О структуре твердого раствора Ge1-xSnx

Исследования показали возможность создания новых оптоэлектронных приборов, совместимых с кремниевой технологией, что очень важно для широкомасштабного использования дорогих полупроводниковых материалов, выращенных на кремниевых подложках. Слои твердого раствора Si_1-xGe_x c разной величиной х перекрывают параметр решетки от равного Si (а = 5.4198 Å) до равного Ge (а= 5.6560 Å), следовательно, на них можно наращивать разные полупроводниковые соединения класса A^IIIB^V и A^IIB^VI с минимальной плотностью дислокации несоответствия. На Si/SiGe подложках выращены слои GaAs и получены светодиодные структуры, интегрированные с высокоскоростными цифровыми схемами для световой передачи и обработки сигналов. SiGe подложки, полученные с применением низкоэнергетической плазмы, были использованы для роста пленок GaAs и получены однокаскадные фотоэлементы для солнечных батарей.

В данной работе приводятся результаты экспериментальных исследований по структурных и некоторых фотоэлектрических свойств узкозонного твердого раствора Ge_1-xSn_x.

Твердые растворы Ge_1-xSn_x были выращены методом жидкофазной эпитаксии из ограниченного объема оловянного раствора-расплава принудительным охлаждением в атмосфере очищенного палладием водорода [1].

Содержание Sn, а также однородность распределения компонентов, как по толщине эпитаксиального слоя, так и в направлениях, параллельных фронту кристаллизации, зависят от состава раствора-расплава и температуры начала кристаллизации. С увеличением содержания Zn в растворе-расплаве, содержание олова в твердом растворе резко возрастало, что, вероятно, связано с влиянием третьего компонента на эффективное значение коэффициента распределения [Саидов и др. 1986]. Установлено также, что с повышением температуры начала кристаллизации при одинаковых условиях и состава раствора-расплава увеличивается содержание Sn в твердом ратсворе Ge_1-xSn_x, при температуре начала кристаллизации 740С содержание Sn составляло х = 0.1, а при 540С – х = 0.03.

Структурные исследования со стороны пленки твердого раствора Ge_1-xSn_x (0  х  0.03) были выполнены на рентгеновском дифрактометре Дрон-УМ1 (CuK_ – излучения,  = 0.15418 нм) по схеме –2 в режиме пошагового сканирования.

Анализ результатов рентгенограммы показал, что поверхность пленки соответствует кристаллографической плоскости (111). Об этом свидетельствует присутствие на рентгенограмме узких интенсивных селективных рефлексов серии {222}. Самый интенсивный рефлекс (222)_Ge с d/n = 0.186 нм (при 2 = 55.98^), где d – межплоскостное расстояние, n – порядковый номер плоскости, обусловлен рассеянием рентгеновских квантов от базовых плоскостей серии {222} германиевой подрешетки пленки и имеет полуширину   7.8510^-4 рад. Узкая ширина пика (222)_Ge и отсутствие диффузных рефлексов свидетельствует о высокой степени совершенства кристаллической решетки пленки; следовательно, выращенная пленка является монокристаллической с ориентацией (111). Размер субкристаллитов германиевой подрешетки пленки, определенный из полуширины рефлекса (222)_Ge по формуле Селякова–Шеррера (L = 0.94·/(·Cosθ), где  – длина волны излучения,  – полуширина рефлекса и  – брэгговский угол), составляет L_Ge  210 нм.

Рельеф поверхности эпитаксиальной пленки твердого раствора Ge_1-xSn_x (0 ≤ x ≤ 0.03)изучался с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). На рис. 1 показано трехмерное АСМ изображение эпитаксиальной пленки. Видно, что на поверхности образуются отдельные бугорки различного размера. Анализ показал, что диаметр основание бугорков варьируется в интервале от 150 до 400 нм, а высота от 5 до 20 нм.

Возникновение селективного рефлекса при 2 = 56.36^ на дифрактограмме от атомных плоскостей твердого раствора свидетельствует о том, что в пленке присутствуют когерентно расположенные нанокристаллиты от фазы Ge_1-xSn_x. Заметим, что постоянной решетки нанокристаллов Ge_1-xSn_x на 0,44% больше, чем постоянной решетки германиевой подложки, что возможно обусловлено деформацией кристаллической решетки гетроэпитаксиальной пленки. Размеры бугорков, полученные исследованиями АСМ на поверхности пленки и нанокристаллитов, полученные рентгеновской дифракции в эпитаксиальной пленки имеют близкие значения, следовательно, по-видимому, твердый раствор Ge_1-xSn_x с большим содержанием Sn образует нанокристаллиты в эпитаксиальной пленке твердого раствора. Эти кванторазмерные объекты в эпитаксиальной пленке, могут быт использованы, в монипуляции оптическими свойствами гетероструктур, изготовленного на основе исследованного твердого раствора.

Рис. 1. Трехмерное АСМ изображение эпитаксиального слоя твердого раствора Ge_1-xSn_x (0≤x≤0.03).

С помощью жидкофазной эпитаксии были получены неизотипные гетеропереходы n-Ge–p-Ge_1-xSn_x (0 ≤ x ≤ 0.03) с переходным варизонным буферным слоем, состоящим из твердого раствора Ge_1-xSn_x с толщиной 15 мкм. Состав переходного слоя меняется по толщине пленки, ближе к подложке преобладает Ge, и по мере роста слоя мольное содержание Sn растет. В эпитаксиальной пленке мольное содержание Sn составляет 3 ат.%, пленка представляет собой твердый раствор замещения Ge_0.97Sn_0.03. Для выяснения роли компонентов твердого раствора экспериментально исследовали спектральные зависимости фоточувствительности изготовленных структур с помощью инфракрасного спектрометра ИКС-21. Результаты измерений представлены на рис. 2.Из рис. 4 видно, что фоточувствительность исследованных структур охватывает диапазон энергии фотонов от 0.4 до 1.4 eV.

Известно, что край фоточувствительности германиевых p-n- переходов составляет 0.67 eV. Сдвиг чувствительности исследованных структур в длинноволновую сторону обусловлен твердым раствором р-Ge_0.97Sn_0.03. Однако подъем спектральной чувствительности не резкий, что, возможно, обусловлено толщиной слоя твердого раствора р-Ge_0.97Sn_0.03 эффективно поглощающего низкоэнергетические кванты. Так как р-Ge_0.97Sn_0.03 непрямозонный полупроводниковый материал, для полноты поглощения длинноволновых фотонов требуется слой достаточной толщины, больше, чем 15 мкм. Спад фоточувствительности при энергиях фотонов больше, чем 0.9 eV обусловлен глубиной залегания разделяющего барьера p-n- перехода, которая определяется в нашем случае толщиной слоя p-Ge_1-xSn_x и составляет ~ 15 мкм

Рис. 2. Спектральная фоточувствительность гетероструктур n-Ge–p-Ge_1-xSn_x (0 ≤ x ≤ 0.03).

Таким образом, выращены совершенные монокристаллические пленки твердого раствора Ge_1-xSn_x c кристаллографической ориентацией (111) на монокристаллических подложках Ge методом жидкофазной эпитаксии из оловянного раствора-расплава. В эпитаксиальной пленке присутствуют нанокристаллиты из твердого раствора. Рассогласование постоянных решеток пленки твердого раствора Ge_1-xSn_x (0  x  0.03) (a_f = 5,6812 Å) и подложки – Ge (a_s = 5,6561 Å) составляло  = 2a_s – a_f/( a_s + a_f) = 0.0044. За счет атомов Sn фоточувствительность p-n- структур на основе твердого раствора сдвигается в длинноволновую сторону спектра излучения. Твердые растворы Ge_1-xSn_x (0 ≤ x ≤ 0.03) могут быть использованы как фотоактивный материал для разработки оптоэлектронных приборов, работающих в инфракрасной области спектра излучения при длинах волн до 3 мкм.

Литература:

1. Саидов А.С., Раззаков А.Ш., Кошчанов Э.А.. Кристаллизация слоев полупроводниковых твердых растворов Ge_1−xSn_x из жидкой фазы. Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. В. 16. С. 71-75.
2. Soref R.A., Kouvetakis J., Tolle J., Menendez J., D’Costa V.R.. J. Mater. Res., 22, 3281 (2007).
3. Deibuk V.G., Korolyuk Yu.G. The local atomic structures in Si_1–xGe_x and Si_1–xSn_x random solid solutions // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 2005. -V. 8, № 1. -P. 1-5.
4. Андреев В.М., Долгинов Л.М., Третьяков Д.Н.. Жидкостная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов (М., Сов. Радио, 1975. С.328).
5. А.С. Саидов, М.С. Саидов, Э. А. Кошчанов. Жидкостная эпитаксия компенсированных слоев арсенида галлия и твердых растворов на его основе. (Ташкент, «Фан», 1986).