ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2023-23-4-703-710ntv-200Research ArticleНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИMATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIESОсобенности выращивания твердых растворов Ga1–xInxAs на подложках GaAs в поле температурного градиента через тонкую газовую зонуPeculiarities of growing Ga1–xInxAs solid solutions on GaAs substrates in the feld of a temperature gradient through a thin gas zonehttps://orcid.org/0000-0003-3153-696XДевицкийО. В.DevitskyO. V.

Девицкий Олег Васильевич — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник;  старший научный сотрудник

sc 57193670678

Ростов-на-Дону, 344006

Ставрополь, 355017

Oleg V. Devitsky — PhD, Leading Researcher; Senior Researcher

sc 57193670678

Rostov-on-Don, 344006

Stavropol, 355017

v2517@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5534-9694ЛунинЛ. С.LuninL. S.

Лунин Леонид Сергеевич — доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории; главный научный сотрудник; профессор

sc 7004378221

Ростов-на-Дону, 344006

Ставрополь, 355017

Новочеркасск, 346428

Leonid S. Lunin — D.Sc. (Physics & Mathematics), Chief Researcher; Chief Researcher; Professor

sc 7004378221

Rostov-on-Don, 344006

Stavropol, 355017

Novocherkassk, 346428

lunin_ls@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0009-2137-4312МитрофановД. В.MitrofanovD. V.

Митрофанов Даниил Вячеславович — младший научный сотрудник; аспирант

sc 57226807601

Ставрополь, 355017

Новочеркасск, 346428

Daniil V. Mitrofanov — Junior Researcher; PhD Student

sc 57226807601

Stavropol, 355017

Novocherkassk, 346428

danik-20@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5415-0782СысоевИ. А.SysoevI. A.

Сысоев Игорь Александрович — доктор технических наук, доцент, директор научно-образовательного центра фотовольтаики и нанотехнологии

sc 32467535800

Ставрополь, 355017

Igor A. Sysoev — D.Sc., Associate Professor, Director of the Scientifc and Educational Center for Photovoltaics and Nanotechnology

sc 32467535800

Stavropol, 355017

eianpisia@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0755-4068НикулинД. А.NikulinD. A.

Никулин Дмитрий Александрович — младший научный сотрудник; младший научный сотрудник; аспирант

sc 57213150940

Ростов-на-Дону, 344006

Ставрополь, 355017

Новочеркасск, 346428

Dmitry A. Nikulin — Junior Researcher;  Junior Researcher; PhD Student

sc 57213150940

Rostov-on-Don, 344006

Stavropol, 355017

Novocherkassk, 346428

dmitnikul@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6691-0010ЧапураО. М.ChapuraO. M.

Чапура Олег Михайлович — инженер-исследователь

sc 57209565002

Ставрополь, 355017

Oleg M. Chapura — Research Engineer

sc 57209565002

Stavropol, 355017

chapurol-7@mail.ruФедеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук; Северо-Кавказский федеральный университетРоссияFederal Research Center the Southern Scientifc Centre of the Russian Academy of Sciences; North-Caucasus Federal UniversityRussian FederationФедеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук; Северо-Кавказский федеральный университет; Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. ПлатоваРоссияFederal Research Center the Southern Scientifc Centre of the Russian Academy of Sciences; North-Caucasus Federal University; Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)Russian FederationСеверо-Кавказский федеральный университет; Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. ПлатоваРоссияNorth-Caucasus Federal University; Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)Russian FederationСеверо-Кавказский федеральный университетРоссияNorth-Caucasus Federal UniversityRussian Federation202314122024234703710Copyright © Девицкий О.В., Лунин Л.С., Митрофанов Д.В., Сысоев И.А., Никулин Д.А., Чапура О.М., 20242024Девицкий О.В., Лунин Л.С., Митрофанов Д.В., Сысоев И.А., Никулин Д.А., Чапура О.М.Devitsky O.V., Lunin L.S., Mitrofanov D.V., Sysoev I.A., Nikulin D.A., Chapura O.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/200

Твердый раствор Ga1–xInxAs имеет широкое применение в современной оптоэлектронике в качестве материала для p-i-n фотодетекторов и лазеров, излучающих в спектральном диапазоне 1,3–1,55 мкм. Исследованы особенности получения пленок Ga1–xInxAs методом зонной перекристаллизации градиентом температур. Смысл метода заключается в последовательной перекристаллизации частей расплава источника, движущегося под действием температурного градиента. Метод. В поле температурного градиента 30 К/см через тонкую газовую зону в специально разработанной графитовой кассете получены пленки Ga1–xInxAs на подложках GaAs при температуре 1123 К. В качестве газа носителя использована смесь азота и водорода в соотношении 1:1. Толщина газовой зоны между источником и подложкой составила 1 мм, время осаждения для всех пленок — 10 мин. Основные результаты. Исследована кинетика роста, морфология и структура химических связей полученных пленок. По результатам теоретического расчета установлено, что увеличение концентрации индия приводит к понижению скорости роста пленок до 0,3137 мкм/мин. Выполнено сравнение теоретического расчета и экспериментальных данных, которое показало расхождение значений скорости роста для пленок с концентрацией индия в ростовом источнике более 20 %, что связано с сегрегацией индия на поверхность пленки. Среднеквадратическая шероховатость пленок составила от от 9,1 до 24,2 нм. Подтверждено, что содержание индия в ростовом источнике существенно влияет на свойства выращенных пленок и приводит к уменьшению скорости роста, увеличению упругих напряжений в слое и нестехиометрическому составу пленки. Установлено, что с увеличением концентрации индия в пленке наблюдается существенное смещение частоты LO- и TO-фононных мод GaAs влево на 13 и 16 см–1 соответственно из-за влияния упругих механических напряжений. Обсуждение. Представленные результаты продемонстрировали, что методом зонной перекристаллизации в градиенте температур получены пленки твердого раствора Ga1–xInxAs, которые имеют ближний порядок химических связей.

Solid solution Ga1–xInxAs is widely used in modern optoelectronics as a material for p-i-n photodetectors, lasers emitting in the spectral range 1.3–1.55 μm. In this paper, the features of obtaining Ga1–xInxAs flms by the method of zone recrystallization with a temperature gradient, the essence of which is the sequential recrystallization of parts of the source melt moving under the action of a temperature gradient, are studied. Ga1–xInxAs flms on GaAs substrates were obtained in a temperature gradient feld through a thin gas zone in a specially designed graphite cassette. The flms were prepared at a temperature of 1123 K with a temperature gradient of 30 K/cm. A 1:1 mixture of nitrogen and hydrogen was used as the carrier gas. The thickness of the gas zone between the source and the substrate was 1 mm. The deposition time for all flms was 10 min. The growth kinetics, morphology, and structure of the chemical bonds of the obtained flms have been studied. Based on the results of theoretical calculations, it was found that an increase in the concentration of indium leads to a decrease in the flm growth rate to 0.3137 µm/min. A comparison of the results of theoretical calculations with experimental results showed a discrepancy between the growth rates for flms with an indium concentration in the growth source of more than 20 %, which is primarily due to the segregation of indium on the flm surface. The flms have an RMS roughness from 9.1 to 24.2 nm. It is shown that the content of indium in the growth source signifcantly affects the properties of the grown flms and leads to a decrease in the growth rate, an increase in the elastic stresses in the layer, and a nonstoichiometric composition of the flm. It has been established that with an increase in the indium concentration in the flm, a signifcant shift in the frequency of the LO and TO phonon modes of GaAs to the left by 13 and 16 cm–1, respectively, is observed due to the infuence of elastic mechanical stresses. The presented results show that Ga1–xInxAs solid solution flms with short-range order of chemical bonds were obtained by the method of zone recrystallization in a temperature gradient..

поле температурного градиентатонкая газовая зонасоединения III–VGa1–xInxAsрамановская спектроскопияатомно-силовая микроскопияtemperature gradient feldthin gas bandIII–V compoundsGa1–xInxAsRaman spectroscopyatomic force microscopyРабота выполнена в рамках государственного задания ФИЦ ЮНЦ РАН № 122020100254-3 (исследования морфологии поверхности пленок) и № 122020100326-7 (рамановские исследования и определение химического состава), а также с использованием ресурсов центра коллективного пользования Северо-Кавказского федерального университета и при финансовой поддержке Минобрнауки России, уникальный идентификатор проекта RF-2296.61321X0029 (соглашение № 075-15-2021-687) (получение экспериментальных образцов пленок). Авторы выражают благодарность Северо-Кавказскому федеральному университету за помощь в рамках конкурса поддержки проектов научных групп и отдельных ученых университета.The work was carried out within the framework of the State Assignment no. 122020100254-3 (study of the surface morphology of flms) and no. 122020100326-7 (Raman studies and determination of the chemical composition) of the SSC RAS as well as using the resources of the Center for Collective Use of the North Caucasus Federal University and with fnancial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation, unique identifer of the project RF-2296.61321X0029 (agreement no. 075-15-2021-687) (obtaining experimental flm samples). The authors express their gratitude to the North Caucasus Federal University for their help in the framework of the competition to support projects of scientifc groups and individual scientists.ReferencesZimmer M., Trachtmann A., Jetter M., Michler P. MOVPE grown InGaAs quantum dots with emission near 1.3 µm for electrically driven single-photon sources // Journal of Crystal Growth. 2023. V. 605. P. 127081. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2023.127081Zimmer M., Trachtmann A., Jetter M., Michler P. MOVPE grown InGaAs quantum dots with emission near 1.3 µm for electrically driven single-photon sources // Journal of Crystal Growth. 2023. V. 605. P. 127081. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2023.127081Ozturk O., Ozturk E., Elagoz S. Linear and nonlinear optical absorption coeffcient and electronic features of triple GaAlAs/GaAs and GaInAs/GaAs quantum wells depending on barrier widths // Optik. 2019. V. 180. P. 394–405. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2018.11.091Ozturk O., Ozturk E., Elagoz S. Linear and nonlinear optical absorption coeffcient and electronic features of triple GaAlAs/GaAs and GaInAs/GaAs quantum wells depending on barrier widths // Optik. 2019. V. 180. P. 394–405. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2018.11.091Paulauskas T., Pačebutas V., Geižutis A., Kamarauskas M., Drazdys M., Rudzikas M., Kondrotas R., Naujokaitis A., Nevinskas I., Šebeka B., Strazdienė V., Krotkus A. Performance analysis of GaAsBi/InGaAs heterostructure for III-V multi-junction solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2022. V. 248. P. 112013. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112013Paulauskas T., Pačebutas V., Geižutis A., Kamarauskas M., Drazdys M., Rudzikas M., Kondrotas R., Naujokaitis A., Nevinskas I., Šebeka B., Strazdienė V., Krotkus A. Performance analysis of GaAsBi/InGaAs heterostructure for III-V multi-junction solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2022. V. 248. P. 112013. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112013Nishiyama S., Takenaka C., Kusunoki T., Fujii T., Nakajima K. LPE growth of InP and InGaAs on MQW layers below 500°C // Journal of Crystal Growth. 1990. V. 104. N 4. P. 809–814. https://doi.org/10.1016/0022-0248(90)90106-UNishiyama S., Takenaka C., Kusunoki T., Fujii T., Nakajima K. LPE growth of InP and InGaAs on MQW layers below 500°C // Journal of Crystal Growth. 1990. V. 104. N 4. P. 809–814. https://doi.org/10.1016/0022-0248(90)90106-UBahari A., Salianeh M.G., Biranvand N. Structural nonlinear effects in In0.53Ga0.47As/GaAs heterostructure bipolar transistor lasers // Optik. 2015. V. 126. N 24. P. 5249–5252. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.08.269Bahari A., Salianeh M.G., Biranvand N. Structural nonlinear effects in In0.53Ga0.47As/GaAs heterostructure bipolar transistor lasers // Optik. 2015. V. 126. N 24. P. 5249–5252. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.08.269Li Y., Yan X., Zhang X., Wu Ch., Zheng J., Zha Ch., Fu T., Gong L., Ren X. Low-threshold miniaturized core-shell GaAs/InGaAs nanowire/quantum-dot hybrid structure nanolasers // Optics and Laser Technology. 2022. V. 152. P. 108150. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108150Li Y., Yan X., Zhang X., Wu Ch., Zheng J., Zha Ch., Fu T., Gong L., Ren X. Low-threshold miniaturized core-shell GaAs/InGaAs nanowire/quantum-dot hybrid structure nanolasers // Optics and Laser Technology. 2022. V. 152. P. 108150. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108150Chen X., Xiao Y., Cheng Y., Zhang Z., Gou Y., Wang J. MOCVD growth and thermal stability analysis of 1.2 µm InGaAs/GaAs multi quantum well structure // Journal of Alloys and Compounds. 2022. V. 922. P. 166173 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166173Chen X., Xiao Y., Cheng Y., Zhang Z., Gou Y., Wang J. MOCVD growth and thermal stability analysis of 1.2 µm InGaAs/GaAs multi quantum well structure // Journal of Alloys and Compounds. 2022. V. 922. P. 166173 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166173Mintairov S.A., Emelyanov V.M., Rybalchenko D.V., Salii R.A., Timoshina N.K., Shvarts M.Z., Kalyuzhnyy N.A. Heterostructures of metamorphic GaInAs photovoltaic converters fabricated by MOCVD on GaAs substrates // Semiconductors. 2016. V. 50. N 4. P. 517–522. https://doi.org/10.1134/S1063782616040163Mintairov S.A., Emelyanov V.M., Rybalchenko D.V., Salii R.A., Timoshina N.K., Shvarts M.Z., Kalyuzhnyy N.A. Heterostructures of metamorphic GaInAs photovoltaic converters fabricated by MOCVD on GaAs substrates // Semiconductors. 2016. V. 50. N 4. P. 517–522. https://doi.org/10.1134/S1063782616040163Devitsky O.V., Zakharov A.A., Lunin L.S., Sysoev I.A., Pashchenko A.S., Vakalov D.S., Chapura O.M. Infuence of magnetron sputtering conditions on the structure and surface morphology of InxGa1–xAs thin flms on a GaAs (100) substrate // Condensed Matter and Interphases. 2022. V. 24. N 3. P. 300–305. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9851Devitsky O.V., Zakharov A.A., Lunin L.S., Sysoev I.A., Pashchenko A.S., Vakalov D.S., Chapura O.M. Infuence of magnetron sputtering conditions on the structure and surface morphology of InxGa1–xAs thin flms on a GaAs (100) substrate // Condensed Matter and Interphases. 2022. V. 24. N 3. P. 300–305. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9851Lunin L.S., Lunina M.L., Devitsky O.V., Sysoev I.A. Pulsed laser deposition of AlxGa1–xAs and GaP thin flms onto Si substrates for photoelectric converters // Semiconductors. 2017. V. 51. N 3. P. 387– 391. https://doi.org/10.1134/S1063782617030174Lunin L.S., Lunina M.L., Devitsky O.V., Sysoev I.A. Pulsed laser deposition of AlxGa1–xAs and GaP thin flms onto Si substrates for photoelectric converters // Semiconductors. 2017. V. 51. N 3. P. 387– 391. https://doi.org/10.1134/S1063782617030174Сысоев И.А. Эпитаксия твердых растворов соединений AIIIBVI с микро- и наноструктурой в поле температурного градиента: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Ставрополь, 2010.Sysoev I.A. Epitaxy of Solid Solutions of A3B5 Compounds with Micro and Nanostructures in the Field of a Temperature Gradient. Thesis for the degree of Doctor of Technical Sciences. Stavropol, 2010. (in Russian)Gorbatchev A., De Anda Salazar F., Galván Montalvo J.A., Michournyi V. Peculiarities of the thermodynamic conditions to grow InGaAs epitaxial layers by LPE on GaAs substrate at low temperatures // MRS Advances. 2021. V. 6. N 46. P. 1005–1009. https://doi.org/10.1557/s43580-021-00198-8Gorbatchev A., De Anda Salazar F., Galván Montalvo J.A., Michournyi V. Peculiarities of the thermodynamic conditions to grow InGaAs epitaxial layers by LPE on GaAs substrate at low temperatures. MRS Advances, 2021, vol. 6, no. 46, pp. 1005–1009. https://doi.org/10.1557/s43580-021-00198-8Лозовский В.Н., Лунин Л.С., Попов В.П. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1987. 232 с.Lozovsky V.N., Lunin L.S., Popov V.P. Zone Recrystallization of Semiconductor Materials with a Temperature Gradient. Moscow, Metallurgy Publ., 1987, 232 p. (in Russian)Сысоев И.А., Лунин Л.С. Градиентная эпитаксия для получения микро- и наноструктур твердых растворов AIIIBV через тонкую газовую фазу. Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2015. 94 с.Sysoev I.A., Lunin L.S. Gradient Epitaxy for Obtaining Micro- and Nanostructures of III–V Solid Solutions Through a thin Gas Phase. Stavropol, NCFU Publ., 2015, 94 p. (in Russian)Куликов И.С. Термодинамика оксидов. М.: Металлургия, 1986. 344 с.Kulikov I.S. Thermodynamics of Oxides. Moscow, Metallurgy Publ., 1986, 344 p. (in Russian)Dehaese O., Wallart X., Mollot F. Kinetic model of element III segregation during molecular beam epitaxy of III-III’-V semiconductor compounds // Applied Physics Letters. 1995. V. 66. N 1. P. 52–54. https://doi.org/10.1063/1.114180Dehaese O., Wallart X., Mollot F. Kinetic model of element III segregation during molecular beam epitaxy of III-III’-V semiconductor compounds. Applied Physics Letters, 1995, vol. 66, no. 1, pp. 52–54. https://doi.org/10.1063/1.114180Zheng Y.-J., Lam A.M., Engstrom J.R. Modeling of Ge surface segregation in vapor-phase deposited Si1-xGex thin flms // Applied Physics Letters. 1999. V. 75. N 6. P. 817–819. https://doi.org/10.1063/1.124523Zheng Y.-J., Lam A.M., Engstrom J.R. Modeling of Ge surface segregation in vapor-phase deposited Si1-xGex thin flms. Applied Physics Letters, 1999, vol. 75, no. 6, pp. 817–819. https://doi.org/10.1063/1.124523Pashchenko A.S., Devitsky O.V., Lunin L.S., Kasyanov I.V., Nikulin D.A., Pashchenko O.S. Structure and morphology of GaInAsP solid solutions on GaAs substrates grown by pulsed laser deposition // Thin Solid Films. 2022. V. 743. P. 139064. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2021.139064Pashchenko A.S., Devitsky O.V., Lunin L.S., Kasyanov I.V., Nikulin D.A., Pashchenko O.S. Structure and morphology of GaInAsP solid solutions on GaAs substrates grown by pulsed laser deposition. Thin Solid Films, 2022, vol. 743, pp. 139064. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2021.139064

The authors declare that there are no conflicts of interest present.