doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-6-1085-1091


УДК 539.23

Особенности импульсного лазерного напыления тонких пленок InGaAsN в атмосфере активного фонового газа

Девицкий О.В.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:

Девицкий О.В. Особенности импульсного лазерного напыления тонких пленок InGaAsN в атмосфере активного фонового газа // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 6. С. 1085–1091. doi: 10.17586/22261494-2022-22-6-1085-1091



Аннотация
Предмет исследования. Соединения III-V-N являются перспективным классом твердых растворов, которые могут активно использоваться в оптоэлектронных приборах, работающих в широком спектральном диапазоне вплоть до 3 мкм. Соединения также применяются для увеличения эффективности фотодетекторов, лазеров в волоконно-оптических линиях связи и телекоммуникационных системах. В работе исследованы особенности различных способов получения новых полупроводниковых материалов III-V-N. Тонкие пленки InGaAsN получены методом импульсного лазерного напыления на подложках GaAs (100) и Si (100) в атмосфере активного фонового газа. Метод. Импульсное лазерное напыление тонких пленок InGaAsN проведено с использованием мишени In0,02Ga0,98As в атмосфере особо чистой аргоно-азотной смеси при давлениях 2, 5 и 10 Па. В качестве источника лазерного излучения использовался лазер AYG:Nd3+ с длиной волны 532 нм (вторая гармоника), плотностью энергии лазерного излучения 2,3 Дж/см2, частотой следования импульсов 15 Гц и длительностью импульса 10 нс. Температура подложки составила 350 °C, время напыления 60 мин. Основные результаты. Показано, что поверхность тонких пленок текстурирована микрокаплями. Установлено, что микрокапли на поверхности тонкой пленки образованы металлическим индием, а их распределение по поверхности пленки в основном упорядочено в виде линий. Подобное явление можно объяснить наличием дислокаций несоответствия. Средний размер микрокапель на поверхности пленки InGaAsN на GaAs (100) около 30 нм, а их плотность не превышала 0,076 мкм–2. Для сравнения в пленках, полученных на Si подложках при давлении 2 Па, наибольшая плотность микрокапель — 0,26 мкм–2. Наименьшая плотность микрокапель на поверхности (0,17 мкм–2) зафиксирована в образцах тонкой пленки InGaAsN на Si (100), полученной при давлении 10 Па. Отмечено, что интенсивность локальной фононной колебательной моды (Local Vibrational Modes, LVM) InN на частоте 430 см–1 возрастает с увеличением давления аргонно-азотной смеси при импульсном лазерном напылении в спектрах комбинационного рассеяния пленок InGaAsN на Si. Обнаружены фононные моды второго порядка: LVM InN на частоте 450 см–1 и LVM GaN — 470 см–1. Данное обнаружение подтверждает наличие азота в тонкой пленке InGaAsN, полученной методом импульсного лазерного напыления. Показано, что увеличение давления аргоно-азотной газовой смеси при импульсном лазерном напылении способствует увеличению концентрации азота в тонких пленках InGaAsN на Si. Установлено, что концентрация азота в пленках InGaAsN, полученных при давлении 10 Па на подложках GaAs (100) и Si (100), различается незначительно и составляет 1,9 и 1,8 % соответственно. Практическая значимость. Представленные результаты могут быть использованы при создании на основе полученных тонких пленок InGaAsN высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей, фотодетекторов ближнего и среднего инфракрасного диапазона до 3 мкм.

Ключевые слова: разбавленные нитриды, InGaAsN, импульсное лазерное напыление, многокомпонентные твердые растворы, III-V-N/Si

Благодарности. Публикация подготовлена в рамках реализации государственного задания «Разработка новых полупроводниковых материалов на основе многокомпонентных твердых растворов для фотонных, оптоэлектронных и СВЧ применений» (номер государственной регистрации 122020100326-7), а также с использованием ресурсов центра коллективного пользования Северо-Кавказского федерального университета и при финансовой поддержке Минобрнауки России, уникальный идентификатор проекта RF-2296.61321X0029 (соглашение № 075-15-2021-687).

Список литературы
  1. Park Y., Cich M.J., Zhao R., Specht P., Feick H., Weber E.R. AFM study of lattice matched and strained InGaAsN layers on GaAs // Physica B: Condensed Matter. 2001. V. 308–310. P. 98–101. https://doi.org/10.1016/S0921-4526(01)00669-X
  2. Kim T., Garrod T.J., Kim K., Lee J., Mawst L.J., Kuech T.F., LaLumondiere S.D., Sin Y., Lotshaw W.T., Moss S.C. Characteristics of bulk InGaAsN and InGaAsSbN materials grown by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) for solar cell application // Proceedings of SPIE. 2012. V. 8256. P. 82561D. https://doi.org/10.1117/12.906961
  3. Levillayer M., Arnoult A., Massiot I., Duzellier S., Nuns T., Inguimbert C., Aicardi C., Parola S., Carrère H., Balocchi A., Vaissiere N., Decobert J., Almuneau G., Artola L. As-grown InGaAsN subcells for multijunction solar cells by molecular beam epitaxy // IEEE Journal of Photovoltaics. 2021. V. 11. N 5. P. 1271–1277. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2021.3093048
  4. Pavelescu E.M., Wagner J., Komsa H.P., Rantala T.T., Dumitrescu M., Pessa M. Nitrogen incorporation into GaInNAs lattice-matched to GaAs: The effects of growth temperature and thermal annealing // Journal of Applied Physics. 2005. V. 98. N 8. P. 83524. https://doi.org/10.1063/1.2112173
  5. Bank S.R., Wistey M.A., Yuen H.B., Goddard L.L., Bae H., Harris J.S. Molecular-beam epitaxy growth of low-threshold cw GaInNAsSb lasers at 1.5 μm // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2005. V. 23. N 3. P. 1337–1340. https://doi.org/10.1116/1.1914825
  6. Baranov A.I., Gudovskikh A.S., Kudryashov D.A., Lazarenko A.A., Morozov I.A., Mozharov A.M., Nikitina E.V., Pirogov E.V., Sobolev M.S., Zelentsov K.S., Egorov A.Yu., Darga A., Le Gall S., Kleider J.-P. Defect properties of InGaAsN layers grown as sub-monolayer digital alloys by molecular beam epitaxy // Journal of Applied Physics. 2018. V. 123. N 16. P. 161418. https://doi.org/10.1063/1.5011371
  7. Pashchenko A.S., Devitsky O.V., Lunin L.S., Kasyanov I.V., Nikulin D.A., Pashchenko O.S. Structure and morphology of GaInAsP solid solutions on GaAs substrates grown by pulsed laser deposition // Thin Solid Films. 2022. V. 743. P. 139064. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2021.139064
  8. Девицкий О.В., Никулин Д.А., Сысоев И.А. Импульсное лазерное напыление тонких пленок нитрида алюминия на сапфировые подложки // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 2. С. 177–184. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2020-20-2-177-184
  9. Hung W.K., Chern M.Y., Fan J.C., Lin T.Y., Chen Y.F. Pulsed laser deposition of epitaxial GaNxAs1-x on GaAs // Applied Physics Letters. 1999. V. 74. N 26. P. 3951–3953. https://doi.org/10.1063/1.124234
  10. Девицкий О.В., Санакулов С.О. Численное моделирование функциональных характеристик солнечных элементов на основе гетероструктур InGaAsN/Si// Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 2. С. 191–197. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-2-191-197
  11. Iatsunskyi I., Jurga S., Smyntyna V., Pavlenko M., Myndrul V., Zaleska A. Raman spectroscopy of nanostructured silicon fabricated by metal-assisted chemical etching // Proceedings of SPIE. 2014. V. 9132. P. 913217. https://doi.org/10.1117/12.2051489
  12. Chafi A., Pagès O., Postnikov A.V., Gleize J., Sallet V., Rzepka E., Li L.H., Jusserand B., Harmand J.C. Combined Raman study of InGaAsN from the N-impurity and InGaAs-matrix sides // Applied Physics Letters. 2007. V. 91. N 5. P. 051910. https://doi.org/10.1063/1.2767244
  13. Milanova M., Donchev V., Kostov K.L., Alonso-Álvarez D., Valcheva E., Kirilov K., Asenova I., Ivanov I.G., Georgiev S., Ekins-Daukes N. Experimental study of the effect of local atomic ordering on the energy band gap of melt grown InGaAsN alloys // Semiconductor Science and Technology. 2017. V. 32. N 8. P. 085005. https://doi.org/10.1088/1361-6641/aa7404
  14. Alt H.C., Gomeniuk Y.V. Local mode frequencies of the NAs−InGa nearest-neighbor pair in (Ga,In)(As,N) alloys // Physical Review B. 2004. V. 70. N 16. P. 161314(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.161314
  15. Kurtz S., Webb J., Gedvilas L., Friedman D., Geisz J., Olson J., King R., Joslin D., Karam N. Structural changes during annealing of GaInAsN // Applied Physics Letters. 2001. V. 78. N 6. P. 748–750. https://doi.org/10.1063/1.1345819
  16. De La Mare M., Das S.C., Das T.D., Dhar S., Krier A. N incorporation and photoluminescence in In-rich InGaAsN grown on InAs by liquid phase epitaxy // Journal of Physics D: Applied Physics. 2011. V. 44. N 31. P. 315102. https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/31/315102


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2023 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика