Акчурин Р. Х., Андреев А.Ю, Говорков О.И., Мармалюк А.А., Петровский А.В.,
Сабитов Д.Р.
to be presented at Conference on Physicochemical Processes in Condensed Matter and at the Phase-Boundary. Voronezh, Russia. November 11-15, 2002
Сегрегация атомов индия в направлении эпитаксиального роста при формировании низкоразмерных гетероструктур InGaAs/(Al)GaAs отмечается многими авторами (например, [1, 2]). Очевидно, что наряду с упругими напряжениями, вызванными несоответствием параметров решеток сопрягающихся элементов гетероструктуры, причиной такой сегрегации может быть и накопление атомов индия вблизи растущей поверхности в процессе роста.
В данной работе представлены результаты экспериментального изучения концентрационных профилей индия в гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs с одной и двумя квантовыми ямами и данные по распределению индия в квантовых ямах, полученные на основе предложенной авторами расчетной модели.
Исследуемые гетероструктуры выращивали на подложках n+-GaAs (100) методом МОС-гидридной эпитаксии при пониженном давлении (~ 60 мм. рт. ст.) и температуре 720 – 770 °С. Распределение элементов в структуре исследовали с помощью Оже- спектрометра PHI-560. Для повышения разрешения травление в спектрометре осуществлялось низкоэнергетическими ионами Ar+ (1кэВ) под скользящим углом (80° к нормали).
В гетероструктурах с одиночными квантовыми ямами выявлена несимметричность концентрационных профилей индия относительно краев квантовой ямы, характеризующаяся смещением максимума распределения в направлении эпитаксиального роста на 10-20 Å. В гетероструктурах с двумя квантовыми ямами при относительно малой толщине барьерных слоев (~ 90 Å) наблюдался дополнительный 2 эффект: содержание индия во второй яме было больше, чем в первой (нижней). В структурах с толстыми барьерными слоями (~ 350 Å) такой эффект не проявлялся.
В основу расчетной модели положен учет двух факторов, определяющих сегрегацию атомов индия в квантовых ямах:
а) - изменяющееся по величине в процессе эпитаксиального наращивания действие упругих сил, препятствующих вхождению атомов индия в кристаллическую решетку наращиваемого слоя;
б) – накопление атомов индия в приграничном к поверхности роста слое исходной фазы, вызванное отторжением их кристаллической решеткой растущего слоя и приводящее к смещению гетерогенных равновесий на границе раздела.
В расчетах использована термодинамическая модель эпитаксиального процесса, учитывающая вклад упругой энергии в смещение гетерогенных равновесий [3]. При расчетной оценке влияния упругих напряжений на распределение индия в исследованных гетероструктурах эпитаксиальных слоев рассматривался в виде циклической последовательности формирования «воображаемых» сверхтонких слоев, толщина которых приравнивалась параметру кристаллической решетки осаждаемого материала.
Расчеты для каждого ростового цикла производились по следующему алгоритму:
1. Расчет состава эпитаксиального слоя, растущего на неизопериодной подложке, с учетом деформационного вклада в энергию смешения твердого раствора.
2. Вычисление упругой силы, действующей на кристаллическую решетку эпитаксиального слоя по методике, описанной в [4].
3. Расчет усредненного параметра кристаллической решетки «воображаемого» эпитаксиального слоя, деформированного под действием упругой силы, в плоскости, параллельной поверхности подложки (согласно [4]).
4. Определение параметра решетки на верхней границе воображаемого слоя с учетом требования когерентного сопряжения этого слоя с подложкой.
5. Расчет нового состава исходной фазы в слое, приграничном к поверхности подложки, на основе уравнений материального баланса.
6. Повторение цикла с учетом нового значения параметра решетки подложки (принимаемого равным рассчитанному на шаге 4) и нового состава исходной фазы (рассчитанного на шаге 5).
Учет накопления индия в приграничном слое исходной фазы в процессе формирования квантовой ямы позволил существенно улучшить согласование 3 расчетных данных с экспериментом в сравнении с ранее полученными результатами [5].
Таким образом, совместное рассмотрение в расчетной модели факторов, учитывающих как воздействие упругих напряжений, так и изменение состава исходной фазы на гетерофазной границе, позволяет количественно описать наблюдаемые в эксперименте сегрегационные явления и с достаточной степенью приближения рассчитать профили распределения индия в гетероструктурах InGaAs/(Al)GaAs с квантовыми ямами.
Список литературы:
1. S. Lutgen, T. Marschner, W. Stolz, E. O. Gobel, L. Tapfer, J. Crystal Growth. 1995, V. 152, P. 1.
2. F. Bugge, U. Zeimer, M. Sato, M. Weyers, G. Tränkle, J. Crystal Growth. 1998, V. 183, P. 511.
3. G. B. Stringfellow, Organometallic Vapor Phase Epitaxy: Theory and Practice, 2nd ed., Acad. Press, San Diego, London, 1999, 572 PP.
4. K. Nakajima, J. Crystal Growth. 1993, V. 126, P. 511.
5. R.Kh. Akchurin, A.Y. Andreev, O.I. Govorkov, A.A. Marmalyuk and A.V. Petrovsky. Appl. Surf. Sci. 2002, V.188, Iss.1-2, P. 209.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 02-02-16189).
|