Структурные особенности твердого раствора (GaAs1-dBid)1-x-y(Ge2)x(ZnSe)y

Как известно, гетероструктуры представляют собой один или несколько эпитаксиальных слоев различного состава, выращенных на подложке, и являются более сложным объектом исследований, чем монокристаллы элементарных полупроводников. Эксперименты по взаимодействию первичного пучка рентгеновских лучей с гетероструктурой показывают, что минимальная толщина гетероструктуры, необходимая для формирования дифракционной картины, может быть значительно меньше, чем глубина проникновения рентгеновского пучка для данного материала. Это дает широкую возможность получения дифракционных линий одновременно от двух и более слоев гетероструктуры. Ясно, что в случае равенства постоянных решеток контактирующих слоев, дифракционные линии их будут совпадать (при отсутствии разориентации одного из слоев относительно другого). Если же имеет место рассогласование постоянных решеток, то линии сдвинутся друг относительно друга на значительное расстояние по углу рассеяния [1-3]. Поскольку физические свойства гетероструктуры и характеристики приборов на ее основе зависят от наличия напряжений и дефектов в эпитаксиальных слоях, определение их структурных параметров является важным как с приборной, так и технологической точек зрения. В настоящей работе приводятся результаты экспериментальных исследований по структурным характеристикам полупроводникового твердого раствора (GaAs1-8Bi8)1-x -y(Ge2)x(ZnSe)y.

Многокомпонентный твердый раствор (GaAs_{1- 8} Bi ₈ )_1- x -y (Ge 2 ) x (ZnSe) _y выращен методом жидкофазной эпитаксии из висмутного раствора-расплава. В качестве подложек использованы монокристаллические пластинки GaР n -типа проводимости, имеющие кристаллографическую ориентацию (111). Химический состав раствора-расплава определен на основе результатов предварительно проведенных экспериментальных исследований [4] жидкофазной системы Bi-GaAs-Ge-ZnSe. Рост слоев осуществляли принудительным охлаждением в атмосфере очищенного палладием водорода со скоростью 1 - 1.5 град/мин. Кристаллизацию слоев проводили в интервале температур 750-650 ° С. Выращенные эпитаксиальные пленки имели различные толщины до 10 μм и р -тип проводимости с удельными сопротивлениями около 10 Ом - см и концентрацией носителей 1.5 х 10¹⁶ см ^{- 3}.

Структурные исследования выращенных пленочных твердых растворов и подложек были выполнены на рентгеновском диффрактометре 7000 (XRD-7000, Sahimdzu, Japan, Си_{К а} -излучение, X = 1.5418 А) по схеме 0 -2 0 в режиме пошагового сканирования [5].

На рис. 1 представлена рентгенограмма выращенной нами эпитаксиальной пленки (GaAs1-8Bi8)1- x -y (Ge2) x (ZnSe)y. Видно, что на дифракционной картине присутствуют несколько селективных структурных рефлексов c различной по величине интенсивностью. Анализ этих результатов показал, что на рентгенограмме присутствует серия селективных рефлексов типа {HKL} (где Н, K, L=1, 2 ,3,..) с большой интенсивностью; структурные линии (111)GaAs, Ge, ZnSe с d/n = 3.44 Å, (222)GaAs, Ge, ZnSe с d/n = 1.631 Å и (333)GaAs, Ge, ZnSe с d/n = 0.9422 Å, которые свидетельствуют о том, что поверхность подложки соответствует кристаллографической плоскости (111). Их β-составляющие видны при углах рассеяния 20(200) = 25.6о, 20(400)= 52.8о и 20(600) = 83.5о соответственно. Кроме того, на рентгенограмме появились новые структурные линии с различными интенсивностями: (112)GaAs с d/n = 2.305 Å, (20 = 38.5°), (110)Bi с d/n = 2.273 А (20 = 39.4°), (220)GaAs,Ge,ZnSe с d/n = 2.001 А (20 = 45.19°), (220)Bi с d/n = 1.868 А (20 = 48.46°), (116^ с d/n = 1.491 А (20 = 62.16°), (331)GaAs,Ge,ZnSe с d/n = 1.297 А (20 = 72.68°) и (422)GaAs,Ge,ZnSe с d/n = 1.155 А (20 = 83.46°). На рентгенограмме также видно присутствие еще трех, слабо запрещенных отражений (003)Bi с d/n = 3.955 А (20 = 22.3°), (400)GaAs,Ge,ZnSe с d/n = 1.413 А (20 = 66.1°) и (420)GaAs,ZnSe с d/n = 1.245 А (20 = 75.1°), наблюдаемых также для сфалеритных структур. Соотношение их интенсивностей к интенсивностям основного рефлекса (111) оценивается как I(003)/I(400) = 5.1х10-4, I(400)/1(111) = 5.7х10-4 и I(420)/1(111) = 2-10-4 соответственно. Эти значения несколько больше величины 10-4, соответствующей равномерному распределению примесей в алмазаподобной решетке [6]. Узкая ширина (FWHM = 5.51х10-3 рад) и большая интенсивность (2х105 имп-с-1) основного рефлекса (111)GaAs,Ge,ZnSe свидетельствует о высокой степени совершенства кристаллической решетки твердого раствора, т.е. выращенная пленка является монокристаллической с ориентацией (111). Экспериментально определенная величина параметра решетки и размеры субкристаллитов (блоков) пленки, оцененные по ширине данного пика, составили около af = 0.5656 нм и 62 нм соответственно.

2θ

Рис.1. Рентгенограмма структуры эпитаксиальной пленки (GaAs 1- δ Bi δ ) 1-x-y (Ge 2 ) x (ZnSe) y .

Таким образом, определены оптимальные технологичные режимы выращивания эпитаксиальных слоев твердых растворов (GaAs 1- δ Bi δ ) 1- x - _y (Ge₂) _x (ZnSe) _y с высокой степенью совершенства. Выращенные пленки являются монокристаллическими с ориентацией (111), с размером блоков 62 нм, и имеют сфалеритную структуру, а параметр кристаллической решетки пленки составляет a f = 0.5656 нм. Определены предварительные электрофизические параметры при 300 K: p -тип проводимости, концентрация и подвижность основных носителей заряда составляет 1.5 × 10¹⁶ cм ^{- 3} и 435 см²/В∙с соответственно.