Особенности выращивания твердых растворов Ga1–xInxAs на подложках GaAs в поле температурного градиента через тонкую газовую зону

Твердый раствор Ga_1–xIn_xAs 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 Ga_1–xIn_xAs 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 Ga_1–xIn_xAs 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 Ga_1–xIn_xAs, которые имеют ближний порядок химических связей.

1. Zimmer 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.2023.127081

2. Ozturk 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.2018.11.091

3. Paulauskas 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.2022.112013

4. Nishiyama 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-U

5. Bahari 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.2015.08.269

6. Li 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.2022.108150

7. Chen 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.2022.166173

8. Mintairov 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/S1063782616040163

9. Devitsky 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.2022.24/9851

10. Lunin 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/S1063782617030174

11. Сысоев 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.

12. 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/s43580-021-00198-8

13. Лозовский В.Н., Лунин Л.С., Попов В.П. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1987. 232 с.

14. 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.

15. Куликов И.С. Термодинамика оксидов. М.: Металлургия, 1986. 344 с.

16. 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/10.1063/1.114180

17. Zheng 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/10.1063/1.124523

18. Pashchenko 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.2021.139064