по концентрации атомов индия и галлия в металлической подрешетке, а ее элементарная ячейка сверхструктурпой фазы состоит из 10 элементарных ячеек типа сфалерита с параметрами элементарной ячейки о-'-=5.8534 А и а"=4.8301 А (рис. 15) в которых атомы 1п и ба в металлической подрешетке расположены упорядоченпо. Показано, что образование сверхструктурной фазы ЬЮаАвгне влияет па плапарность эпитаксиальных слоев 1п,Оа1.хАз, о чем свидетельствуют одинаковые параметры кристаллической решетки в направлении роста у сверхструктуры и неупорядоченного твердого раствора.

В §4.4 представлены данные по изучению многослойных гетероструктур ЛПпАэЛпАз/АПпАз и ЬОаАз/ОаАзЛпСаАэ с 1пАв и СаАз погруженными слоями, а также АПпАзЛпОаАз/СаАзЛпОаАя/АНпАз с \у-канавками (1пОаА5/ОаА5/1пОаА5), получеными методом МОУРЕ на подложках 1пР (100)

Исследование таких систем методами рентгеновской дифракции, с использованием штатных рентгеновских дифрактометров является не всегда эффективным, поскольку толщины эпитаксиальных слоев в многослойных гетеролазерах составляют десятые доли микрометра, а толщины погруженных и того меньше - единицы параметров решетки в направлении роста, однако изучение тонких решеточных свойств и оценка структурного качества эпитаксиальных пленок могут быть выполнены по средством метода инфракрасной оптической колебательной спектроскопии, позволяющей судить не только о составе твердого раствора гетероструктуры, по и о внутренних напряжениях в его решетке, к которым данный метод является очень чувствительным.

Оценены на основании результатов дисперсионного анализа ИК- решеточных спектров отражения от многослойных гетероструктур и основываясь на теории упругости [ 10] относительные напряжения Е, возникающие в слоях, окружающих погруженные, при изменении числа монослоев, из которых формируются квантовые точки, а также при изменении толщины самих слоев окружающих погруженные.

В Главе 5 представлены результаты исследования процессов эпитаксиального осаждения и свойств четверных твердых растворов 1п„Оа|.хА5уР|.у и сообщается об обнаружении и изучении эффекта возникновения . периодической доменной структуры в эпитаксиальных пленках, выращенных на СаАз(ЮО). Сообщается, что это явление представляет интерес как с точки зрения изучения явления несмешиваемости, наблюдаемого в этой системе твердых растворов и требующего дополнительного изучения и описания, поскольку в литературе остается ряд противоречий и открытых вопросов, особенно в области структурных исследований. Такие исследования необходимы для более глубокого понимания интересного и малоизученного физического явления, а также для сопоставления экспериментальных и теоретических результатов. Рассматривается идея о

практическом использовании распада четверных твердых растворов с целью получения нано- и микрообъектов.

В §5.1 и §5.2 проводятся морфологические и рентгеноструктурные исследования эпитаксиальных гетероструктур 1пхОа1.хА5уР|.у/Са1пР/СаА8 (100) и Оа1пР/1пхСа|. хА5уР1.у/Оа1пР/ОаА5 (100).

Результаты дифрактометрических исследований (рис. 16), приведенные в §4.5.1. По данным рентгеноструктурного анализа в структуре трехслойных образцов с заращенным слоем четверного твердого раствора 1пхОа1.хА5уР1.у присутствует дополнительная фаза.

Рис. 16. Профили (600) рентгеновской дифракции трехслойных гетероструктур с заращенным'слоем четверного твердого раствора ¡ПцСа^АЗуР!.,, с дополнительной фазой.

В §5.2 сообщается об обнаружении на поверхности образцов с тройным эпитаксиальным слоем рельефа в виде неоднородностей - "квазиупорядоченных микродоменов", которые имеют размер около 20 -25 цт и ориентированы вдоль направления [110] (рис. 17).

Рис. 17. ACM (а,Ь) и РЭМ (с) изображения участка поверхности гетероструктуры GaxIn,.xP/GaxIn1.xAsyP|.,/Gaxln1.xP /GaAs(100) с доменной сеткой.

Отмечено, что по данным сканирующей зондовой микроскопии в атомно-силовом режиме - "микродомены" представляют собой образования с поперечной слоистой наноструктурой, а их параметры находятся в следующем соотношении: Ь = а / 3 и с = а / 2 (а - длина, Ь - ширина, с - высота). Кроме того, на поверхности обнаружено множество доменов наноразмерного масштаба, которые могут

объединяться в микродомены.

§5.3 посвящен экспериментальному изучению фотолюминесцентных свойств эпитаксиальных пленок с слоями 1пхСа|.хА5уР1_у (рис. 18). Сообщается, что спектры фотолюминесценции образцов гетероструктур с доменной структурой на поверхности содержат дополнительную широкую эмиссионную полосу предположительно от поверхностных доменов.

GeAj lubst;

Н200

Н203

I/ /

/ ОаЛ» \ »

/

/

V

\\ I

\

\ ■ ' \ \ v I \

1 ы " '•"

л\\\чх\ \'Ж ■ a .........

n.'n'j 080 а.7Ь 0.70 EJ.es о.во

Рис. 18. Спектры фотолюминесценции гетероструктур

Gaxlni.xP/Gaxln1.xAsyPi.y/GaxIn|.xP /GaAs(lOO), в которых произошел спинодальный распад погруженного эпитаксиального слоя Gaxlni_xAsyP|_,,.

Рис. 19. Диаграмма составов х - у для 1щ. хСахА5уР|.у при 300К. Сплошные линии соответствуют изоэнергегическим составам. Пунктирные линии соответствуют

изопериодическим составам. Заштрихованные участки на изопериодических с ОаАв и 1пР прямых показывают область несмешиваемости твердых растворов.

Составы квазиупорядоченных доменов, образующихся при спинодальном распаде эпитаксиальных четверных твердых растворов Оах1п|.хАзуР|.у определены в §4.5.4 на основании теории упругости для кристаллической решетки, закона Вегарда (15)

а

= 5.8687 + х- (-0.4182) + ^-(0.1896) + х-.у-(0.01315)

и уравнения Куфала (16) >5 + 0.66

-0.069xj;-0.332x2y+0.03x/

Е, . =1.35 + 0.668х-1.068у + 0.758л + 0.078у

(15)

(16)

При определении составов четверных твердых растворов Оах1п1.хА5уР|.у учитывалось, что 1пР, 1пАз и СаАэ являются прямозонными полупроводниками, а СаР является непрямозонным.

Доказано, что максимумы фотолюминесценции доменов, возникающих на основе четверных твердых растворов при разных составах доменов имеют близкие энергетические значения из-за того, что лежат вблизи одной изоэнергетической линии (рис. 19).

Показано, что основанный на соотношениях (1)-(3), (15)-(16) подбор технологических параметров жидкофазного роста, позволяет получать практически согласованные по параметру гетероструктуры, в следствие чего параметр решетки каждого верхнего слоя релаксирует к параметру нижнего. Отмечается, что

возникновение мелкомасштабной доменной структуры обусловлено наличием напряжений внутри четверного слоя, а эти напряжения вызваны модуляцией состава твердого раствора, возникающей в результате спинодальпого распада "погруженного" четверного твердого раствора 1п|_хОахА5уР1_у по причине несмешиваемости его компонентов и релаксации параметра его кристаллической решетки к окружающим слоям.

В заключении дано обобщение основных научных результатов, полученных при проведении данной работы, и представлены данные о личном вкладе соискателя в выполнении диссертационной работы.

Личный вклад автора является основным и заключается в формулировке проблемы, постановке задач исследования, выбора методов исследования, проведении экспериментов, анализе, моделированию и интерпретации полученных данных, обосновании основных положений диссертации и развития научного направления - диагностика низкоразмерных полупроводниковых систем с кваитово-размерными неоднородпостями дифрактометрическими и спектроскопическими методами.

Основные результаты и выводы работы

Таким образом, па основании полученных в диссертационной работе данных удалось показать, что спонтанное возникновение квазипериодичсски упорядоченных структур в эпитаксиальных пленках полупроводников А3В5 обусловлено процессами самоорганизации в результате распадов ТР при х~0.50. Спонтанное упорядочение наноструктур позволяет получать включения доменов с отличными от матрицы составами и шириной запрещенной зоны. Явление спонтанного квазиупорядочения в гетероструктурах создает основу для новой технологии получения упорядоченных массивов нсоднородностей, перспективных для использования в опто- и микроэлектронике нового поколения.

Получены следующие результаты и выводы:

1. На основании данных комплексного исследования дифрактометрическими, спектроскопическими методами (ИК, Рамановской и фотолгоминесцентной спектроскопией) и микроскопическими методами (атомно-силовой и растровой электронной микроскопией) установлены закономерности возникновения сверхструктурных фаз упорядочения в эпитаксиальных тройных ТР полупроводников А3В5 при половинном замещении в металлической подрешетке.

2. Показано, что в эпитаксиальных гетероструктурах А^ва^Ая/СаАз (100), полученных химическим осаждением из газовой фазы металлорганических соединений и гидридов (МОСГФЭ), при х-0.50 может возникать структурная неустойчивость с образованием сверхструктурной фазы упорядочения, являющейся химическим соединением АЮаА52, с параметрами а"=5.6532 А, с =2а =2*5.646=11.292 А; Установлено, что области сверхструктурной фазы упорядочения АЮаАвг проявляются в виде упорядоченного нанорельефа с периодом -115 им, кратным параметру слоистой тетрагональной фазы АЮаАэг с =1.13 нм. Нанорельеф обусловлен образованием доменов (АЮаА52) и антидоменов (ОаА1А52), сгруппированных в чередующиеся полосы, расположенные под углом 80' < а < 90° в виде "паркета".

3. Доказано, что фотолюминесценция от сверхструктурной фазы упорядочения

AlCiiiAs,. iipwciавляст собой эмиссионную полосу с энергией 2.17еВ, интенсивность которой сравнима с интенсивностью эмиссии от неупорядоченного твердого pací мор.'. Л'в .„•'ja,!.;As.

-I. Рост •>!!!! гашшльпых гетероструктур GaxIni ,XP/Ga As( 100) е х~0.50 при noi!¡i>Ki-¡iHoi¡ юмп.'рагуре Т~600°С и увеличенном потоке фосфипа приводит к образов.нипо доменов на основе фазы упорядочения Ga2lnP3, квазипериодически распределенных в матрице TP Ga0.soIno.suP. При этом параметр решетки а-*-=5.6460 Á фазы упорядочения GailnP.i и параметр решетки неупорядоченного твердого раствора Ga(,s4lni)M,P ¡i"-5.6451 А, который является матрицей для роста доменной сегкн практически совпадают, что подтверждает утверждение о хорошей планарпости эпитаксиальных пленок.

5. Установлено, что рост метаморфпых твердых растворов InxGa|.xAs на подложках GaAs(lOO) методом MOCVD может сопровождаться образованием сверхструктурной фазы InGaAsi тшта Layered Thetragonal с параметрами элементарной ячейки <j-l=5.8534A н «"=4.8301 А.

6. Особенностью эпктакснального роста гетероструктур с TP Ga„Ini_„AsyPi.y является возникновение неустойчивости четверного твердого раствора в области несмешиваемости в следствие его спииодалыюго распада, с образованием субструктуры из квазиупорядоченных доменов, представляющих собой слоистую поперечную наноструктуру с параметрами b = а/3 и с = а/2 (а - длина, b - ширина, с - высота). Показано, что в результате образования возникает дополнительная длинноволновая полоса с энергией Ев=1.65эВ и интенсивностью сопоставимой с основной полосой фотолюминесценции от четверного TP GaxIri|_xAsyPi.y.

7. Доказано, что составы доменов, образующихся при распаде эпитаксиальных четверных твердых растворов Gajni xAsyP|.y могут быть определены на основании закона Вегарда и уравнения Куфала. Максимумы фотолюминесценции доменов различных составов, в матрице трехслойных гетероструктур с четверными TP могут иметь близкие значения из-за расположения вблизи одной изоэнергетической линии диаграммы составов четверных ТР.

8. Определены условия полного согласования параметров кристаллических решеток эпитаксиальных твердых растворов Al^Ga^As с подложкой GaAs(lOO) в результате образования четверных твердых растворов (AlxGai.xAs)i.ySiy и (AlxGa,.xAs)i.yCy при легирования высокими концентрациями кремния или автолегировании углеродом.

Изученные в работе явления присуши пизкоразмерным полупроводниковым гетерострук'гурам на основе материалов с алмазоподобиой структурой, но могут быть свойственны низкоразмерным системам с более сложной кристаллической

структурой.

Обобщая полученные результаты, можно сформулировать круг наблюдаемых явлений и фундаментальных закономерностей присущих возникновению сверхструктурпых фаз упорядочения в тройных и четверных системах на основе эпитаксиальных полупроводниковых твердых растворов АЯВ5:

♦ возникновение структурной неустойчивости с образованием сверхструктурных фаз упорядочения при х—0.50;

♦ появление областей сверхструктурных фаз упорядочения в виде нанорельефа или квазипериодической доменной струк туры иа поверхности эпитаксиального твердого pací вора в следствии его спииодалыюго распада;

♦ оптические спектры твердых растворов с структурными псодпородпосгямп качественно отличаются от спектров неупорядоченных твердых растворов появлением дополнительной полосы фотолюминесценции.

Синеок цптнроиапной литературы:

1. Ayers John Е. Heteroepitaxy of semiconductors: theory, growth, and characterization. Taylor & Francis Group, LLC, 2007. 480 p.

2. Zhou D., Usher B.F. Deviation of the AlGaAs lattice constant from Vcgard's law // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. Vol. 34. P.1461-1465.

3. Verleur H.W. Determination of optical constants from reflectance or transmittance measurements on bulk crystals or thin films // JOSA. 1968. Vol. 58. P.1356.

4. Водопьянов Л.К., Козырев С.П., Садофьев Ю.Г. Решеточная ИК-спектроскопия эпитаксиальных слоев Zni_xCdxSe, выращенных на подложке GaAs методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Физика твердого тела. 1999. Т.41, Вып. 6. С. 982.

5. Goldberg Yu.A. Handbook Series on Semiconductor Parameters: in 2 vol. Vol. 2 / ed. by M. Levinshtein, S. Rumyantsev and M. Shur. - London: World Scientific, 1999. 232 p.

6. Laref S., et al. First-principle calculations of electronic and positronic properties of AlGaAs2 // Physica B. 2007. Vol. 396. P. 169-176.

7. Сато. X. Применение метода эпитаксиальных пленок для изучения электронной структуры некоторых сплавов // Монокристаллические пленки / под. ред. З.Г. Пинскера. М.: Мир, 1966. С. 371-390.

8. Пуле А., Матье Ж.-П. Колебательные спектры и симметрия кристаллов: пер. с франц. / под ред. Г.Н. Жижина. М.: Мир, 1973. 437 с.

9. Wei Su-Huai, Zunger A. Band gaps and spin-orbit splitting of ordered and disordered AIGaAs and GaAsSb alloys // Phys. Rev. B. 1989. Vol. 39. P. 3279-3304.

10. Harrison W. A. Electronic Structure and the Properties of Solids: The Physics of the Chemical Bond. San Francisco, 1980. 576 p.

11. Wolverson D., et al. Lattice dynamics and elastic properties of zincblende MgS // Phys. Rev. B. 2001. Vol. 64. P. 113203.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Середин, П.В. Цифровое представление информации при рентгенографической регистрации рентгенограмм / П.В. Середин // Конденсированные среды и межфазные границы. -2003. - Т. 5, №1. - С. 112-115.

2. Середин, П.В. Закон Вегарда и сверхструктурная фаза AIGaAs^ в эпитаксиальных гетероструктурах Al„Gai_xAs/GaAs (100) / Э.П. Домашевская, П.В. Середин, Э.А. Долгополова [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Вып. 3. - С. 354360.

3. Середин, П.В. ИК-спектры отражения и морфология поверхности эпитаксиальных гетероструктур AlxGa,_x As/GaAs(100) с фазой упорядочения AlGaAs2 / Э.П. Домашевская, П.В. Середин, А. Н. Лукин [и др.] // Полупроводниковые гетерострукруры: сб. науч. тр. - Воронеж, 2005. - С. 34.

4. Середин, П.В. Структурные и спектральные характеристики эпитаксиальных гетероструктур AlxGa|.xAs/GaAs (100) выращенных методом жидкофазной эпитаксии / Э.П. Домашевская, П.В. Середин, К.С. Борщев [и др.] // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2005. - Т.7, № 3. - С. 291-295.

5. (.'среди;!, 11.В. ИК-сисктры отражения и морфология поверхности нппаксиальмых гетероструктур AlxGa].xAs/GaAs(100) с фазой упорядочения AIGaAs. / Э.П. Домашсвская, П.В. Середин, А.Н. Лукин [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2006. - Т. 40, вып.4. - С. 41 1-41 8.

6. Seredin, P.V. XRD, AI M and IR investigation of ordered AlGaAsi phase in epitaxial Al,Ga,.xAs/GaAs (100) Hcterostructures / E.P. Domashevskaya, P.V. Seredin, A.N Lukin [el al. | // Surface and Interface Analysis. - 2006. - vol. 8, I. 4.- P. 828-832.

7. Середин, 11.В. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процессов одпофонопного резонанса в соединениях А3В5 / П.В. Середин, Ю.А. Аицупова, А.Н. Лукин // Всстник физико-математического факультета Елецкого гос. ун-та им. И.А. Бунина. - 2006. - Вып. 1. - С. 211-214.

8. Середин, П.В. Масштабированный нано- и микрорельеф областей упорядочения в эпитаксиальных гетероетруктурах AlxGa|.xAs/GaAs (100) / Э.П. Домашевская, П.В. Середин, Э.П. Домашевская [и др.] // Поверхность: Рентгеновские и синхротронные спектры. - 2008. - № 2. - С. 62-65.

9. Seredin, P.V. Investigations of porous InP properties by XRD, IR, USXES, XANES and PL techniques / E.P. Domashevskaya [et al.] // Materials Science and Engineering В -2008,-К 147.-P. 144-147.

10. Середин, II.В. Исследования пористого InP методами рентгеновской дифракции, ИК-спектроскопии, USXES, XANES AND PL / Э.П. Домашевская, В.М. Кашкаров, В.А. Терехов [и др.] // Известия РАН. Серия физическая. - 2008. - Т. 72, № 4. - С. 470-473.

11. Середин, ГТ.В. ИК-спектры отражения многослойных эпитаксиальных

гетероструктур с погруженными слоями InAs и GaAs / П.В. Середин, Э.П. Домашевская, А.Н. Лукин [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2008. - Т. 42, № 9. - С. 1072-1078.

12. Середин, П.В. Состав и параметры доменов, образующихся в результате спиподального распада четверных твердых растворов в эпитаксиальных гетероетруктурах GaInP/Gaxln|.xAsyPi_y/GaInP/ GaAs(OOl) / Э.П. Домашевская, Н.Н. Гордиенко, П.В. Середин [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2008. - Т. 42. №9. - С. 1086-1093.

13. Середин, П.В. Влияние буферного пористого слоя GaAs и легирования диспрозием в гетероетруктурах GaInP:Dy/por-GaAs/GaAs(100) / П.В. Середин, Э.П. Домашевская, 11.11. Гордиенко [и др.] // Вестник Воронеж, гос. ун-та. Серия: Физика.

Математика. - 2008. - № 1. - С. 88-92.

14. Середин. 1I.B. Влияние технологических параметров на элементный состав и согласование параметров в эпитаксиальных тройных твердых растворах гетероструктур GaxIii|.xP/GaAs(100) / В.Е. Руднева, В.Е. Руднева, П.В. Середин [и др.] И Вестник Воронеж, гос. ун-та. Серия: Физика. Математика. - 2008. - № 1. - С.

81-87.

15. Seredin, P.V. Role of the buffer porous layer and dysprosium doping in G a I n P: Dy/po r- G a As/G a A s (100) hcterostructures / P.V. Seredin, E.P. Domashevskaya, I.N. Arscntyev [et al.] // Pliys. Status Solidi C. - 2009. - V. 6, N 7. - P. 1694- 1696.

16. Середин, II.B. Фазообразование под воздействием спинодального распада в эпт аксиальных твердых растворах гетероструктур GaxIni_xP/GaAs(100) / П.В. Середин, А.В. Глотов, Э.П. Домашевская [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43, № 9. - С. 1261-1266.

17. Середин, П.В. Влияние буферного пористого слоя и легирования диспрозием на внутренние напряжения в гетероетруктурах GalnP:Dy/por-GaAs/GaAs(100) / П.В.

Середин, Э.П. Домашевская, Н.Н. Гордиенко [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43, № 8. - С. 1137 - 1141.

18. Scrcdin, P.V. Role of the buffer porous layer and dysprosium doping in GaInP:Dy/por-GaAs/GaAs(100) heterostructures / P.V. Scredin, HP. Domashevskaya, A.N. Lukin [et al.] // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2009. - Т.Я/2. -Р. 366-368.

19. Середин, П.В. Структурные и оптические свойства низкотемпературных МОС-гидридных гетероструктур AlC-aAs/GaAs(100) на основе твердых растворов вычитания / П.В. Середин, А.В. Глотов, Э.П. Домашевская [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2009. -Т. 43, № 12. - С. 1654-1661.

20. Середин, П.В. Структурные и оптические свойства эпитаксиальных твердых растворов при спинодальном распаде в гетероструктурах Al,Ga1.,As/GaAs(l 00) и GaxIn!.KP/GaAs(100) / П,В. Середин // Известия высших учебных заведений. Физика. -2009.-Т. 12/3.

21. Seredin, P.V. Raman investigation of low temperature AlGaAs/GaAsi 100) heterostructures / P.V. Seredin, A.V. Glotov, E.P. Domashevskaya // Physica B: Condensed Matter. - 2010. - V.405,1.12. - P. 2694-2696.

22. Seredin, P.V. Raman and Photoluminescence spectroscopy of low temperature AlGaAs/GaAs( 100) heterostructures. / P.V. Seredin, A.V. Glotov, E.P. Domashevskaya [et al.] // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2009. - Т. 11, № 2. - С. 95— 100.

23. Середин, П.В. Субструктура и люминесценция низкотемпературных гетероструктур AlGaAs/GaAs(100) / П.В. Середин, А.В. Глотов, Э.П. Домашевская [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2010. -Т. 44, № 2. - С. 194-199.

24. Середин, П.В. Релаксация параметров кристаллической решетки и структурное упорядочение в эпитаксиальных твердых растворах InxGa,_,,As / П.В. Середин, А.В. Глотов, Э.П. Домашевская [и др.] И Физика и техника полупроводников. - 2010. - Т. 44, №8.-С. 1140-1146.

25. Seredin, P.V. XRD and Raman Study of Low Temperature AIGaAs/GaAs(100) Heterostructures / P.V. Seredin, A.V. Glotov, E.P. Domashevskaya [et al.] // Springer Advanced Materials and Technologies for Micro/Nano-Devices, Sensors and Actuators Series (NATO Science for Peace and Security Series Subseries: NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics) / ed. by E. Gusev. E. Garfunkel. -Springer: Dordrecht, 2010. - P.225-236.

26. Середин, П.В. Спинодальный распад в эпитаксиальных твердых растворахгетероструктур Al,Gai_,As/ GaAs(100) и GaxInlxP/GaAs(100) / П.В. Середин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2009. - Т. 11, №3. — С.46-52.

27. Середин, П.В. Эпитаксиальные гетероструктуры AIxGai_xAs/GaAs(100), полученные методом МОС-гидридной эпитаксии, с высокой степенью легированния твердого раствора кремнием / Г1.В. Середин // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2010. - Т. 12. № 3. - С. 258-267.

28. Seredin, P.V. Structural and optical investigations of AlxGai.xAs:Si/GaAs(100) MOCVD heterostructures / P.V. Seredin, A.V. Glotov, E.P. Domashevskaya [et al.] // Physica B: Condensed Matter. - 2011. - V.405,1.22. - P. 4607-4614.

29. Середин, П.В. Влияние кремния на релаксацию кристаллической решетки в гетероструктурах AlxGa,_xAs: Si/GaAs(100), полученных МОС-гидридным методом / П.В.Середин, А.В. Глотов, В.Е. Терновая [и др.] // ФТП. - 2011. - Т. 45, № 4. - С. 488-499.

г i s 7 з з

30. Середин, H.H. Спинодальный распад четверных твердых растворов Gaxlni_AAsyP|. у / U.U. Середин, A.B. Глотов, В.Е. Терновая, ЭЛ. Домашсвская [и др.] // Физика и техника полупроводников. - 2011. -Т. 45, № 11. - Р. 1489-1497.

31. Середин П.В. Структурные и спектральные особенности МОС-гидридных твердых растворов А1лОау1П| д rAszPi.- /GaAs(lCO) / IIB. Середин, A.B. Глотов, Э.1'1. Домашевская [и др.] // Физика и техника полупроводников, - 2012. - Т. 46, вып. 6. -С. 739-751.

Работы |2, 4-6, 8-12, 15-21, 23-31] опубликованы в периодических изданиях рекомендованных ВАК

/ ^ L^

Подписано в печать 03.09.12. Формат 60*84 7|6. Усл. иеч. л. 1,86. Тираж 100 экз. Заказ 838.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Иэдательско-пол»графического цектра Воронежского государственного университета. 394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3

2012281115

2012281115

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние исследований гетероэпитаксиальных структур. Обоснование актуальности темы.

ГЛАВА 1. СВОЙСТВА ЭПИТ АКСИАЛЬНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ А,В

1.1 Фундаментальные свойства полупроводниковых твердых растворов на основе А3В

1.2 Упорядочение в твердых растворах на основе А3В

1.3 Распады в твердых растворах на основе полупроводников А3В5 Спинодальный распад - фазовый переход с участием неустойчивых состояний.

1.4 Выводы. Цели и задачи, решаемые в работе.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Характеристики исследуемых гетероструктур.

2.2 Методики исследования полупроводниковых гетероструктур.

2.3 Определение состава твердого раствора и внутренних напряжений полупроводниковых гетероструктур на основе А3В5 методами рентгеноструктурного анализа.

2.3.1 Особенности рентгенографического метода обратной съемки.

2.3.2 Методика определения параметра решетки и состава твердого раствора с учетом внутренних напряжений в соответствии с законом Вегарда.

2.3.3 Основы стандартных геометрий рассеяния.

2.3.4 Определение напряжений в псевдоморфных гетероструктурах.

2.3.5 Метаморфные структуры: метод асимметричного отражения.

2.3.6 Методика разложения дифракционных профилей.

2.4 Оптические методы исследования

2.4.1 ИК - спектроскопия на отражение. Моделирование ИК спектров отражения от эпитаксиальных гетероструктур

2.4.2 Приближение однофононного резонанса для расчета спектра бинарного кристалла GaAs.

2.4.3 Моделирование ИК - спектров в модели пленка - подложка. Усовершенствование модели применительно к многокомпонентным системам.

2.4.4 Рамановская спектроскопия (комбинационное рассеяние света - КРС).

2.4.5 Фотолюминесцентная спектроскопия (ФЛ).

2.5 Микроскопические методы исследования поверхности гетероструктур.

2.5.1 Атомно - силовая микроскопия (АСМ) наноструктур.

2.5.2 Растровая электронная микроскопия (РЭМ).

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ AlxGa,xAs/GaAs(100)

3.1 Характер закона Вегарда в эпитаксиальных твердых растворах AlxGa,.xAs.

3.1.1 Твердые растворы AlxGaixAs в гетероструктурах, выращенные МОС-гидридной эпитаксией.

3.1.2 Результаты АСМ - исследований поверхности.

3.1.3 ИК - спектры отражения от эпитаксиальных гетероструктур. Плазмон — фононные спектры в гомоэпитаксиальных гетероструктурах. Моделирование ИК-спектров в адиабатическом приближении и модели пленка - подложка.

3.2 Сверхструктурная фаза AlGaAs2 в МОС - гидридных гетероструктурах AlojoGao 50As/GaAs(100).

3.2.1 Дифрактометрические исследования упорядочения в AlxGai xAs при х~0.50, выращенных на подложках GaAs(lOO).

3.2.2 Рентгенографические исследования. Прецизионное определение параметров.

3.2.3 Результаты АСМ - исследований поверхности гетероструктур со сверхструктурной фазой.

3.2.4 ИК - спектры отражения от эпитаксиальных гетероструктур, содержащих сверхструктурную фазу AlGaAs2.

3.2.5 Фотолюминесцентная спектроскопия МОС-гидридных твердых растворов AlxGaixAs со сверхструктурированием.

3.3 Высоколегированные гетероструктуры на основе AlxGaj.xAs:Si. Влияние кремния на релаксацию кристаллической решетки.

3.3.1 Рентгеноструктурные исследования

3.3.2 Образование твердых растворов в гомоэпитаксиальных структурах GaAs:Si/GaAs(100)

3.3.3 Образование четверных твердых растворов в гетероструктурах AlGaAs:Si/GaAs(100)

3.3.4 ИК-спектры гетероструктур AlxGai.xAs:Si/GaAs(100)

3.3.5 Фото люминесцентные спектры гетероструктур AlxGa|. xAs:Si/GaAs(100)

3.3.6 Обсуждение результатов исследований

3.4 Автолегированние углеродом гетероструктур AlxGai xAs:C/GaAs(100), полученных при пониженных температурах.

3.4.1 Рентгеноструктурные исследования

3.4.2 ИК-спектры отражения гетероструктур AlxGai xAs:C/GaAs(100).

3.4.3 Рамановские спектры

3.4.4 Спектры фотолюминесценции гетероструктур AlxGai. xAs:C/GaAs(100)

3.4.5 Определение концентраций углерода в твердых растворах.

3.5 Выводы

ГЛАВА 4. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ТРОЙНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Gaxrnl xP и InxGa,.xAs

4.1 Неустойчивость твердых растворов Оах1п[.лР.

4.1.1 Рентгеноструктурные исследования

4.1.2 Морфологические исследования поверхности гетероструктур.

4.1.3 Распад твердых растворов Сах1п1„хР.

4.2 Влияние буферного пористого слоя и легирования диспрозием на внутренние напряжения в гетероструктурах Са1пР:Бу/рог-СаАз/СаАвООО)

4.2.1 Дифрактометрические исследования и микроскопия.

4.2.2 ИК-спектры отражения

4.3 Упорядочение в системе метаморфных эпитаксиальных твердых растворов 1пхСа1хА8.

4.3.1 Определение биаксиалы-гой деформации пленок 1пхСа1.хА8 методом рентгеновской дифракции

4.3.2 Электронная микроскопия метаморфных слоев 1пчСа1„хА8.

4.3.3 Упорядочение в эпитаксиальном твердом растворе 1п0.48Са0 ззАв.

4.4 Многослойные гетероструктуры на основе 1пхСа1.хАз с погруженными монослоями ваАв и 1пАз.

4.4.1 Результаты исследования ИК - спектров отражения

4.4.2 Расчет относительных напряжений решетки в многослойных гетероструктурах.

4.4.3. Анализ полученных результатов

4.5 Выводы

ГЛАВА 5. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ С ЧЕТВЕРНЫМИ ТВЕРДЫМИ РАСТВОРАМИ СаДп,.хА8уРи ПРИ ЗАМЕЩЕНИИ АТОМОВ В ДВУХ ПОДРЕШЕТКАХ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ ЖФЭ

5.1 Рентгеноструктурные исследования жидкофазных гетероструктур

5.2 Морфология поверхности и сколов эпитаксиальных гетероструктур Са^п^хАз^.у/Саип^Р/СаАз (100) и GaxIni.JP/GaJni. хАз^.у/СгаЛп^Р ЮаАь (100)

5.3 Фотолюминесценция гетероструктур с четверными твердыми растворами

5.4 Анализ данных, полученных в результате комплексной диагностики объектов исследования. Расчеты параметров и составов компонент гетероструктур.

Уникальность свойств многослойных гетероструктур определяется атомными и электронными процессами, протекающими как в самих слоях, так и на границах между слоями. В связи с этим происходит постоянная модернизация технологий получения этих структур одновременно с развитием прецизионных методов диагностики и теории явлений в низкоразмерных системах.

Полупроводниковые соединения А3В5 и твердые растворы на их основе, в которых можно управлять шириной запрещенной зоны путем изменения состава, получать сверхструктурные фазы и доменную структуру, остаются в центре внимания исследователей в области полупроводниковой оптоэлектроники. Эти твердые растворы (ТР) имеют положительную энтальпию образования, что создает возможность их спонтанного распада при определенных температурах. В результате распада ТР могут самопроизвольно возникать структурные и фазовые неоднородности, в том числе сверхструктурные фазы упорядочения с образованием доменной структуры. Такие сложные системы наряду с бинарными соединениями А3В5 являются исходными материалами для компонентов микро и оптоэлектронных устройств.

Спонтанное возникновение периодически упорядоченных структур на поверхности и в эпитаксиальных пленках полупроводников охватывает широкий круг явлений в физике твердого тела и в полупроводниковой технологии, обусловленных процессами самоорганизации в конденсированных средах. Взрыв интереса к данной области связан с необходимостью получения полупроводниковых наноструктур с характерными размерами <100 нм. Спонтанное упорядочение наноструктур позволяет получать включения узкозонных полупроводников в широкозонной матрице и наоборот, и тем самым создавать локализующий потенциал для носителей тока. Периодические структуры таких включений могут образовывать сверхрешетки, состоящие из квантовых ям, проводов или точек. Явления спонтанного возникновения наноструктур создают основу для новой технологии получения упорядоченных массивов неоднородностей — базу для опто- и микроэлектроники нового поколения.

Актуальность проблемы упорядочения в то же время связана и с модификацией фундаментальных свойств полупроводниковых систем, обусловленной изменением симметрии сфалеритной структуры соединений А3В:>, следствием которого является возможное изменение ширины запрещенной зоны, переход от непрямозонного к прямозонному полупроводнику, инверсному порядку следования зон, усложнению оптических спектров сверхструктурных фаз в результате снятия вырождения с состояний потолка валентной зоны и дна зоны проводимости.

Обзор современной литературы дает представление о спонтанном упорядочении и образовании наноразмерных неоднородностей в твердых растворах на основе Ш-У. Однако, хорошо развитые теоретические представления в этих работах зачастую не подкреплены экспериментально. Потому экспериментальные исследования возникновения наноструктур в результате упорядочения или распадов в системах твердых растворов для достаточно хорошо согласованных по параметрам решетки твердых растворов А1хОа1.хАз, Са-Дп^Р, СаДп^АЗуР]^, а также в метаморфных ТР Ыхва^хАБ и многослойных структурах являются актуальными и практически важными.

Очевидно, что прогресс в экспериментальном изучении физических свойств квантоворазмерных структур тесно связан с развитием технологии их получения и в значительной мере им и определяется. Изготовление квантово-размерных структур в большинстве случаев требует создания полупроводниковых гетеропереходов с необходимыми свойствами. Для создания структур с двумерным электронным газом на основе гетеропереходов основным условием является требование близости параметров кристаллических решеток у обоих полупроводников, образующих гетеропару. Нарушение этого условия может привести к образованию высокой плотности дислокаций несоответствия вблизи гетерограницы, что резко ухудшает свойства переходов и делает невозможным наблюдение эффектов размерного квантования.

Поэтому моделирование физических процессов в полупроводниковой технологии, позволяющих выявлять оптимальные режимы получения ненапряженных эпитаксиальных слоев твердых растворов А3В5 максимально согласованных с параметром решетки монокристаллической подложки, в том числе с помощью легирования высокими концентрациями, по-прежнему остаются одной из актуальных задач современной физики и технологии полупроводниковых гетероструктур.

Цель работы заключалась в установлении основных закономерностей образования микро - и нано неоднородностей в гетероструктурах в результате распадов тройных и четверных твердых растворов на основе А3В5 или их упорядочения, а также в определении технологических условий полного согласования параметров решетки твердых растворов различных составов с монокристаллической подложкой СаАэ (100). Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие основные задачи:

-Исследование особенностей возникновения квазипериодических неоднородностей: сверхструктурных фаз упорядочения, микро- и нанодоменов в однослойных эпитаксиальных гетероструктурах на основе тройных твердых растворов А^Са^Аэ, Оах1пКхР, 1пхСа1хА5 выращенных методами жидкофазной и МОС-гидридной эпитаксии на ОаА8(ЮО), рентгеноструктурными, микроскопическими и оптико-спектроскопическими методами;

-Определение параметров кристаллических решеток и оптических свойств новых фаз;

-Изучение фазообразования под влиянием спинодального распада твердых растворов;

-Влияние легирования диспрозием и промежуточного буферного пористого слоя СаАэ на свойства эпитаксиальных гетероструктур Сах1п|хР:Оу/рог-ОаАв/ОаАзООО);

-Определение условий получения ненапряженных, полностью согласованных по параметру кристаллической решетки с подложкой СаАв(ЮО), эпитаксиальных твердых растворов AI.xGai.xAs различных составов путем легирования кремнием и углеродом. Определение необходимых концентраций соответствующих примесей; -Определение параметров решетки и состава доменов, образующихся при спинодальном распаде четверных твердых растворов Сах1п1.хА8уР].у в составе тройных эпитаксиальных слоев, выращенных на монокристаллических подложках СаАэ (100);

-Идентификация колебательных состояний и определение структурных и оптических параметров многослойных эпитаксиальных гетероструктур с квантовыми ямами и \у-канавками методом ИК-спектроскопии.

Объекты и методы исследования. В работе исследовались следущие серии образцов:

-гетероструктуры с наноразмерными неоднородностями на основе тройных твердых растворов А1хСаКхАз, Оах1п1хР, 1пхОа,.хА8;

- высоколегированные гетероструктуры на основе твердых растворов А1хСа|. хАз:81 и А1хСа]-хАз:С;

-гетероструктуры на основе четверных твердых растворов СаЛп^АЗуР^,; -многослойные гетероструктуры с погруженными слоями СаАй и ¡пАя и \у-канавками.

Все гетероструктуры были получены двумя методами: химическим осаждением из газовой фазы путем разложения металлорганических соединений (МОСГФЭ или МОС-гидридная эпитаксия) и жидкофазной эпитаксией (ЖФЭ) в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН в Лаборатории полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей (Санкт-Петербург).

Перспективные материалы, содержащие квантово-размерные неоднородности, представляют достаточно сложные объекты для исследований. Их структура и свойства находятся в сильной зависимости от технологии получения. Поэтому интерес представляет установление зависимости атомного строения и оптических свойств от условий формирования с целью управления их свойствами. Анализ влияния размерных эффектов в зависимости от состава на свойства исследуемых материалов производится неразрушающими методами, позволяющими получать прямые данные о структуре, оптических характеристиках, морфологии и энергетическом спектре. В данной работе использовался комплекс структурных и спектроскопических методов: рентгеновская дифрактометрия, , сканирующая электронная и атомно-силовая микроскопия, Рамановская и ИК-спектроскопия, фотолюминесцентная спектроскопия.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Закономерности возникновения сверхструктурных фаз упорядочения в эгштаксиальных тройных ТР полупроводников А3В5 при половинном замещении в металлической подрешетке на основе комплексных исследований структурными и спектроскопическими методами.

2. Образование сверхструктурной фазы упорядочения являющейся химическим соединением AlGaAsa в эпитаксиальных твердых растворах AlxGaixAs при х-0.50. Кристаллическая решетка обнаруженной фазы AlGaAs2 описывается тетрагональной структурой InGaAs2-THna (Layered Tetragonal) с параметрами сХ=2а±=2*5.646=11.292А, а1—5.6532А и направлением упорядочения [100].

3. Появление новой интенсивной эмиссионной полосы в спектрах фотолюминесценции с энергией Её=2.17эВ наряду с основной полосой Её=2.05эВ в твердом растворе Al0.50Ga0.50As обусловлено образованием сверхструктурной фазы AlGaAs2.

4. Возникновение фазы упорядочения Ga2lnP3 в виде квазипериодических доменов при распаде твердых растворов GaxInixP с х~0.50 обеспечивает хорошую планарность и минимальные внутренние напряжения кристаллической решетки в гетероструктурах GaxInt. xP/GaAs(100).

5. Обнаружение упорядоченной стехиометрической фазы InGaAs2 в метаморфных твердых растворах InxGai„xAs, выращенных на GaAs(lOO).

6. Образование микродоменов с поперечной слоистой наноструктурой при спинодальном распаде четверных твердых растворах InxGai.xAsyPi-у, заключенных между слоями тройных TP GaxIni„xP.

7. Определение условий полного согласования параметров кристаллических решеток эпитаксиальных твердых растворов AlxGai xAs с подложкой GaAs(lOO) в результате образования четверных твердых растворов (AlxGai.4As)iySiy и (AlxGa1.xAs)i.yCv при легирования высокими концентрациями кремния или авто легировании углеродом.

Научная новизна

Все результаты, сформулированные в научных положениях, получены впервые, начиная от постановки задачи исследования до численных расчетов, сравнения с экспериментом и интерпретации полученных данных. Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1. Впервые получены экспериметальные данные о возникновении структурной неустойчивости в гетероструктурах Al0 5oGa0 50As/GaAs (100) с образованием сверхструктурной фазы, являющейся химическим соединением AlGaAs2. Решетка обнаруженной фазы AlGaAs2 описывается структурой InGaAs2-THna (Layered Tetragonal) с [100]-направлением упорядочения. Введение 12

Тетрагональное сжатие чередующихся слоев, заполненных различными атомами Ga или А1, разделенных слоями мышьяка, происходит за счет слоевого упорядочения атомов А1 и Ga в подрешетке А3. Определена величина тетрагонального сжатия в направлении эпитаксиального роста 0.997а и параметры кристаллической решетки а1—5.6532 А, сХ=2а±=2*5.646=11.292 А. Фаза упорядочения может образовывать домены и антидомены, состоящие из 10 элементарных ячеек фазы AlGaAs2 и 10 элементарных ячеек антифазы GaAlAs2 длиной 1.13 нм.

2. Впервые экспериментально установлено, что при росте эпитаксиальных гетероструктур GaxIni.xP/GaAs(100) с х~0.50 возникает фаза упорядочения Ga2InP3 имеющая решетку CuPt-B-типа и параметр кристаллической решетки a^=5.6455 А в виде квазиупорядоченных доменов. Показано, что параметр решетки фазы упорядочения Ga2InP3 мало отличается от параметра решетки матрицы твердого раствора Ga0 5ДП0 ббР, которая обладает хорошей планарностью.

3. Впервые обнаружена сверхструктурная фаза InGaAs2 в метаморфных твердых растворах InxGai4As, выращенных на GaAs(lOO). Элементарная ячейка фазы упорядочения InGaAs2 кристаллической решеткой типа Layered Tetragonal состоит из 10 элементарных ячеек типа сфалерита с параметром элементарной ячейки av=5.3577A. Атомы в металлической подрешетке сверхструктурной фазы InGaAs2 должны быть расположены таким образом, чтобы параметр кристаллической решетки в направлении роста был равен параметру неупорядоченного твердого раствора, а параметр в плоскости роста испытывал сжатие вследствие возникновения явления упорядочения. Образование сверхструктурной фазы InGaAs2 не влияет на хорошую планарность эпитаксиального твердого раствора lnxGai.xAs.

4. Экспериментально показано, что при спинодальном распаде четверных твердых растворов GaxIn,.xAsvPi-v могут образовываться квазиупорядоченные домены, ориентированные вдоль направления [110] со слоистой поперечной наноструктурой. Максимумы фотолюминесценции доменов разных составов могут иметь близкие значения, если лежат вблизи одной изоэнергетической линии.

5. В многослойных эпитаксиальных гетероструктурах с погруженными слоями СаАэ и 1пАз напряжения растяжения или сжатия в окружающих слоях \¥-канавок могут приводить к частичному расслоению твердых растворов и локализовывать в них оптические фононы, как это происходит в случае сверхрешеток.

6. Впервые экспериментально установлена и обоснована возможность полного согласования параметров кристаллических решеток твердых растворов АЦОа^Ав различных составов и монокристаллической подложки ваАз за счет управляемого введения в решетку твердого раствора кремния и углерода с образованием твердых растворов (А^СакхАЮьу^у и (А^Са^Ав)). С

При высоких концентрациях углерода (у>0.001) атомы примеси могут концентрироваться на дефектах кристаллической решетки твердого раствора (А1хСа1„хА8)1уСу с образованием нанокластеров углерода. В результате обобщения совокупность полученных результатов работы можно охарактеризовать как крупное научное достижение в области диагностики полупроводниковых гетероструктур на основе А3В5 с квазипериодическими неоднородностями дифрактометрическими и спектроскопическими методами.

Практическая значимость

1. Разработанная методика регистрации запрещенного рефлекса (600) гетероструктур А3В5 на больших брэгговских углах отражения позволяет производить прецизионные измерения параметров компонент гетероструктур с точностью до четвертого знака, за счет использования рефлекса (600) монокристаллической подложки ОаА8(ЮО) в качестве внутреннего стандарта.

2. Прецизионные измерения параметров решеток кристаллических решеток и частот оптических фононов в системах с микро- и нано неоднородностями составляют основу структурно-спектроскопической диагностики гетероструктур, необходимой для разработки технологий устройств оптоэлектроники.

3. Моделирование технологических процессов в координатах: параметры кристаллических решеток ТР - состав ТР - температура роста ТР - давление при росте ТР позволяет определять оптимальные режимы получения полупроводниковых гетероструктур АЮаА8/СаА8(100) с полностью согласованными параметрами решетки путем растворения кремния и углерода в кристаллической решетке А^а^Аз при образовании твердых растворов (А1хСа|.хА8)1.у81у и (АЦСа^Ав^.уСу.

4. Полученные автором результаты внедрены и активно используются в технологических процессах роста гетероструктур в Лаборатории полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Научная обоснованность и достоверность полученных экспериментальных результатов, представленных в диссертационной работе, определяется использованием современной экспериментальной техники и воспроизведением обнаруженных эффектов в ряде зарубежных научных коллективов, о чем свидетельствуют ссылки в статьях, обзорах и монографиях на опубликованные автором работы по теме данной диссертации. В частности:

Результаты экспериментальных исследований явления упорядочения и распада в твердых растворах на основе А3В5 с возникновением неоднородностей, в том числе наноразмерных, подтверждают теоретические данные других авторов, исследовавших аналогичные проблемы. Данные по изучению структурных свойств методами рентгеновской дифракции, спектроскопии колебательных состояний подтверждаются прямыми экспериментами (включая данные по электронной микроскопии, полученные как в рамках диссертационного исследования, так и другими авторами) и согласуются с существующими теоретическими представлениями.

Результаты расчетов спектров ИК отражения однослойных и многослойных гетероструктур с достаточно высокой точностью совпадают с экспериментальными данными, а их интерпретация соответствуют выводам других авторов, исследовавших подобные структуры.

Основные результаты работы получены в Воронежском государственном университете в течение 2001-2011 гг. в соответствии с планами НИР Университета по направлению: «Физика полупроводников» в рамках научной школы проф. Домашевской Э.П. "Атомное и электронное строение твердых тел".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях

5-й Международной конференции "Явления релаксации в твердых телах". (Воронеж, 2004)

2-й, 3-й, 4-й Всероссийских конференциях "Физико-химические процессы в конденсированных состояниях и на межфазных границах". (ФАГРАН-2004, ФАГРАН - 2006, ФАГРАН - 2010 ), Воронеж, 2004, 2006, 2010

4-й, 5-й, 6-й Международных научных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», Кисловодск, 2004, 2005, 2006.

6-й, 7-й Всероссийских молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. Санкт-Петербург 2004,2005

9-й, 10-й 11-й конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов -2004, 2005. 2006 Владивосток

Ф 3-ей международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе САПР, АСНИ, СУБД и систем искусственного интеллекта (ИНФОС - 2005) Вологда 2005.

Четвертом международном междисциплинном симпозиуме Фракталы и прикладная синергетика «ФиПС-2005», Москва 14-17 ноября 2005г.

European Conference on Applications of Surface and Interface Analusis ECASIA'05 (Vienna, 2005), ECASIA'09 (Antalya, 2009),

10, 11 симпозиумах "Нанофизика и Наноэлектроника", 2006г. 2007г. Нижний Новгород

Международной конференции "GaAs - 2006". Томск.

10-й Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2006. Иркутск 2006г.

Seventh International Young Scientists Conference "Optics and High

Technology Material Science SP02006" Kiev, Ukraine, 2006 th

15 International symposium "Nanostructures: Physics and technology" 2007. Novosibirsk

8-й Российской конференции rio физике полупроводников "ПОЛУПРОВОДНИКИ-2007" г. Екатеринбург, 2007

6-й 7-й Всероссийской школы конференции Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении" г. Воронеж 2007, 2009

6-й Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники". Санкт-Петербург 2008 th

16 International Symposium Nanostructures: Physics and Technology. Institute of Automation and Control Processes, Vladivostok, Russia 2008

Nanostructure materials, applied optics and photonics. International school for young scientists within the framework of the 16th international simposium "Nanostructures: Physics and Technology". Vladivostok, Russia 2008.

11-ой научная молодежной школе по твердотельной электронике «Нанотехнологии, наноматериалы, нанодиагностика» Санкт-Петербург 2008.

17th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" Minsk, Belarus 2009

NATO Advanced Recearch Workshop "Advanced materials and technologies for Micro/Nano-Dcvices, Sensor and Actuators" NanoDSA'2009, St.Peterburg, Russia, June 29 - July 2, 2009

4-ой Всероссийской конференции с международным участием "Химия поверхности и нанотехнология" 2009, Хилово, Псковская обл.

Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи "Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов" Белгород, 2009

XII Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике Иркутская обл., Россия, 2010 г.

5th International Workshop on Crystal Growth Technology June 26 - 30, 2011 Berlin, Germany

E-MRS 2011 Fall Meeting, September 19 - 23, 2011 Warsaw University of Technology, Poland

11th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-11) St. Petersburg (Russia), October 2011

Личный вклад автора является основным и заключается в формулировке проблемы, постановке задач исследования, выбора методов исследования, проведении экспериментов, анализе, моделированию и интерпретации полученных данных, обосновании основных положений диссертации и развития научного направления - диагностика низкоразмерных полупроводниковых систем с квантово-размерными неоднородностями дифрактометрическими и спектроскопическими методами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Таким образом, на основании полученных в диссертационной работе данных удалось нам удалось показать, что спонтанное возникновение периодически упорядоченных структур на поверхности и в эпитаксиальных пленках полупроводников обусловлено в первую очередь процессами самоорганизации в конденсированных средах. Спонтанное упорядочение наноструктур позволяет получать включения узкозонных полупроводников в широкозонной матрице и наоборот, и тем самым создавать локализующий потенциал для носителей тока, тем самым явления спонтанного возникновения квазиупорядоченной структуры создает основу для новой технологии получения упорядоченных массивов неоднородностей — базу для опто- и микроэлектроники нового поколения.

На основании данных комплексного дифрактометрическими и спектроскопическими методами (рентгеновской дифрактометрией, ИК, Рамановской и фотолюминесцентной спектроскопией, атомно-силовой и растровой электронной микроскопией) получены следующие результаты и выводы:

1. В эпитаксиальных гетероструктурах А^Са^Ав/ваЛв (100) с х~0.50, полученных химическим осаждением из газовой фазы металлорганических соединений и гидридов (МОСГФЭ), обнаружена структурная неустойчивость с образованием сверхструктурной фазы упорядочения при х~0.50, являющейся химическим соединением АЮаАвг, с параметрами а"=5.6532 А, сХ=2а±=2*5.646=11.292 А;

2. Области сверхструктурной фазы упорядочения АЮаА82 проявляются в виде упорядоченного нанорельефа с периодом ~ 115 нм, кратным параметру слоистой тетрагональной фазы АЮаАБг с±= 1.13 нм. Нанорельеф обусловлен образованием доменов (АЮаА82) и антидоменов (ОаАЬАБг), сгруппированных в чередующиеся полосы, расположенные под углом 80° < а < 90° в виде "паркета" •

3. Фотолюминесценция от сверхструктурной фазы упорядочения АЮаАвг представляет собой эмиссионную полосу с энергией 2.17эВ, интенсивность которой сравнима , с интенсивностью эмиссии от неупорядоченного твердого раствора Al0.50Ga0.50As.

4. При высоком уровне легирования кремнием и автолегирования углеродом эпитаксиальных слоев гетероструктур AlxGaixAs/GaAs(100) образуются четверные твердые растворы (AlxGaI.xAs)i.ySiy и (AlxGaixAs)iyCy приводит позволяет добиться полного согласования параметров кристаллических решеток пленки и подложки.

5. При высоких концентрациях атомы углерода встраиваются в решетку и могут образовывать углеродные нанокластеры в четверном твердом растворе (AlxGai.xAs)iyCy. Рост эпитаксиальных гетероструктур GaxIni xP/GaAs(100) с х~0.50 при пониженной температуре и увеличенном потоке фосфина приводит к образованию доменов на основе фазы упорядочения Ga2InP3, квазипериодически распределенных в матрице TP Ga0.50bi0.50P. Параметр решетки а-*-=5.6460 Ä фазы упорядочения Ga2InP3 и параметр решетки неупорядоченного твердого раствора Gao.54Ino.66P ая>=5.6451 Ä, который является матрицей для роста доменной сетки практически совпадают, что подтверждает утверждение о хорошей планарности эпитаксиальных пленок.

6. Легирование диспрозием и использование пористого GaAs буферного слоя на подложке GaAs при взращивании эпитаксиальных слоев GaxInixP снимает напряжения рассогласования параметров пленки и подложки.

7. Рост метаморфных твердых растворов InxGaixAs на подложках GaAs(IOO) методом MOCVD может сопровождаться образованием сверхструктурной фазы InGaAs2 типа Layered Thetragonal с параметрами элементарной ячейки aJ-=5.8534Ä и al!=4.8301 ä.

8. В эпитаксиальных гетероструктурах с погруженными слоями InAs и GaAs вследствие различия их параметров решеток и параметров окружающих слоев происходит рост внутрислоевых напряжений в результате растяжения/сжатия окружающих слоев, вследствие чего формируются квантовые точки.

9. В результате релаксации параметров кристаллических решеток с нано-слоями InAs и GaAs в тетероструктурах, эпитаксиальные многослойные пленки оказываются полностью согласованными по параметрам кристаллических решеток с подложкой. Ю.При росте гетероструктур с четверными TP GaxInixP/GaxIni.xAsyPiy/GaxIni. ХР /GaAs (100) преобладает спинодальный механизм неустойчивости четверного твердого раствора в области несмешиваемости, с образованием субструктуры из квазиупорядоченных доменов. Микродомены представляют имеют слоистую поперечную наноструктуру с параметрами Ь = а/ 3ис = а/ 2(а- длина, b - ширина, с - высота).

11.В результате образования доменов в трехслойных тетероструктурах возникает дополнительная длинноволновая полоса с энергией Её=1.65эВ и интенсивностью сопоставимой с основной полосой фотолюминесценции от четверного TP GaxIni.xAsyPiy с Е„=1.84эВ.

12.Состав доменов, образующихся при распаде эпитаксиальных четверных твердых растворов GaxIni.xAsyPi.y определен на основании закона Вегарда и уравнения Куфала. Максимумы фотолюминесценции доменов различных составов, в матрице трехслойных гетероструктур с четверными TP могут иметь близкие значения из-за расположения вблизи одной изоэнергетической линии диаграммы составов четверных ТР.

Благодарности;

Автор глубоко признателен своему научному консультанту - профессору Воронежского государственного университет Э.П. Домашевской за помощь в постановке проблемы и научные консультации, профессорам ФТИ им. Иоффе И.Н. Арсентьеву и И.С. Тарасову за непрерывное сотрудничество и предоставленные образцы для исследований. Кроме того автор благодарит Д.А. Винокурова, A.B. Глотова, В.Е. Терновую (Рудневу), Татьяну Прутских (Университет Пуэбло, Мексика) и других соавторов публикаций, вошедших в данную работу, за плодотворное творческое сотрудничество, помощь поддержку, а также за ценные замечания по диссертационной работе.

1. Ж.И.Алферов История и будущее полупроводниковых гетероструктур ФТП, 1998, том 32, выпуск 1

2. Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, П.С. Копьсв, Ж.И, Алфёров, Д. Бимберт. Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры // ФТП. 1998. Т. 32, № 4. - С. 385 - 410.

3. Alferov Zh.I., Andreev V.M., Konnikov S.G., Larionov y.R., Shelovanova G.N. // Kristall und Technik. 1976. -V. 11, P. 1013

4. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры Пер. с англ. Под ред. Л. Чепга, К. Плога. // М: Мир, 1989 584 е., ил.

5. Yu.A. Goldberg. Handbook Series on Semiconductor Parameters, ed. by M. Levinshtein, S. Rumyantsev and M. Shur 11 World Scientific, London, -1999. V. 2, P. 1.

6. S. Gehrsitz. Compositional dependence of the elastic constants and the lattice parameter of A1xGaMAs / S. Gehrsitz and H. Sigg et al И Phys.Rev. B. 1999. -V.60P.16.

7. Z.R. Wasilewslci. Composition of AlGaAs / Z.R. Wasilewski, M.M. Dion, D.J. Lockwood, P. Pole, R.W. Streater, and A.J. Spring Thorpe // J. Appl. Phys. 1997. - V.81, P.1683.

8. D Zhou. Deviation of the AlGaAs lattice constant from Vegard's law/ D Zhou and B.F. Usher // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. - V.34, P. 1461-1465.

9. Tanner В К. Measurement of aluminum concentration in epitaxial layers of AlxGai . xAs on GaAs by double axis x-ray diffractometry / B.K. Tanner, A. G. Turnbull, C.R. Stanley, A.H. Kean and M. McElhinney // Appl. Phys. Lett.- 1991. -V. 59, P. 2272-2274

10. Goorsky M.S. Determination of epitaxial A^Ga^As composition from x-ray diffraction measurements/ M.S. Goorsky, T.F. Kuech, M.A. Tischler and R.M. Potemski // Appl. Phys. Lett. 1991. -V. 59, P. 2269-71

11. M. Ilegems. Infrared Reflection Spectra of Ga|.xAl^As Mixed Crystals / M. Ilegems, G.L. Pearson // Phys. Rev. B. 1970. - V.l, 1.4, P. 1576-1582.

12. F. Chang. Optical Phonons in Ga^AljAs Mixed Crystals: A Modified Random-Element Isodisplacement-Model Calculation /. F. Chang, S.S. Mitra // Phys. Rev. B. 1970. - V. 2,1. 4, P. 1215-1216.

13. Yu. A. Pusep. Spectroscopy of the optical vibrational modes in GaAs/AlxGai-vAs heterostructures with monolayer-wide AlxGaixAs barriers / Yu. A. Pusep et al. // Phys.Rev. 1995. - V.52,1.4, P.2610-2618.

14. C.G. Olson. Longitudinal-Optical-Phonon-Plasmon Coupling in GaAs / C.G. Olson and D.W. Lynch // Phys. Rev. 1969. - V.l77, P. 1231.

15. A. Mooradian. Observation of the Interaction of Plasmons with Longitudinal Optical Phonons in GaAs/ A. Mooradian, G. Wrihgt // Phys. Rev. Lett. 1966. -V. 16, P.999.

16. M.H. Brodsky. Infrared reflection spectra of GaJn^As. Phys. Rev. Lett. -1968. V.21, -N.14, P.990.

17. Lorenzo Pavesi and Mario Guzzi / Photoluminescence of AlxGa.xAs alloys //J. Appl. Phys. 75,4779 (1994)

18. K. Uchida. Heavy carbon doping of GaAs by MOVPE using a new dopant source CBrC13 and characterization of the epilayers / K. Uchida et al. // J. Cryst. Growth. 2003. - V.248. - 124 p.

19. M. Longo. Controlled intrinsic carbon doping in MOVPE-grown GaAs layers by using TMGa and TBAs / M. Longo et al. // J. Cryst. Growth. 2003. -V.248.-119 p.

20. Mimila-Arroyo J. Acceptor reactivation kinetics in heavily carbon-doped GaAs epitaxial layers / J. Mimila-Arroyo, S.W. Brand // Appl. Phys. Lett. 2000. -V.77. -1164 p.

21. C. Monier. Observation of enhanced transport in carbon-doped InGaAsN after in situ anneal and its impact on performance of NpN InGaP/InGaAsN heterojunction bipolar transistors / C. Monier et al. // Appl. Phys. Lett. 2002. -V.81.-2103 p.

22. Takamoto T. High-efficiency InGaP/ln0.01Ga0.99As tandem solar cells lattice-matched to Ge substrates / T. Takamoto, T. Agui, E. Ikeda // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2001. - V.66. - 511 p.

23. Comparison of carbon and zinc p-clad doped LP MOCVD grown InGaAs/AlGaAs low divergence high-power laser heterostructures / P.V. Bulaev et al. // J. Cryst. Growth. 2003. - V.248. - 114 p.

24. Mashita M. Comparative study on carbon incorporation in MOCVD AlGaAs layers between arsine and tertiarybutylarsine / M. Mashita, H. Ishikawa, T. Izumiya // J. Cryst. Growth. 1995. - V.155. - 164 p.

25. Fujii K. Dependence of carbon incorporation on growth conditions for unintentionally doped AlGaAs during metalorganic vapor-phase epitaxy / K. Fujii, M. Satoh, K. Kawamura// J. Cryst. Growth. 1999. - V.204. -10 p.

26. S.I. Kim. Characteristics of heavily carbon-doped GaAs by LPMOCVD and critical layer thickness / S.I. Kim et al. // J. Cryst. Growth. 1993. - V. 121. -441 P

27. Pristovsek M. In situ investigation of GaAs (001) intrinsic carbon p-doping in metal-organic vapour phase epitaxy / M. Pristovsek, B. Han, J.T. Zettler, // J. Cryst. Growth. 2000. - V.221. - 149 p.

28. M. Takahashi. Growth and fabrication of strained-layer InGaAs/GaAs quantum well lasers grown on GaAs(311)A substrates using only a silicon dopant / M. Takahashi etal.//J. Appl. Phys. 1997. - V.82. 1.9.-4551 p.

29. M. Csontos. Nanostructures in p-GaAs with improved tenability / M. Csontos et al. // Appl. Phys. Lett. 2010. - V.97.- Pp. 022110-022113.

30. C. R. Aberaathy, S. J. Pearton, R. Caruso, F. Ren and J. Kovalchik: Appl. Phys. Lett. 55 (1989) 1750.

31. T.S. Kuan. Long-Range Order in AltGaj,xAs / T.S. Kuan, T.F. Kuech, W.I. Wang // Phys. Rev. Lett. 1985. - V.54, P.201.

32. J.L. Martins. Bond lengths around isovalent impurities and in semiconductor solid solutions/ J.L. Martins and A. Zunger // Phys. Rev. Lett. 1986. -V.56 P. 1400.

33. R.G. Dandrea. Stability of coherently strained semiconductor superlattices / R.G. Dandrea, J.E. Bernard, S-H. Wei, and A. Zunger // Phys. Rev. Lett. 1990. -V.64, P. 36.

34. Alex Zunger. Spontaneous Atomic Ordering in Semiconductor Alloys: Causes, Carriers, and Consequences / Alex Zunger // MRS-IRS bulletin/ July 1997. http://www.sst.nrel.gov/images/mrs97

35. Сато. X. Применение метода эпитаксиальных пленок для изучения электронной структуры некоторых сплавов / X. Сато // Монокристаллические пленки под. Ред. З.Г. Пинскера.- М.: Мир, 1966. С. 371-390

36. Хансен М. Структуры двойных сплавов / М. Хансен, К. Андерко // М.: Металугриздат, 1962.

37. Ueda. Atomic Ordering in (llO)InGaAs and Its Influence on Electron

38. Mobility / O. Ueda, Y. Nakata // Materials Science Forum . 1992. - V. 83 - 87.

39. Defects in Semiconductors. 16. - p. 1297-1302

40. S-H. Wei and A. Zunger, Appl. Phys. Lett. 56 (1990) p. 662.

41. A. Gomyo, T. Suzuki, and S. Iijima / Observation of Strong Ordering in GatIni

42. XP alloy semiconductors // Phys. Rev. Lett. 60, 2645-2648 (1988)

43. S-H. Wei. First-principles calculation of alloy phase diagrams: Therenormalized-interaction approach / S-H. Wei, L.G. Ferreira, and A. Zunger //

44. Phys. Rev. В. 1989. - V.40, P.3197-3231.

45. Lee, Ho Seong. CuAu-I-type ordered structures in InxAlixAs epilayers grown on (001) InP substrates / Lee, Ho Seong; Lee, Jeong Yong //Applied Physics Letters. 2003. -V. 82. -1.18.-P. 2999 - 3001.

46. B. Koiller. Small-crystal approach to ordered semiconductor compounds / B. Koiller, A.M. Davidovich // Phys. Rev. Lett! 1990. - V.41, P.3670.

47. B.D. Pattreson. Spontaneous Ordering in AlGaAs / B.D. Pattreson (univ. Zurich) et al. // PSI annual report 1997. www.physik.unizh.ch/rcports/rcportl999.html

48. E. Muller and B. Patterson (PSI). 11 PSI annual report 2000. www.phys ik. unizh.ch/reports/report2000.html

49. H. Dumont. Enhancement of atomic ordering in In0.53Ga047As/lnP: a comparison between trimethylarsenic and arsine / H. Dumont, L. Auvray, J. Dazord, Y. Monteil, O. Marty and M. Pitaval // Thin Solid Films. 2004. - V. 458.-I. 1-2.-P. 154-160.

50. M.A. Shahid. Atomic ordering in Ga0.47ln0 53AS and GaxInixAsyPiy alloy semiconductors / M.A. Shahid, S. Mahajan, D.E. Laughlin, and H.M. Cox // Phys. Rev. Lett. 1987. - V.58. - P. 2567.

51. H.R. Jen. Ordered structures in GaAsosSbo.s alloys grown by organometallic vapor phase epitaxy/ H.R. Jen, M.J. Cheng, and G.B. Stringfellow // Appl. Phys. Lett. 1986,-V.48, P. 1603.

52. Su-Huai Wei Band gaps and spin-orbit splitting of ordered and disordered AlGaAs and GaAsSb alloys / Su-Huai Wei and Alex Zunger //Phys.Rev. B V 39, N 5 15 February 1989-1

53. First-principle calculations of electronic and positronic properties of AlGaAs2 S. Laref, S. Mec-abih, B. Abbar, B. Bouhafs, A. Laref / Physica B 396 (2007) 169-176

54. T.P.Pearsall. GalnAsP alloy semiconductors. New York, Wiley, 1982.

55. N.Nakajima, A.Yamaguchi, K.Akita, T.Kotani. "Phase diagram of the In-Ga-As-P quaternary system and LPE growth conditions for lattice matching on InP substrates". J.Electrochem.Soc., 1978, v.125, p.123.

56. S.Mukai. "Photoluminescent and electrical properties of InGaPAs mixed crystals liquid-phase-epitaxially grown on (100) GaAs". J.Appl.Phys., 1983, v.54, №5, p.2635.

57. A.Knauer, G.Erbert, S.Gramlich, A.Oster, E.Richter, U.Zeimer, M.Weyers. "Metalorganic vapor phase epitaxial growth of GalnAsP/GaAs". J.Electron. Mater., 1995, v.24, №11, p.1655.

58. Vavilova, Kapitonov, Livshits, Lyutetskij, Murashova, Pikhtin, Skrynnikov, Tarasov // Semiconductors, Vol. 34, No. 3, pp. 319-322 (2000).

59. R.Kudela, M.Morvic. "Immiscibility in In,.xGaxP.yAsy lattice matched to GaAs". Phys.stat.sol.(a), 1986, v.95, p.Kl.

60. S.Mahajan, B.V.Dutt, H.Temkin, R.J.Cava, W.A.Bonner. "Spinodal decomposition in InGaAsP epitaxial layers": J.Cryst.Growth, 1984, v.68, p.589.

61. A.G.Norman, G.R.Booker. "Transmission electron microscope and transmission electron diffraction observations of alloy clustering in liquid-phase epitaxial (001) GalnAsP layers". J.Appl.Phys., 1985, v.57, №10, p.4715.

62. Ustinovshikov Y I J. Mater. Sci. 27 3993 (1992)

63. Установщиков Ю. И., Корецкий В. П. Докл. РАН 354 39 (1997)

64. Woodilla J Е (Jr), Averbach В L Acta Metall. 16 255 (1968)

65. Chevalier J-P A A, StobbsWMActa Metall. 24 535 (1976)

66. Higgins J, Nicholson R B, Wilkes P Acta Metall. 22 201 (1974)

67. Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов (М.: Наука, 1974)

68. Келли А., Николсон Р. Дисперсионное твердение,—М.: Металлургия, 1966.

69. Cahn J. W.//Trans. AIME. 1968. V. 242. P. 166.

70. Кристиан Дж. Теория превращения в металлах и сплавах. Ч. I.—М.: Мир, 1978.

71. Слезов В.В., Сагалович В.В. Диффузионный распад твердых растворов//УФН. — 1987. — Т . 151. —Вып. 1. — С . 67-104

72. Скрипов В.П., Скрипов А.В. Спинодальный распад// УФН. 1979. -Т. 128. - Вып. 2. - 193-231

73. J.W. Cahn, Acta Met. 10, 179, 1962

74. Handbook of Semiconductors Technology. Processing of Semiconductors / Edited by K.A. Jackson and W. Schroter. Volume 2 // Wiley-VCH Verlag, 2000.

75. Келдыш Л.В. // Физика твердого тела. 1962. т.4, - С. 2265.

76. Бом. Д. Квантовая теория / Д. Бом. М.: Наука, 1965.

77. Х.Кейси Лазеры на гетероструктурах / Х.Кейси, М. Паниш. М.: Мир, 1981.

78. John Е. Ayers Heteroepitaxy of semiconductors : theoiy, growth, and characterization. (Taylor & Francis Group, LLC, 2007).

79. Я.С. Уманский. Рентгенография металлов / Я.С. Уманский // Металургиздат. М.: 1960.

80. Уманский Я.С. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С. Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, Л.Н. Расторгуев // М.: Металургиздат. 1982. 632с.

81. Павлов П.В. Физика твердого тела. / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов // Издательство Нижегородского государственного университета, Нижний Новгород, 1993, 491с.

82. Русаков А.А. Рентгенография металлов. / А.А. Русаков // М.: Атомиздат. -1977.480с.

83. Руководство по эксплуатации и ремонту рентгеновского дифрактометра ARL X'TRA Thermo Fisher.

84. П.В. Середин. Цифровое представление информации при рентгенографической регистрации рентгенограмм / П.В. Середин // Конденсированные среды и межфазные границы. Т.5. №1. 2003г.

85. С. Bocchi, С. Ferrari, P. Franzosi, et al., J. Cryst. Growth 132 (1993) 427.

86. Landolt-Bomstein, Semiconductors, Vol. 17, subvol. A Springer, Berlin (1987).

87. K. Ishida, J. Matsui, T. Kamejima, and I. Sakuma, Phys. Status Solidi A 31 (1975) 255.

88. Kpocc А. Введение в практическую инфракрасную спектроскопию /А. Кросс. // пер. с англ.-М.: 1961.

89. М. Борн. Динамическая теория кристаллических решеток / М. Борн, X. Кунь.//ИЛ, 1958

90. H.W. Verleur. Infrared Lattice Vibration in GaAsyPiy Alloys / H.W. Verleur, A.S. Barker//Phys. Rev. 1966. -V. 149, P.715.

91. Ю.И. Уханов. Оптические свойства полупроводников / Ю.И. Уханов // М.: Наука, 1977

92. W.G. Spitzer. Infrared Properties of Hexagonal Silicon Carbide / W.G. Spitzer, D. Kleinman, D. Walsh. // Phys. Rev. 1959. - V.l 13, P.l

93. H.W. Verleur. // JOSA. 1968. - V. 58, P.1356.

94. B.C. Виноградов. Влияние упругих напряжений на ИК спектры решеточных колебаний в эпитаксиальных пленках ZnSe на подложке (001) GaAs / B.C. Виноградов, Л.К. Водопьянов и др. // 1999. - Т.41, вып.11.

95. Л.К. Водопьянов. Длинноволновые оптические фононы в сверхрешетке ZnTe/Zn0.8Cd0.2Te / Л.К. Водопьянов, С.П. Козырев, Ю.Г. Садофьев. // -2003. -Т.45, вып. 10.

96. Л.К. Водопьянов. Длинноволновая ИК спектроскопия сверхрешеток ZnTe/CdTe с квантовыми точками / Л.К. Водопьянов, С.П. Козырев, Г. Карчевски. //-2003. Т.45, вып.9.

97. С.П. Козырев. // Физика твердого тела. 1994. - Т.36, вып. 10, С. 3008.

98. Л.К. Водопьянов. Решеточная ИК-спектроскопия эпитаксиальных слоев Zn|.xCdxSe, выращенных на подложке GaAs методом молекулярнолучевой эпитаксии / JI.K. Водопьянов, С.П. Козырев, Ю.Г. Садофьев. // Физика твердого тела. 1999. -Т.41, Вып.6, С.982.

99. Фальковский Л А "Исследования полупроводников с дефектами методом комбинационного (рамановского) рассеяния света" УФН 174 259-283(2004)

100. М.М. Сущинский. Применение комбинационного рассеяния света к исследованию состава и строения вещества / М.М. Сущинский, П.А. Бажулин// УФН 63 вып 2 301-321

101. A.S.T.M. Diffraction Data Cards 1972

102. В. Пирсон. Кристаллохимия и физика металлов и сплавов. Части 1-2. // М.: Мир, 1977г, перевод.

103. П.В. Середин Структурные и оптические свойства эпитаксиальных твердых растворов при спинодальном распаде в гетероструктурах AlxGai xAs/GaAs(100) и GaxIn,.xP/GaAs(100) / П.В. Середин // Известия Высших учебных заведений. Физика. Т. 12/3, 2009

104. П.В. Середин Спинодальный распад в эпитаксиальных твердых растворахгетероструктур AlxGai.xAs/ GaAs(lOO) и GaxInixP/GaAs(100) / П.В. Середин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 11, №3, 2009, с.46-52

105. Э.П. Домашевская. ИК-спектры отражения и морфология поверхности эпитаксиальных гетероструктур AlxGai.xAs/GaAs(100) с фазой упорядочения AlGaAso / Э.П. Домашевская, П.В. Середин и др. // Физика и техника полупроводников 2006. Вып.4.

106. Е.Р. Domashevskaya. XRD, AFM and IR investigation of ordered AlGaAs2 phase in epitaxial AlxGa,.xAs/GaAs (100) Heterostructures / E.P. Domashevskaya, P.V. Seredin et al II Surface and Interface Analysis. -2006. V. 38, 1.4 , P. 828 -832.

107. А. Пуле. Колебательные спектры и симметрия кристаллов./ А. Пуле, Ж.-П. Матье. Пер. с франц. под ред. Г.Н. Жижина .// М.: Мир, 1973

108. Характеристики новых полупроводниковых материалов // http://www/wffe.rii/SVA/NSMSemicond/AlGaAs/basic.html

109. I.Isiak К. P., Milnes A. G. // J. Appl. Phys. 46, 5224 (1975),

110. Sze S. M. (1981), Physics of Semiconductor Deviccs, New York: John Wiley and Sons.

111. Naresh Chand, Tim Henderson, John Klem, W. Ted Masselink, Russ Fischer, Yia-Chung Chang, Hadis Morkoc. Comprehensive analysis of Si-doped AlxGabxAs (x = 0 to 1): Theoiy and experiment // Phys. Rev. 1984. V. В 30. P. 4481-4492.

112. Mizuta M., Tachikawa M., Kukinioto, Minomura S. Direct evidence for the DX center being a substitutional donor in AlGaAs alloy system// Jpn. J. Appl. Phys. 1985. V. 24, NL 143-146.

113. Борисов В.И., Сабликов В.А., Борисова И.В., Чмиль А.И. / Перезарядка центров с глубокими уровнями и отрицательная остаточная фотопроводимость в селективно легированных гетероструктурах AlGaAs / GaAs/ФТП, том 33, выпуск 1 (1999)

114. Subhasis Ghosh, Vikram Kumar / Inverted order of acccptor and donor levels of the Si-related DX center in AlxGa!.xAs//Phys. Rev. В 55, 4042-4045 (1997)

115. H. Mejri. The DX center in Si planar - doped AlxGal-xAs (x=0.32)/ H. Mejri, A. Selmi, H. Maaref, and J. C. Bourgoin // J. Appl. Phys. 69, 4060 (1991)

116. D. N. Talwar and M. Vandevyver // Phys. Rev. В 40, 9779 (1989)

117. Wasilewski Z R, Dion M M, Lockwood D J, Poole P, Streater R W and Spring Thorpe A J. II J. Appl. Phys. 1997; 81, 1683-94.

118. Fleischer, S.; Beling, C. D.; Fung, S.; Nieveen, W. R.; Squire, J. E.; Zheng, J. Q.; Missous, M. II J. Appl. Phys. 1997; 81,1.

119. Ghadi D.J., Chang K.J. Energetics of DX-center formation in GaAs and AlxGal-xAs alloys // Phys. Rev. 1989. V.39. P. 10063-10074.

120. W. A. Harrison, Electronic Structure and the Properties of Solids H. Freeman, San Francisco, 1980

121. D. Wolverson and D. M. Bird, C. Bradford, K. A. Prior, and В. C. Cavenett // Phys. Rev. В, V. 64, 113203 (2001)

122. DX Centers: Donors in AIGaAs and Related Compounds: Donors in AlGaAs and Related Compounds (Defect and Diffusion Forum) by Elias Munoz Merino 01 Apr 1994 Trans Tech Publications Ltd

123. W. Hayes and R. Loudon. Scattering of Light by Crystals. (John Wiley & Sons, New York, 1978).

124. M. Bulbul, G.D. Fan-an and S.R.P. Smith. Eur. Phys. J. B, 24, 3, 6 (2001).

125. B. Jusserand and J. Sapriel. Phys. Rev. В., 24, 7194 (1981).

126. Moonsuk Seon. Thesis. Texas Tcch University (1999).

127. A.J. Moll. E.E. Haller, J. W. Agedll. and W. Walukiewicz. Appl Phys. Lett. 65,1145 (1994).

128. J. Wagner, R. С Newman, B. R. Davidson, S. P. Westwater, T. J. BuUough, Т. B. Joyce, C. D. Latham, R. Jones, and S. Oberg. Phys. Rev. Lett. 78:74 (1997).

129. V. Swaminathan, J. L. Zilko, W. T. Tsang and W. R. Wagner. J. Appl. Phys. 53,5163 (1982).

130. Hong Wang, Geok Ing Ng, Haiqun Zheng, and Penghua Zhang. J. Appl. Phys., 86, 11 (1999).

131. S. Fleischer, C. D. Beling, and S. Fung. Journal of Applied Physics, 81, 1, 190-198 (1997).

132. A. Gaber, H. Zillgen, P. Ehrhart, P. Partyka and R. S. Averback. Appl. Phys., 82, 5348 (1997).

133. П.В. Середин Субструктура и люминесценция низкотемпературных гетероструктур AlGaAs/GaAs(100)/ П.В. Середин, А.В. Глотов, Э.П.

134. Домашевскя, И.Н. Арсентьев, Д.А. Винокуров, А.Л. Станкевич, И.С. Тарасов// Физика и техника полупроводников, том 44, выпуск 2, 2010

135. Su-Huai Wei and Alex Zunger /Optical properties of zinc-blende semiconductor alloys: Effects of epitaxial strain and atomic ordering//Phys. Rev. В 49, 14337-14351 (1994)

136. P. Ernst, C. Geng, F. Scholz, H. Schweizer, Yong Zhang et al. /Bandgap reduction and valenceband splitting of ordered GaInP2// Appl. Phys. Lett. 67, 2347 (1995)

137. P. Ernst, C. Geng, F. Scholz, H. Schweizer /Ordering in GaInP2 studied by optical spectroscopy //Physica status solidi (b) Volume 193, Issue 1, pages 213— 229, 1 January (1996)

138. P. Bellon. Chemical ordering in GaxInl-xP semiconductor alloy grown by metalorganic vapor phase epitaxy / P. Bellon, J. P. Chevalier, G. P. Martin, E. DupontNivet, C. Thiebaut et al.//Appl. Phys. Lett. 52, 567 (1988)

139. Н. Foil, J. Carstensen, S. Langa, M. Christophersen, and I. M. Tiginyanu, Phys. Stat. Sol. (a), 197, 1, 61, (2003).

140. P.V. Seredin Role of the buffer porous layer and dysprosium doping in GaInP:Dy/por-GaAs/GaAs(100) heterostructures / P.V. Seredin, E.P. Domashevskaya et. al. //Phys. Status Solidi С 6, No. 7, 1694- 1696 (2009)

141. П.В. Середин Влияние буферного пористого слоя и легирования диспрозием на внутренние напряжения в гетероструктурах GaInP:Dy/por-GaAs/GaAs(100) / П.В. Середин, Э.П. Домашевская и др. // ФТП, 2009, том 43, выпуск 8

142. Petroff P.M., Medeiros-Ribera G. MRS Bull., 21, 50, (1996).

143. J. F. Chen, С. H. Chiang, P. C. Hsieh, and J. S. Wang J. Appl. Phys., 101, 033702 (2007).

144. J. M. Ballingall, P. A. Martin, J. Mazurowski, P. Ho, P. C. Chao, P. M. Smith, and К. H. G. Duh. Thin Solid Films, 231, 95, (1993).

145. S. Heun, J. J. Paggel, L. Sorba, S. Rubini, A. Bonanni, R. Lantier, M. Lazzarino, B. Bonanni, and A. Franciosi, J.-M. Bonard, J.-D. Ganie're, Y. Zhuang and G. Bauer. J. Appl. Phys., 83, 5, 1 (1998).

146. Chavarkar, P.; Mathis, S.; Zhao, L.; Keller, S.; Speck, J.; Mishra, U. Journal of Electronic Materials, 29, 7, (2000).

147. Adachi S. Physical properties of III-V semiconductor compounds (Wiley, 1992)

148. S.H. Wei and A. Zungcr. Appl. Phys. Lett. 56, 662, (1990).

149. T. Kufui anh H. Saito. Jpn. J. Appl. Phys. 23, L521, (1984).

150. H. Nagai. J. Appl. Phys., 45, 9, (1974).

151. A. Madhukar et al, Appl. Phys. Lett. 64, 2727 (1994).

152. F. Hatami et al, Appl. Phys. Lett. 67, 656 (1995).

153. D. A. Vinokurov et al, Semiconductors 35, 235 (2001).

154. U. Pusep et al. Pisma v GTEF. 52, 9, (1991)

155. T.P.Pearsall. GalnAsP alloy semiconductors. New York, Wiley, 1982.

156. T.Yamamoto, K.Sakai, S.Akiba, Y.Suematsu. "In.xGaxAsvPiy/InP DH lasers fabricated on InP(lOO) substrates". IEEE J.Quantum Electron., 1978, v. 14, p.95.

157. R.J.Nelson. "Near-equilibrium LPE growth of low threshold current density InGaAsP 0=1.35|ш1) DH lasers". Appl.Phys.Lett., 1979, v.35, №9, p.654.

158. N.A.Bert, A.T.Gorelenok, A.G.Dzigasov, S.G.Konnikov, T.B.Popova, V.K.Tiblov. "Epitaxial growth of InGaAsP solid solutions lattice-matched to InP". J.Cryst.Growth, 1981, v.52, p.716.

159. O.Ueda, S.Isozumi, S.Komiya. "Composition-modulated structures in InGaAsP and InGaP liquid phase epitaxial layers grown on (001) GaAs substrates". J.J.Appl.Phys., 1984, v.23, №4, p.L241.

160. J.S.Roberts, G.B.Scott, J.P.Gowers. "Structural and photoluminescent properties of GaJn^JP (x~0.5) grown on GaAs by molecular beam epitaxy". J.Appl.Phys., 1981, v.52, p.4018.

161. J.P.Gowers. "ТЕМ image contrast from clustering in Ga-In containing III-V alloys". Appl.Phys.A., 1983, v.31, p.23.

162. P.Hcnoc, A.Izrael, M.Quillec, H.L.Launois. "Composition modulation in liquid phase epitaxial InxGai-xAsyP.y layers lattice matched to InP substrates". Appl.Phys.Lett., 1982, v.40, №11, p.963.

163. F.Glas, M.M.J.Treacy, M.Quillec, H.Launois. "Interface spinodal decomposition in LPE InxGaNxAsyPiy lattice matched to InP". Journal de physique, 1982, colloque C5, T 43, p.C5.

164. И.П.Ипатова, В.Г.Малышкин, А.Ю.Маслов, В.А.Щукин. "Образование периодических структур с модулированным составом при когерентном разделении фаз в четверных твердых растворах полупроводников АШВУ". ФТП, 1993, том 27, вып.2, с.285.

165. В. J1. Альпстович, Ю. Б. Болховитянов, С. И. Чикичев, А. Г. Паулиш, А. С. Терехов, А. С. Ярошевич, ФТП, 35, 1102 (2001).

166. С. Lamberti, Surface Science Reports, 53, (2004).

167. P. Ernst, C. Geng, G. Hahn, F. Scholz, H. Schweizer, F. Phillipp and A. Mascarcnhas // J. Appl. Phys. 79, 2633 (1996).