Моделювання явища інверсії градієнта профілю алюмінію при рідиннофазній епитаксії гетероструктур GaAl(P,As,Sb)

Анотація

В роботі досліджені причини та закономірності явища інверсії градієнта профілю алюмінію в епітаксіальних гетероструктурах Ga-Al-Nm, що вирощуються методом примусового охолодження ростового розчину-розплаву, де Nm – неметал або напівметал 5-ї групи (P, As, Sb).

Математичне моделювання процесу рідиннофазної епітаксії здійснюється в наближенні Пфанна в таких припущеннях. Задача одновимірна, епітаксіальна плівка росте пошарово за механізмом Франка – ван дер Мерве. Дифузія в твердій фазі «заморожена», затверділі шари в подальшому не перемішуються. Зниження температури настільки повільне, що швидкість дифузії в рідкій фазі значно перевищує швидкість росту плівки (повне перемішування рідкої фази). Ступінь перенасичення ростового розчину-розплаву настільки мала, що концентрації компонентів в наростаючих шарах твердої фази визначаються рівноважною діаграмою стану (квазірівноважне наближення). Зважаючи, що в рідкій фазі превалює галій, а концентрації алюмінію та фосфору, арсену чи стибію не перевищують кількох процентів, рідка фаза розглядається як розбавлений квазірегулярний розчин. Кристалічна фаза розглядається як ідеальний твердий розчин внаслідок майже тотожних кристалічних граток в кожній парі GaP–AlP, GaAs–AlAs, GaSb–AlSb.

Чисельні розрахунки пошарового профілю хімічного складу епітаксіальних плівок проведені для ростових процесів при кількох різних початкових складах ростового розчину-розплаву: для Ga-Al-P – від ізотерми ліквідусу 1500 К, для Ga-Al-As – від 1200 К та для Ga-Al-Sb – від 850 К. Результати представлені на графіках залежності складу твердої фази від температури кристалізації та від глибини шару плівки, а також на діаграмі переміщення фігуративної точки складу рідкої фази в ході ростового процесу. Порівняння результатів моделювання з експериментальними даними підтверджує коректність застосованої моделі.

Показано, що при кожній температурі існує так званий «інверсний» склад, що характеризується певним вмістом алюмінію в твердій фазі. Тверді розчини, де вміст алюмінію перевищує інверсний, кристалізуються надалі тільки з подальшим збільшенням алюмінію в напрямку зростання. Якщо ж зміст алюмінію в твердій фазі менше інверсного, то подальший епітаксіальний ріст відбувається зі зменшенням частки алюмінію у вирощуваній плівці. Але якщо в ході охолодження фігуративна точка ростового розчину-розплаву перетинає інверсну криву, відбувається інверсія градієнта профілю алюмінію: шари твердої фази, які до цього моменту наростали із зменшенням частки алюмінію, продовжують наростати з її збільшенням. Причиною такого явища є можлива компенсація двох пов’язаних між собою конкуруючих факторів: зменшення кількості неметалу в рідкій фазі та збільшення коефіцієнту сегрегації алюмінію при охолодженні ростового розчину. Встановлено співвідношення між формою інверсної кривої та параметрами фазової діаграми. Показана принципова можливість вирощування в ході єдиного технологічного процесу планарних гетероструктур Ga-Al-P та Ga-Al-As (але не Ga-Al-Sb), придатних для виготовлення мікроелектронних хвилеводних пристроїв.

Бібл. 22, рис. 9, табл. 1.