Девицкий Олег Васильевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник; старший научный сотрудник
Ростов-на-Дону, 344006;
Ставрополь, 355017
Oleg V. Devitsky – PhD, Senior Researcher; Senior Researcher
Rostov-on-Don, 344006;
Stavropol, 355017
Предмет исследования. Соединения III-V-N являются перспективным классом твердых растворов, которые могут активно использоваться в оптоэлектронных приборах, работающих в широком спектральном диапазоне вплоть до 3 мкм. Соединения также применяются для увеличения эффективности фотодетекторов, лазеров в волоконно-оптических линиях связи и телекоммуникационных системах. В работе исследованы особенности различных способов получения новых полупроводниковых материалов III-V-N. Тонкие пленки InGaAsN получены методом импульсного лазерного напыления на подложках GaAs (100) и Si (100) в атмосфере активного фонового газа.
Метод. Импульсное лазерное напыление тонких пленок InGaAsN проведено с использованием мишени In0,02Ga0,98As в атмосфере особо чистой аргоно-азотной смеси при давлениях 2, 5 и 10 Па. В качестве источника лазерного излучения использовался лазер AYG:Nd3+ с длиной волны 532 нм (вторая гармоника), плотностью энергии лазерного излучения 2,3 Дж/см2, частотой следования импульсов 15 Гц и длительностью импульса 10 нс. Температура подложки составила 350 °C, время напыления 60 мин. Основные результаты. Показано, что поверхность тонких пленок текстурирована микрокаплями. Установлено, что микрокапли на поверхности тонкой пленки образованы металлическим индием, а их распределение по поверхности пленки в основном упорядочено в виде линий. Подобное явление можно объяснить наличием дислокаций несоответствия. Средний размер микрокапель на поверхности пленки InGaAsN на GaAs (100) около 30 нм, а их плотность не превышала 0,076 мкм–2. Для сравнения в пленках, полученных на Si подложках при давлении 2 Па, наибольшая плотность микрокапель – 0,26 мкм–2. Наименьшая плотность микрокапель на поверхности (0,17 мкм–2) зафиксирована в образцах тонкой пленки InGaAsN на Si (100), полученной при давлении 10 Па. Отмечено, что интенсивность локальной фононной колебательной моды (Local Vibrational Modes, LVM) InN на частоте 430 см–1 возрастает с увеличением давления аргонно-азотной смеси при импульсном лазерном напылении в спектрах комбинационного рассеяния пленок InGaAsN на Si. Обнаружены фононные моды второго порядка: LVM InN на частоте 450 см–1 и LVM GaN – 470 см–1. Данное обнаружение подтверждает наличие азота в тонкой пленке InGaAsN, полученной методом импульсного лазерного напыления. Показано, что увеличение давления аргоно-азотной газовой смеси при импульсном лазерном напылении способствует увеличению концентрации азота в тонких пленках InGaAsN на Si. Установлено, что концентрация азота в пленках InGaAsN, полученных при давлении 10 Па на подложках GaAs (100) и Si (100), различается незначительно и составляет 1,9 и 1,8 % соответственно. Практическая значимость. Представленные результаты могут быть использованы при создании на основе полученных тонких пленок InGaAsN высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей, фотодетекторов ближнего и среднего инфракрасного диапазона до 3 мкм.
III-V-N compounds are a promising class of solid solutions that have the prospect of being used in optoelectronic devices operating in a wide spectral range up to 3 μm, as well as for increasing the efficiency of photodetectors, lasers in fiberoptic communication lines and telecommunication systems. In this work, the features of various methods for obtaining new III-V-N semiconductor materials are investigated. Thin InGaAsN films were obtained by pulsed laser deposition on GaAs (100) and Si (100) substrates in an active background gas atmosphere. Pulsed laser deposition of thin InGaAsN films was carried out using an In0.02Ga0.98As target in an atmosphere of a highly pure argon-nitrogen mixture at a pressure of 2, 5, and 10 Pa. The source of laser radiation was an AYG:Nd3+ laser with a wavelength of 532 nm (second harmonic), laser radiation energy density of 2.3 J/cm2, pulse repetition rate of 15 Hz, and pulse duration of 10 ns. The substrate temperature was 350 °C, the deposition time was 60 minutes. It is shown that the surface of thin films is textured with microdroplets. It has been established that microdroplets on the surface of a thin film are formed by metallic indium. It has been established that the distribution of indium microdroplets over the film surface is mainly ordered in the form of lines. This phenomenon can be explained by the presence of misfit dislocations. The average size of microdroplets on the surface of the InGaAsN film on GaAs (100) was about 30 nm, and their density did not exceed 0.076 μm–2. For comparison, in films obtained on Si substrates at a pressure of 2 Pa, the highest microdroplet density was 0.26 μm–2. The lowest density of microdroplets on the surface (0.17 μm–2) was noted in samples of a thin film of InGaAsN on Si (100) obtained at a pressure of 10 Pa. It is noted that the intensity of the local phonon vibrational mode LVM InN at a frequency of 430 cm–1 increases with increasing pressure of the argon-nitrogen mixture during pulsed laser deposition in the Raman scattering spectra of InGaAsN films on Si. In the Raman spectra of InGaAsN films on Si, second-order phonon modes LVM InN and LVM GaN were detected at frequencies of 450 cm–1 about 470 cm–1, respectively. This confirms the presence of nitrogen in a thin InGaAsN film obtained by pulsed laser deposition. It is shown that an increase in the pressure of the argon-nitrogen gas mixture during pulsed laser deposition contributes to an increase in the nitrogen concentration in thin InGaAsN films on Si. It has been established that the nitrogen concentration in InGaAsN films obtained at a pressure of 10 Pa on GaAs (100) and Si (100) substrates differs insignificantly and amounts to 1.9 % and 1.8 %, respectively. The presented results will make it possible to create highly efficient photoelectric converters and photodetectors for the near and mid-infrared range up to 3 μm based on the obtained InGaAsN thin films.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.