Исследование структуры и поверхностных состояний твердого раствора (GaAs)0.69(Ge2)0.17(ZnSe)0.14

Рентгенодифракционное исследование показало, что полученная пленка является монокристаллической с размерами блоков 52 нм и с ориентацией (100) и имеет сфалеритную (ZnS тип) структуру. Экспериментально определено, что нанокристаллиты селенида цинка растут на поверхности твердого раствора GaAs_1-xGe_x в форме островков — квантовых точек, результаты атомно-силового микроскопического исследования подтверждают данные рентгеноструктурного анализа. (PACS: 73.40. Lq, 78.20. ̶ e, 81.05. Hd)

Ключевые слова: твердый раствор, эпитаксиальная пленка, рентгеноструктурный анализ, дифракционное отражение, матричная решетка, рентгенограмма, слой, арсенид галлия, параметр решетки, размер блоков, нанокристаллит, ориентация, структура

X-ray diffraction research has shown that the obtained films have sphalerite structure (type of ZnS) and they are monocrystals with block sizes 52 nm and crystallographic orientation (100). Experimentally defined that the zinc selenium nanocrystals grow on the surface of the solid solution GaAs_1-xGe_x in shape islets, that is quantum dots, and also the atomic-force microscope’s researches confirm the data of X-ray analysis.

Key words: Solid solution, epitaxial film, X-ray diffraction analysis, diffraction reflection, matrix lattice, X-ray picture, layer, gallium arsenide, lattice parameter, block size, nanocrystallite, orientation, structure. (PACS: 73.40. Lq, 78.20. ̶ e, 81.05. Hd)

1. Введение

Как известно, гетероструктуры представляют собой один или несколько эпитаксиальных слоев различного состава, выращенных на подложке, и является 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 принципиальную 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 статье приводятся результаты экспериментальных исследований по структурным характеристикам полупроводникового твердого раствора (GaAs)_0.69(Ge₂)_0.17(ZnSe)_0.14.

2. Методика эксперимента

Структурные исследования выращенных пленочных твердых растворов, как со стороны подложки, так и пленки были выполнены при 300 K на усовершенствованном рентгеновском диффрактометре ДРОН-3М (CuK_ — излучения,  = 0.15418 нм) по схеме и − 2и в режиме пошагового сканирования. Химический состав эпитаксиальных слоев был определен из данных рентгеноструктурного анализа. Показано, что распределение компонентов по поверхности однородное, а по толщине пленки содержание Ge₂ и ZnSe меняется в пределах 0  х  0.17, 0  у  0.14, что снижает упругие напряжения из-за несоответствия параметров решетки подложки и пленки. Исследования поверхности проводились с использованием промышленного атомно-силового микроскопа (АСМ) „Solver-NEXT“, позволяющего измерять рельеф поверхности, распределение потенциала по поверхности. Шаг сканирования определялся выбором линейных размеров области сканирования и составлял (256 • 256).

3. Результаты иобсуждение

На рис.1 а представлена рентгенограмма эпитаксиальной пленки твердого раствора (GaAs)_0.69(Ge₂)_0.17(ZnSe)_0.14. Она существенно отличается от рентгенограммы подложки GaAs [5] и в ней наблюдаются увеличение интенсивности основного рефлекса (400) на 4.5 %; интенсивности рефлексов (200) и (600) увеличены в 1,7 и 1,4 раза, соответственно, а интенсивность рефлекса (220) увеличена незначительно. Одновременно наблюдается появление новых структурных линий с d/n = 0.1268 nm (2и = 74.9^о), с d/n = 0.1263 nm (2и = 75.2^о) и с d/n = 0.1001 nm (2и = 100.8^о); немонотонный характер уровня неупругого фона в областях малых и средних углов рассеяния. Сравнительно узкая ширина (FWHM = 4.36х10–³ рад) и большая интенсивность (210⁵ импсек^-1) основного рефлекса (400), а также присутствие на рентгенограмме других четных порядков отражения, свидетельствуют о достаточно высокой степени совершенства кристаллической решетки пленки, и выращенная пленка имеет сфалеритную структуру (структура типа ZnS) и является монокристаллической с ориентацией (100). Размер субкристаллитов (блоков) пленки, оцененный по ширине данного пика, составляет около 52 nm.

Заметное расщепление этого рефлекса на ₁ и ₂ по компонентам излучения, но значительно менее, чем их расчетные значения (I(₁) = 2 I(₂)), указывают на наличие незначительных упругих микронапряжений в решетке пленки. Микроискажения решетки и несколько большее значение интенсивности рефлексов {H00}, где H = 2,4,6, чем интенсивности этих же линий подложки, свидетельствуют о частичном замещении некоторых молекул арсенида галлия на парные молекулы Ge в дефектоспособных областях арсенида галлиевой решетки пленки, где имеются узлы с высоким потенциалом, то есть на границе и приграничной области раздела блоков. Об этом свидетельствует значение параметра решетки пленки, определенное по трем рефлексам — (200), (400) и (600) с помощью экстраполяционной функции Нельсона–Рейли  = (1/2) [(Cos²/ + (Cos²/Sin)] — a_f = 0.56568 nm, что несколько больше, чем параметр решетки подложки — a_s = 0.56532 nm. Это позволяет предположить, что базовая решетка исследуемого твердого раствора состоит из двойного полупроводникового соединения — GaAs и элементарного полупроводника — Ge, то есть GaAs_1-xGe_x. Близость параметра решетки GaAs и Ge, порядкового номера в периодической системе и множителя атомного рассеяния элементов As, Ga и Ge, делает, неразличимыми дифракционных спектров GaAs и GaAs_1-xGe_x, что и наблюдается в эксперименте. Этот вывод подтверждается уровнем неупругого фона пленки в окрестностях структурных рефлексов {H00}. Она на 22 % выше, чем уровень фона в аналогичных угловых диапазонах подложки, что свидетельствует о локальном характере сосредоточения механических напряжений, связанны с неоднородным распределением атомов германия в решетке пленки. Наличие атомов германия в решетке твердого раствора, подтверждается присутствием на рентгенограмме дифракционного отражения от плоскости (220) с d/n = 0.2000 нм (2и = 45.3^є) нанокристаллов Ge с другой ориентацией (рис.1 b), нежели ориентации подложки. Из риса 1 b видно, что этот структурный рефлекс имеет триплетную форму, образованную из двух структурных линий, частично перекрываемых по ₁ и ₂ излучениям от одинаково ориентированных нанокристаллитов Ge и ZnSe. Размеры нанокристаллов Ge составляли 44 нм. Дополнительным подтверждением служит присутствие на рентгенограмме двух слабых запрещенных отражений (211) с d/n = 0.2305 нм (2и = 38.5^є) и (500) с d/n = 0.1128 нм (2и = 86.1^є) для сфалеритных структур. Их интенсивности относятся к интенсивности основного рефлекса (400), как I(211) / I(400) = 4.7310^–4 и I(500) / I(400) = 2.7410^–4, соответственно. Эти значения несколько больше, чем величина 10^–4, соответствующую равномерному распределению примесей в алмазаподобной решетке [6]. На рентгенограмме (рис.1 a) еще наблюдаются селективный рефлекс (440) (d/n = 0.1001 нм, 2и = 100.8^є) от матричной решетки эпитаксиального слоя. Следовательно, примеси Ge в решетке GaAs распределены неравномерно и в дефектоспособных областях матричной решетки эти примеси самообразуются в нанокристаллы германия. Видимо рост нанокристаллитов германия с другой ориентацией, связан со скоростью релаксационного процесса упругого напряжения, в эпитаксиальном слое при выращивании. Значение параметра решетки нанокристаллов Ge определенное из рентгенограммы составило a_Ge = 5.6625 Е, что близко к табличному a_Ge = 5.6576 Е [7].

В многокомпонентных твердых растворах искажение решетки стимулирует формирование нановключений различных фаз для энергетической стабилизации пленки. Так как, на рентгенограмме пленки наблюдаются еще два селективных рефлекса с существенной интенсивностью. Анализ показал, что они вызваны нанокристаллитами селенида цинка (ZnSe); (220) с d/n = 0.2010 нм (2и = 45.1^є) и (420) d/n = 0.1230 нм (2и = 74.95^є). Несмотря на различие в направлении роста, этим нанокристаллитам характерны почти одинаковые размеры, равного 59 нм. Этот факт позволяет предположить, что нанокристаллиты селенида цинка растут на поверхности твердого раствора GaAs_1-xGe_x в форме островков — квантовых точек. Так как, было обнаружено, что при многослойном росте полупроводников с параметрами кристаллической решетки, отличающимися от параметров решетки подложки, можно получить на поверхности роста почти одинаковые по размеру островки (квантовые точки) [6,8]. Оказывается, энергетически более выгодным становится формирование квантовых точек другой фазы на поверхности матричной решетки пленки по сравнению с однородно напряженного слоя. Свидетельством этого служит форма дифракционного отражения (600) (рис.2 a). Видно, что удовлетворительно разрешается дифракционное отражение (600) по ₁ и ₂ компонентам излучения для решетки GaAs_1-xGe_x и ZnSe, соответственно. Экспериментально определенные значения параметров решетки селенида цинка и арсенида галлия составляло a_ZnSe = 5.6697 Е и a_GaAsGe = 5.6697 Е, что близко к табличному a_ZnSe = 5.661 Е и a_GaAs = 5.646 Е, соответственно [7].

Были исследованы рельеф поверхности выращенных эпитаксиальных слоев с помощью атомно–силового микроскопа. На рис.2 b, представлены трехмерные изображения поверхности эпитаксиальной пленки (GaAs)_0.69(Ge₂)_0.17(ZnSe)_0.14. Из рис. 2 b видно, что во время роста пленки в приповерхностной области формируются наноостровки с высотой ~ 15 и шириной ~ 55ч60 нм. Такие образования состоят из компонентов твердого раствора, т. е. селенида цинка, и они являются квантовыми точками, которые по нашим оценкам создают локальное электростатическое поле напряженностью 10⁷10⁹ В/см на расстоянии ~ 100150 нм [9].

Согласно эффекту Франца-Келдыша [10] такое сильное локальное электрическое поле должно приводить к изменению запрещенной зоны твердого раствора вокруг квантовых точек, т. е. появляется возможность формирования локальной наноразмерной варизонной структуры [11]. Результаты атомно-силового микроскопического исследования подтверждают данные рентгеноструктурного анализа о формирование наноостровков на поверхности исследуемого слоистого твердого раствора.

Заключение

Таким образом, рентгенодифракционные исследования показали, что выращенные эпитаксиальные слои твердого раствора (GaAs)_0.69(Ge₂)_0.17(ZnSe)_0.14 имеют сфалеритную структуру и являются монокристаллическими, с размерами блоков 52 нм и с ориентацией (100), соответствующей ориентации подложки. Парные молекулы Ge частично заменяют молекулы GaAs в дефектоспособных областях матричной решетки на границах и приграничных областях фаз раздела с последующей сегрегацией ионов германия с образованием нанокристаллов в этих местах. Молекулы селенида цинка образует наноостровки на поверхностном слое твердого раствора GaAs_1-xGe_x. А также, результаты атомно — силового микроскопического исследования подтверждают данные рентгеноструктурного анализа о формирование наноостровков на поверхности твердого раствора GaAs_1-xGe_x.

Работа выполнена по гранту № Ф2–68 Комитета по координации и развития науки и технологии при Кабинете Министров Республики Узбекистан.

1. А. Н. Ефанов, В. П. Кладько. Металлофизика и новейшие технологии, 28 (5), 619 (2006).
2. Р. Н. Кютт, М. П. Щеглов, М. П. Давыдов, А. С. Усиков. ФТТ, 46 (2), 363 (2004).
3. П. В. Середин, А. В. Глотов, Э. П. Домашевская, И. Н. Арсентьев, Д. А. Винокуров, А. Л. Станкевич, И. С. Тарасов ФТП, 44 (8), 1140 (2010).
4. Saidov A. S., Boboev A. Y. The International Symposium “New Tendencies of Developing Fundamental and Applied Physics: Problems, Achievements, Prospectives” (Tashkent 2016). Р 178–180.
5. С. З. Зайнабидинов, А. С. Саидов, А. Ю. Лейдерман, М. У. Каланов, Ш. Н. Усмонов, В.М Рустамова, А. Й. Бобоев. ФТП, 50 (1), 60 (2016).
6. И. Л. Шулпина, Р. Н. Кютт, В. В. Ратников, И. А. Прохоров, И. Ж. Безбах, М. П. Щеглов. ЖТФ, 80 (4), 105 (2010).
7. Краткий справочник физико-химических величин, под ред. А. А. Равделя и А. М. Пономаревой. (Л., Химия, 1983).
8. В. А. Кульбачинский. Соросовский образовательный журнал, 7 (4), 98 (2001).
9. А. С. Саидов, С. З. Зайнабидинов, М. У. Каланов, А. Й. Бобоев, Б. Р. Кутлимуротов. Гелиотехника, 3, 59 (2015).
10. В. И. Фистуль Введение в физику полупроводников. (Москва, Высш. шк. 1984).
11. М. К. Бахадырханов, С. Б. Исамов. Гелиотехника, 2, 3 (2014).