Дяденчук А.Ф., Кидалов В.В.

Бердянский государственный педагогический университет,Украина

Наночастицы GaN на пористых подложках GaAs

Полупроводниковые наночастицы привлекли к себе большое внимание после того, как их впервые синтезировали в начале 1980-х годов из-за своих уникальных оптических и электронных свойств, которые могут иметь большую область применения, например, в светоизлучающих диодах, лазерах, люминесцентных нанокомпозитах, солнечных батареях и т.д. [1].

Наночастицы с выраженной дискретностью системы уровней энергии называют «квантовыми точками». Данные наночастицы обладают уникальными электронными свойствами, промежуточными между свойствами объемных полупроводников и дискретных молекул.

Размер квантовых точек варьирует в диапазоне 2-10 нанометров. Квантовые точки поглощают электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн, а излучают в узком, что делает их эффективным источником света [2]. В частности, благодаря смещению основной полосы фотолюминесценции в глубокую ультрафиолетовую область спектра в последние несколько десятилетий начали привлекать к себе внимание квантовые точки GaN. Одной из важных задач современной оптоэлектроники является увеличение эффективности излучения светодиодов на основе GaN.

Для выращивания таких гетероструктур в основном применяются методы молекулярно-лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений [3-4]. В данной работе мы представляем способ получения квантовых точек GaN на пористых подложках GaAs методом нитридизации.

Пористый слой GaAs получали путем анодного электрохимического травления образцов монокристаллического GaAs (111) п-типа проводимости с полированной очищенной поверхностью. В качестве электролита использовались смеси HF:С₂H₅ОН=2:1, HF:С₂H₅ОН=1:1, HNO₃: H₂O₂=1:2, HNO₃: H₂O₂=1:1.

Процесс нитридизации проводился в разряде N₂+H₂ (2% H₂) со следующими параметрами – время отжига от 40 до 60 мин, температура отжига 820-1020 К, рабочее давление в реакторе – 10^-2-10^-1 бар.

Процесс отжига пористых слоев GaAs происходит с учетом физико-химических механизмов эпитаксиального роста. С одной стороны, учитывается диффузионный механизм, с другой, квазиэпитаксиальный механизм роста. Мышьяк имеет высокое равновесное давление, легко испаряется с поверхности. Недостаток As приводит к увеличению плотности вакансий. Перемещением данных вакансий реализуется диффузионный механизм роста.

Квазиэпитаксиальный же механизм роста свидетельствует о вытягивании атомов Ga из объема полупроводника, а также о реакции соединения их с адсорбированными на поверхности GaAs атомами азота и обусловлен этим фактом рост на поверхности пористых слоев GaAs квантовых точек GaN.

Водород связывает мышьяк в AsH₃ и последний адсорбируется с поверхности в соответствии с реакцией

.

Следствием миграции ионов может являться переформирование наночастиц GaN, сопровождающееся изменением их стехиометрии и размера, что приводит к сдвигу максимума полосы в спектрах ФЛ.

При нитридизации пористых слоев GaAs рост квантовых точек GaN происходит преимущественно за диффузионным механизмом. Следовательно, необходимо учитывать не только прямую диффузию активных атомов азота из газовой фазы постоянной концентрации в объем GaAs, но и встречную диффузию атомов мышьяка - в противоположном направлении с последующим замещением вакансий мышьяка атомами азота.

Процесс проводится до тех пор, пока не происходит полное замещение собственных атомов (As) на атомы другого вещества (N), что приводит к полной трансформации GaAs в GaN.

Физико-математическая модель сводится к задаче диффузии химического элемента с газовой фазы в объем кристалла, который описывается вторым уравнением Фика, основанном на законе баланса масс. Т.е.:

,

где C(x,t) – концентрация атомов азота, D - коэффициент диффузии.

Исходными условиями являются , граничными условиями – , где N₀ - постоянная концентрация атомов азота на поверхности кристалла, x – координата, вдоль которой рассматривается процесс диффузии.

Профиль распределения концентрации азота и мышьяка определяется системой уравнений массопереноса, решив которые можно найти наиболее оптимальные условия для нашего эксперимента.

Литература

[1] R. JARIMAVIČIŪTĖ-ŽVALIONIENĖ. Photoluminescence Properties of Porous Silicon with CdSe/ZnS Quantum Dots / R. JARIMAVIČIŪTĖ-ŽVALIONIENĖ, J. WALUK, I. PROSYČEVAS // ISSN 1392–1320 MATERIALS SCIENCE (MEDŽIAGOTYRA). – 2011. – Vol.17, No. 3. – Рр. 232-235.

[2] А. Ремпель. Квантовые точки для техники и медицины / А. Ремпель // ВЕСТНИК УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН. – 2010. – №2 (32).

[3] Д.Д.Ри. Кинетика фотолюминесценции вюрцитных GaN квантовых точек в матрице A lN / Д.Д.Ри, В.Г.Мансуров, А.Ю.Никитин, А.К.Гутановсний, К.С.Журавлев, П.Тронк // Письма в ЖЭТФ. – 2005. – Т.81, вып.2. – С.70-73.

[4] И.А. Александров. Нестационарная фотолюминесценция квантовых точек GaN/AlN / И.А. Александров, К.С.Журавлев, А.К. Гутаковский, Е.В. Луценко, Г.П. Яблонский // Сборник статей 8-го Белорусско-Российского семинара “Полупроводниковые лазеры и системы на их основе”. – 2011. - С. 225-227.