Разработка новых полупроводниковых материалов и гетероструктур на их основе для оптоэлектронных устройств видимого и ИК диапазона

Главной целью исследования является выращивание гетероструктур на основе пятикомпонентных твердых растворов методом зонной перекристаллизации в градиенте температур (ЗПГТ), исследование зонных параметров и процессов дефектообразования в них, а также их влияние на оптоэлектронные характеристики гетероструктур на их основе. Для достижения поставленной цели потребуется решить ряд задач: - изучить влияние состава выращенных твердых растворов на зонные параметры. - определить изопериодные составы твердых растворов к подложкам GaP, InAs, InP, InSb и установить их пределы термодинамической устойчивости. - изучить влияние концентрации легирующего компонента на зонные параметры твердых растворов. - исследовать процессы дефектообразования в выращенных твердых растворах и их влияние на характеристики фотоприемных гетероструктур на их основе. - в ходе выполнения проекта планируется использовать полученный ранее задел по направлению и развить способ управляемого легирования при выращивании твердых слоев для получения n- и p-типа проводимости. В ходе реализации государственного задания в период 2025—2027 гг. объектом исследования станут твердые растворы AlGaInAsP, GaInPAsSb, AlGaInAsSb на подложках GaP, InP, InAs, InSb выращенные методом ЗПГТ. Для получения n- и p-типа проводимости будут использоваться электрически активные примеси Te, Si, Ge, Zn. Новизна предложенных исследований заключается в том, что в ходе предлагаемого исследования будет выявлено влияние состава твердых растворов на зонные параметры и установлены пределы термодинамической устойчивости; будет разработан способ управляемого легирования твердых растворов AlGaInAsP, GaInPAsSb, AlGaInAsSb для получения n- и p-типов проводимости в условиях выращивания методом ЗПГТ. Одной из проблем электронных материалов для их приборного применения, в особенности в гетероструктурах A3B5, является их высокое кристаллическое совершенство. Поэтому в рамках заявленного исследования будет установлены условия ЗПГТ для получения слоев с низкой плотностью дислокаций. Изучено влияние дефектов на электрические и фотоэлектрические характеристики выращенных гетероструктур. Результатом выполнения работ должны стать: разработка и создание новых полупроводниковых материалов для оптоэлектронных устройств видимого и ИК диапазона; способ управляемого легирования твердых растворов AlGaInAsP, GaInPAsSb, AlGaInAsSb для получения n-и p-типов проводимости с концентрацией примеси до 10 в 19 степени см-3 в условиях выращивания методом зонной перекристаллизации в градиенте температур; будут разработаны конструкции эффективных устройств фотоники, электроники и солнечной энергетики с низкой плотностью дислокаций. В последние годы в полупроводниковой оптоэлектронике наметилась тенденция к использованию твердых растворов для окружения квантовых ям, квантовых точек потенциальными барьерам на основе тройных, четверных и пятерных твердых растворов, поскольку для новых устройств фотоники и оптоэлектроники стало недостаточно классических гетеросистем, таких как InAs/GaAs, AlGaAs/GaAs, AlGaSb/GaSb чтобы одновременно обеспечивать монолитную стыковку по параметру кристаллической решетки и высокую степень локализации носителей заряда в квантовых объектах. Преимущество предлагаемых к разработке твердых растворов перед классическими одноэлементными полупроводниками или бинарными соединениями A3B5 заключается в возможности управления шириной запрещенной зоны путем изменения их состава. Твердые растворы характеризуются наличием областей спинодальных распадов, что приводит к ограничениям их состава и ширины запрещенной зоны. Кроме того, увеличение количества компонентов в составе твердых растворов ведет к изменению структурных и оптических свойств таких гетероструктур и способов их конструирования. Одной из проблем электронных материалов для их приборного применения, в особенности в гетероструктурах A3B5, является их высокое кристаллическое совершенство. В настоящее время выращивание многослойных полупроводниковых приборов осуществляется методами молекулярно-лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии металлорганических соединений. Метод ЗПГТ является одной из разновидностей жидкофазной эпитаксии. ЗПГТ характеризуется дешевизной и относительной простотой технологического оборудования, предельно малыми пересыщениями на фронте кристаллизации, высокой изотермичностью процесса и низкими значениями концентрационного переохлаждения. Отличительной особенностью ЗПГТ является наличие твердого источника, с помощью которого происходит непрерывная подпитка жидкой фазы в процессе роста эпитаксиального слоя. Поэтому метод ЗПГТ позволяет выращивать высокосовершенные слои простых и сложных полупроводников с заданным распределением компонентов и примесей и не использовать при этом толстые слои жидкой фазы. Для получения гетероструктур с низкой плотностью дислокаций необходимо установить изопериодные составы твердых растворов к рассматриваемым подложкам и обеспечить условия сохранения постоянного состава раствора-расплава в процессе роста для того, чтобы стабилизировать параметр решетки выращенного слоя. В этом аспекте метод ЗПГТ имеет преимущество перед классической ЖФЭ поскольку подпитка жидкой зоны в ЗПГТ может осуществляться из поликристаллического источника над жидкой зоной. Следует отметить, жидкофазная эпитаксия до сих пор используется для получения светодиодов, термофотоэлектрических преобразователей и некоторых электронных устройств, где для достижения высоких токов и напряжений требуется выращивание толстых легированных слоев, что недостижимо в методах МЛЭ и МОСГФЭ. В последние годы при выращивании полупроводников A3B5 и наноструктур на их основе наметилась тенденция к снижению температур роста, чтобы подавлять поверхностную диффузию активных компонентов и снижать летучесть высоколетучих компонентов V группы. В этом аспекте метод ЗПГТ позволяет проводить более низкотемпературные процессы, чем МОСГФЭ. В настоящее время на Воронежском заводе полупровдниковых приборов внедряется метод ЗПГТ для производства силовых кремниевых диодов. Это свидетельствует о возможности адаптации метода ЗПГТ под промышленное применение. Получение приборных гетероструктур подразумевает возможность получения легированных слоев. Особенность ЗПГТ заключается в том, что легирование и кристаллизационная очистка происходят одновременно. Кристалл очищается вдоль траектории зоны от примесей, которых в жидкой фазе первоначально достаточно мало и легируется атомами элементов, входящих в состав зоны, если достаточно мала их концентрация в твердой фазе. В определенных случаях конечный результат легирования и очистки методом ЗПГТ проявляется в виде комбинированного эффекта, в котором оба процесса непрерывно связаны. Поэтому очень важно контролировать распределение примесей в эпитаксиальных слоях, которое оказывает существенное влияние на электрофизические параметры гетероструктуры. В условиях ЗПГТ легирование пятикомпонентных твердых растворов осложняется тем, что эффективный коэффициент распределения примеси существенно отличается от поведения примеси в классических бинарных соединениях A3B5 из-за увеличения компонентов в составе твердого раствора. В этой связи потребуются дополнительные исследования фазовых равновесий и проведение экспериментов по определению условий контролируемого легирования примесями Te, Si, Ge, Zn для получения слоев n- и p-типа проводимости и концентрацией примеси до 10 в степени 19 см-3. В рамках заявленного исследования будут исследованы плотность дислокаций и процессы контролируемого легирования в выращенных твердых растворах и изучено их влияние на электрические и фотоэлектрические характеристики выращенных гетероструктур. Описанные выше преимущества метода ЗПГТ позволяют надеяться на успешную реализацию. Поставленная проблематика находится на стыке оптоэлектроники, наноэлектроники и фотоники, что дает основания для получения прорывных результатов в создании нового класса материалов с улучшенными функциональными характеристиками. Тематика исследований находится в полном соответствии со Стратегией научно-технологического развития Российской Федерации в части перехода к новым материалам и способам конструирования приборов оптоэлектроники, наноэлектроники и фотоники нового поколения. Описанные выше аспекты позволяют заключить, что синтез новых материалов на основе пятерных твердых растворов и выращивание на их основе полупроводниковых гетероструктур является важной научной задачей.