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

##plugins.themes.bootstrap3.article.main##

Mikhail Removych Dombrougov

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.

##plugins.themes.bootstrap3.article.details##

Як цитувати
Dombrougov, M. R. (2019). Моделювання явища інверсії градієнта профілю алюмінію при рідиннофазній епитаксії гетероструктур GaAl(P,As,Sb). Мікросистеми, Електроніка та Акустика, 24(1), 6–14. https://doi.org/10.20535/2523-4455.2019.24.1.160164
Розділ
Мікросистеми та фізична електроніка
Біографія автора

Mikhail Removych Dombrougov, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Кафедра мікроелектроніки

доцент

Посилання

V. N. Bessolov, T. T. Dedegkaev, I. I. Kryukov, Yu. P. Yakovlev, “Osobennosti kristallizatsii varizonnykh Ga1–xAlxP struktur [Peculiarities of crystallization of graded-gap Ga1–xAlxP structures],” Zhurnal tehnicheskoj fiziki, vol.49(9), pp. 1958-1961, 1979, ISSN: 0044-4642.

V. A. Elyutin, S. Yu. Karpov, S. G. Konnikov, “Zhidkostnaya epitaksiya plavnykh geteroperekhodov AlxGa1–xP [Liquid epitaxy of smooth AlxGa1–xP heterojunctions],” Pisma v ZhTF, vol. 6(1), pp. 23-25, 1980, ISSN: 0330-0116.

V. A. Elyutin, S. Yu. Karpov, E. L. Portnoi, D. N. Tretiyakov, “Osobennosti vyrashchivaniya volnovodnykh geterostruktur AlxGa1–xAs s plavnym izmeneniem sostava [Peculiarities of growing waveguide AlxGa1–xAs heterostructures with a smooth composition change],” Pisma v ZhTF, vol. 4(11), pp. 629-633, 1978, ISSN: 0330-0116.

K. Y. Cheng, G. L. Pearson, “The Al-Ga-Sb Ternary Phase Diagram and its Application to Liquid Phase Epitaxial Growth,” J. Electrochem. Soc., vol. 124(5), рp. 753-757, 1977, DOI: 10.1149/1.2133400.

Zhao, X., Montgomery, K.H. & Woodall, J.M., “Layered Growth of Lattice-Mismatched GaxIn1-xP on GaP Substrates by Liquid Phase Epitaxy,” Journal of Electronic Materials, vol. 43(4), 2014, pp. 894-901. DOI: 10.1007/s11664-013-2966-4.

G. Juárez Díaz, J. Díaz-Reyes, J. Martínez-Juárez, M. Galván-Arellano, J. A. Balderas-López, “Structural characterization of AlxGa1-xSb grown by LPE,” Materials Science in Semiconductor Processing, vol. 15(5), 2012, pp. 472-479. DOI: 10.1016/j.mssp.2012.03.003.

D. M. Hurtado-Castañeda, J. L. Herrera-Pérez, J. S. Arias- Cerón, C. Reyes-Betanzo, P. Rodriguez-Fragoso, J. G. Mendoza-Álvarez, “Indium gallium arsenide antimonide photodetector grown by liquid phase epitaxy: Electrical characterization and optical response,” Materials Science in Semiconductor Processing, vol. 31, 2015, pp. 52-55. DOI: 10.1016/j.mssp.2014.11.023.

S. S. Chandvankar, A. P. Shah, A. Bhattacharya, K. S. Chandrasekaran, B. M. Arora, “Synthesis of AlGaAs-based strained separately confined heterostructure laser diodes by low temperature liquid-phase epitaxy,” Journal of Crystal Growth, vol. 260(3-4), 2004, pp. 348-359. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2003.08.066.

M. Milanova, P. Vitanov, P. Terziyska, G. Popov, G. Koleva, “Structural and electrical characteristics of InGaAsN layers grown by LPE,” Journal of Crystal Growth, vol. 346(1), 2012, pp. 79-82, DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2012.02.021.

V. Rakovics, J. Nádas, I. Réti, Cs. Dücső, G. Battistiga, “Growth and characterization of broad spectrum infrared emitting GaInAsP/InP heterostructures,” Journal of Crystal Growth, vol. 468, 2017, pp. 572-575, DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.11.123.

Y. Wang, S. Hu, W. Zhou, Y. Sun, B. Zhang, C. Wang, N. Dai, “LPE growth and optical characteristics of GaAs1-xSbx epilayer,” Journal of Crystal Growth, vol. 463, 2017, pp. 123-127. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2017.01.040.

V. Donchev, M. Milanova, I. Asenova, N. Shtinkov, D. Alonso-Álvarez, A. Mellor, Y. Karmakov, S. Georgiev, N. Ekins-Daukes, “Effect of Sb in thick InGaAsSbN layers grown by liquid phase epitaxy,” Journal of Crystal Growth, vol. 483, 2018, pp. 140-146. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2017.11.023.

P. Capper, S. Irvine, T. Joyce, “Epitaxial Crystal Growth: Methods and Materials,” Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials, pp. 309-341, Springer, 2017. DOI: 10.1007/978-3-319-48933-9_14.

W. G. Pfann, Zone Melting, 2nd edition, Wiley, 1966 or Literary Licensing, 2013. ISBN: 978-1-258-79942-7.

K. Oura, M. Katayama, A. V. Zotov, V. G. Lifshits, A. A. Saranin, “Growth of Thin Films,” Surface Science, pp. 357-387, Springer, 2003. DOI: 10.1007/978-3-662-05179-5_14.

M. R. Dombrougov, G. I. Zhovnir, “Ravnovesnaya kristallizatsiya v troinykh sistemakh s kvazibinarnym razrezom [Equilibrium crystallization in ternary systems with a quasi-binary cut],” Elektronnaya tekhnika. Seriya 6. Materialy, 1986, no 6, pp. 37-39.

H. C. Casey, Jr., M. B. Panish, “Phase Equilibria and Heteroepitaxy,” Heterostructure Lasers. Part B. Materials and Operating Characteristics. Academic Press, 1978. DOI: 10.1016/B978-0-12-163102-4.50009-9.

K. Nakajima, “Phase Diagrams and Modeling in Liquid Phase Epitaxy,” Liquid Phase Epitaxy of Electronic, Optical and Optoelectronic Materials, pp. 45–83, Wiley, 2007. DOI: 10.1002/9780470319505.ch3.

M. Wośko, B. Paszkiewicz1, K. Tarnowski, B. Ściana1, D. Radziewicz1, W. Salejda, R. Paszkiewicz1, M. Tłaczała, “Reverse engineering of AlxGa1-xAs/GaAs structures composition by reflectance spectroscopy,” Оpto-electronics review, vol. 19(4), рp. 418–424, 2011. DOI: 10.2478/s11772-011-0038-y.

S. Adachi, “III-V Ternary and Quaternary Compounds,” Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials, pp. 725-741, Springer, 2017. DOI: 10.1007/978-3-319-48933-9_30

V. A. Mishurnyi, F. de Anda, V. A. Elyukhin, I. C. Hernandez, “Growth of Quantum-Well Heterostructures by Liquid Phase Epitaxy,” Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, vol. 31(1-2), 2006, pp. 1-13. DOI: 10.1080/10408430500538695.

M. A. Vasilenko, I. G. Neizvestny, N. L. Shwartz, “Formation of GaAs nanostructures by droplet epitaxy – Monte Carlo simulation,” Computational Materials Science, vol. 102, 2015, pp. 286-292, DOI: 10.1016/j.commatsci.2015.02.032.