RU196935U1

RU196935U1 - InAlAs / InGaAs two-period gauge superlattice on an InP substrate

Info

Publication number: RU196935U1
Application number: RU2019131841U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Виниченко; Иван Сергеевич Васильевский; Петр Леонидович Доброхотов; Николай Иванович Каргин
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2020-03-23

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковым наногетероструктурам АВ, используемым в качестве активной области для изготовления оптических и радиофотонных устройств (квантово-каскадные лазеры, модуляторы и т.д.), а также СВЧ транзисторов суб-терагерцового диапазона частот.Технический результат полезной модели заключается в возможности определить составы и толщины тройных твердых растворов InAlAs и InGaAs из сверхрешеточной гетероструктуры, полученной в едином процессе эпитаксиального роста, без привлечения результатов косвенного расчетного моделирования. Это достигается благодаря решению двух независимых (для каждой из сверхрешеток) уравнений толщины, общие периоды для которых могут быть получены путем исследования гетероструктуры методом высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии. Таким образом, применение полезной модели приводит к возможности путем прямого расчета с высокой точностью независимо определить толщины и состав двух различных тройных соединений, полученных в рамках единого технологического процесса.The utility model relates to semiconductor nanoheterostructures AB used as an active region for the manufacture of optical and radio photon devices (quantum cascade lasers, modulators, etc.), as well as microwave transistors of the sub-terahertz frequency range. The technical result of the utility model is the possibility to determine the compositions and thicknesses of ternary solid solutions of InAlAs and InGaAs from a superlattice heterostructure obtained in a single epitaxial growth process without involving indirect calculation results simulations. This is achieved by solving two independent (for each of the superlattices) equations of thickness, the general periods for which can be obtained by studying the heterostructure by high-resolution X-ray diffractometry. Thus, the application of the utility model makes it possible by direct calculation with high accuracy to independently determine the thickness and composition of two different ternary compounds obtained as part of a single technological process.

Description

Полезная модель относится к полупроводниковым наногетероструктурам A_IIIB_V, используемым в качестве активной области для изготовления оптических и радиофотонных устройств (квантово-каскадные лазеры, электрооптические модуляторы и т.д.), а также сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторов суб-терагерцового диапазона частот.The utility model relates to A _III B _V semiconductor nanoheterostructures used as an active region for the manufacture of optical and radio photon devices (quantum cascade lasers, electro-optical modulators, etc.), as well as microwave transistors of the sub-terahertz frequency range.

В современной твердотельной электронике наиболее быстродействующие СВЧ устройства получают по технологии решеточно-согласованных с подложкой InP НЕМТ (high electron mobility transistor) гетероструктур In_0.53Al_0.47As/In_0.52Ga_0.48As. В то же время, при создании электрооптических модуляторов на основе технологии InP ведущую роль занимает технология эпитаксиального создания гетероструктур. Точный подбор составов и толщин гетеросоединений обеспечивает необходимые выходные параметры преобразуемого СВЧ сигнала. Состав слоев тройных соединений в технологии наноразмерных гетероструктур A_IIIB_V получаемых методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), определяет величину разрывов энергии зоны, эффективную массу носителей тока, а в случае решеточно-рассогласованных материалов - также и механическую деформацию слоя. Для достижения минимальных потерь при работе модулятора используются решеточно-согласованные по отношению к материалу подложки тройные твердые растворы на основе соединений In_yGa_1-yAs и In_xAl_1-xAs, поскольку в данном случае минимизируются механические деформации, приводящие к появлению дислокаций в растущих слоях, значительно ухудшающих электронные транспортные и структурные свойства гетероструктур. Для сглаживания гетерограниц используются низкие скорости роста гетерослоев: V_p ~ (0.5-0.8) мкм/час, что обеспечивается использованием технологии МЛЭ. Высокое качество эпитаксиальных слоев In_yGa_1-yAs и In_xAl_1-xAs возможно при отклонении от изоморфного состава х=0.521 и у=0.530 не более чем на +5% и -3%, поэтому важным фактором в технологии МЛЭ роста изоморфных гетероструктур на подложках InP является соблюдение точности состава слоев. Метрологическая задача определения состава и толщин тройных твердых растворов решается при помощи прецизионных методов контроля состава слоев, таких как метод высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии HRXRD (high resolution x-ray diffraction). Однако конечная точность параметров зависит не только от качества исследования и сходимости используемых математических моделей, но также и от типа гетероструктуры, структурные параметры которой необходимо определить.In modern solid-state electronics, the fastest microwave devices are fabricated using In _0.53 Al _0.47 As / In _0.52 Ga _0.48 As heterostructures that are lattice-matched with the InP HEMT substrate (high electron mobility transistor). At the same time, when creating electro-optical modulators based on InP technology, the leading role is played by the technology of epitaxial creation of heterostructures. Exact selection of compositions and thicknesses of hetero compounds provides the necessary output parameters of the converted microwave signal. The composition of the layers of ternary compounds in the technology of nanosized A _III B _V heterostructures obtained by molecular beam epitaxy (MBE) determines the size of the energy gap of the zone, the effective mass of current carriers, and in the case of lattice-mismatched materials, the mechanical deformation of the layer. To achieve minimal losses during the operation of the modulator, triple solid solutions based on In _y Ga _1-y As and In _x Al _1-x As compounds are used lattice-matched with respect to the substrate material, since in this case the mechanical strains leading to the appearance of dislocations are minimized in growing layers, significantly impairing the electronic transport and structural properties of heterostructures. To smooth the heteroboundaries, low growth rates of heterolayers are used: V _p ~ (0.5-0.8) μm / h, which is ensured by the use of MBE technology. High quality of the epitaxial layers of In _y Ga _1-y As and In _x Al _1-x As is possible when the deviation from the isomorphic composition x = 0.521 and y = 0.530 is no more than + 5% and -3%, therefore, an important factor in MBE technology growth of isomorphic heterostructures on InP substrates is compliance with the accuracy of the composition of the layers. The metrological task of determining the composition and thickness of ternary solid solutions is solved using precision methods for controlling the composition of the layers, such as the high resolution x-ray diffraction (HRXRD) method. However, the final accuracy of the parameters depends not only on the quality of the study and the convergence of the mathematical models used, but also on the type of heterostructure whose structural parameters need to be determined.

Известна гетероструктура [1], которая состоит из подложки InP и сверхрешетки In_yGa_1-yAs/InP с периодом 20. В такой гетероструктуре, путем анализа кривых дифракционного отражения, полученных методом HRXRD, [1] определяется толщина периода сверхрешетки. Недостатком такого типа структуры является то, что для одновременного определения толщин и составов слоев In_xAl_1-xAs и In_yGa_1-yAs необходимо провести 2 независимых процесса эпитаксиального роста, в которых параметры временного дрейфа состава, температуры окружающей среды, калибровок зависимости потоков молекулярных источников от их температур и многие другие факторы могут сильно повлиять на результат и дать высокую погрешность исследования.A known heterostructure [1], which consists of an InP substrate and an In _y Ga _1-y As / InP superlattice with a period of 20. In such a heterostructure, by analyzing the diffraction reflection curves obtained by the HRXRD method, [1] the thickness of the superlattice period is determined. A disadvantage of this type of structure is that, for the simultaneous determination of the thicknesses and compositions of the In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As layers, it is necessary to carry out 2 independent epitaxial growth processes in which the parameters of the temporal drift of the composition, ambient temperature, and calibrations the dependence of the fluxes of molecular sources on their temperatures and many other factors can greatly affect the result and give a high error of research.

Прототипом предлагаемой полезной модели является полупроводниковая наногетероструктура, изображенная на фиг. 1 [2], на которой указаны следующие друг за другом слои. На монокристаллической полуизолирующей подложке InP - 1 эпитаксиально выращивается последовательность слоев: буферный слой InP - 2 и сверхрешетка (CP), состоящая из чередующейся последовательности слоев In_xAl_1-xAs/In_yGa_1-yAs, общим числом пар (период), равным 50-3.The prototype of the proposed utility model is a semiconductor nanoheterostructure depicted in FIG. 1 [2], on which successive layers are indicated. On a single-crystal semi-insulating InP-1 substrate, a sequence of layers is grown epitaxially: an InP-2 buffer layer and a superlattice (CP) consisting of an alternating sequence of In _x Al _1-x As / In _y Ga _1-y As layers, with the total number of pairs (period) equal to 50-3.

Недостатком такой гетероструктуры является то, что оценить отдельно вклад каждого из тройных твердых растворов In_xAl_1-xAs и In_yGa_1-yAs в общую толщину периода напрямую невозможно без привлечения дополнительных методов исследования. Для оценки вклада в случае данной гетероструктуры необходимо использовать метод математической подгонки результатов моделирования под экспериментальные данные и решать обратную задачу нахождения толщины для каждого из тройных соединений. Это ухудшает конечную точность исследования, поскольку искомые толщины определяются методом косвенной оценки в зависимости от выбранной модели.The disadvantage of such a heterostructure is that it is impossible to directly assess the contribution of each of the ternary solid solutions In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As to the total thickness of the period without using additional research methods. To assess the contribution in the case of this heterostructure, it is necessary to use the method of mathematical fitting of the simulation results to experimental data and solve the inverse problem of finding the thickness for each of the ternary compounds. This worsens the final accuracy of the study, since the required thicknesses are determined by the indirect estimation method depending on the chosen model.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в обеспечении возможности независимо определить толщины и состав тройных твердых растворов In_xAl_1-xAs и In_yGa_1-yAs, полученных в рамках единого технологического процесса.The technical result of the claimed utility model is to provide an opportunity to independently determine the thickness and composition of the ternary solid solutions In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As obtained in a single technological process.

Технический результат достигается тем, что полезная модель включает в себя последовательно слой подложки InP, буферный слой In_xAl_1-xAs с мольной долей x(InAs)=0.518-0.524, решеточно-согласованный с подложкой InP, нижнюю сверхрешетку СР1, состоящую из последовательности слоев In_xAl_1-xAs и In_yGa_1-yAs с x(InAs)=0.518-0.524 и y(InAs)=0.525-0.535, общим числом периодов от 10 выше, верхнюю сверхрешетку СР2, состоящую из последовательности слоев In_xAl_1-xAs и In_yGa_1-yAs с x(InAs)=0.48-0.56 и y(InAs)=0.49-0.57, общим числом периодов от 10 и выше.The technical result is achieved by the fact that the utility model successively includes an InP substrate layer, an In _x Al _1-x As buffer layer with a molar fraction x (InAs) = 0.518-0.524, lattice-matched with an InP substrate, a lower superlattice CP1 consisting of sequences of In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As layers with x (InAs) = 0.518-0.524 and y (InAs) = 0.525-0.535, with a total number of periods from 10 above, the upper superlattice of CP2 consisting of the sequence layers of In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As with x (InAs) = 0.48-0.56 and y (InAs) = 0.49-0.57, with a total number of periods of 10 and higher.

Мольные доли InAs х и у в случае СР1 выбираются исходя из того, что получившиеся сплавы In_xAl_1-xAs и In_yGa_1-yAs должны быть решеточно-согласованы друг с другом. В случае СР2 необходимо добиться рассогласования решеток, что может быть достигнуто разными комбинациями составов в упомянутом диапазоне. Такая гетероструктура позволяет получить с помощью метода HRXRD кривые дифракционного отражения, на которых наблюдаются отдельные пики сверхрешеток СР1 и СР2 за счет контраста по составу х и у. Выход за пределы предложенных диапазонов по составам не позволяет получить качественную кривую дифракционного отражения с отдельно стоящими четко разделяющимися пиками сверхрешеток.The molar fractions of InAs x and y in the case of CP1 are selected on the basis that the resulting In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As alloys must be lattice-matched to each other. In the case of CP2, it is necessary to achieve a mismatch of the lattices, which can be achieved by different combinations of compositions in the mentioned range. Such a heterostructure makes it possible to obtain diffraction reflection curves using the HRXRD method, on which individual peaks of superlattices CP1 and CP2 are observed due to the contrast in composition x and y. Going beyond the proposed composition ranges does not allow one to obtain a qualitative diffraction reflection curve with separately standing clearly separated peaks of superlattices.

На фиг. 2 представлен пример конкретной реализации гетероструктуры с калибровочной двухпериодной сверхрешеткой, демонстрирующей суть настоящей полезной модели. Гетероструктура выращивается методом молекулярно-лучевой эпитаксии при температуре роста слоев в диапазоне 380-520°С. Она состоит из монокристаллической полуизолирующей подложки InP - 1, далее следует буферный слой In_0.52Al_0.48As - 2, решеточно-согласованный с подложкой. Далее следует решеточно-согласованная с подложкой сверхрешетка 1, состоящая из последовательности слоев In_0.52Al_0.48As/In_0.53Ga_0.47As, с общим числом периодов 20. Далее следует механически-напряженная сверхрешетка 2, состоящая из последовательности слоев In_xAl_1-xAs/In_yGa_1-yAs с x(InAs)=0.49-0.51 и y(InAs)=0.54-0.56, с общим числом периодов 15.In FIG. Figure 2 presents an example of a specific implementation of a heterostructure with a two-period gauge superlattice, demonstrating the essence of this utility model. The heterostructure is grown by molecular beam epitaxy at a layer growth temperature in the range of 380-520 ° C. It consists of a single-crystal semi-insulating InP - 1 substrate, followed by an In _0.52 Al _0.48 As - 2 buffer layer lattice-matched with the substrate. This is followed by a lattice-matched superlattice 1, consisting of a sequence of In _0.52 Al _0.48 As / In _0.53 Ga _0.47 As layers, with a total number of periods 20. Next is a mechanically-stressed superlattice 2, consisting of a sequence of In _x Al _1-x layers As / In _y Ga _1-y As with x (InAs) = 0.49-0.51 and y (InAs) = 0.54-0.56, with a total number of periods of 15.

Для подтверждения заявленного эффекта были рассчитаны составы и толщины тройных твердых растворов In_xAl_1-xAs и In_yGa_1-yAs для гетероструктуры, представленной на фиг. 2, двумя различными способами: при использовании математической подгонки, путем решения обратной задачи в программном пакете GlobalFit, версия 2.1.1.0, входящим в программную среду двухкристального рентгеновского дифрактометра Rigaku Ultima IV, а также методом прямого решения системы линейных уравнений (1) вида:To confirm the claimed effect, the compositions and thicknesses of In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As ternary solid solutions were calculated for the heterostructure shown in FIG. 2, in two different ways: when using mathematical fitting, by solving the inverse problem in the GlobalFit software package, version 2.1.1.0, included in the software environment of the Rigaku Ultima IV dual-crystal X-ray diffractometer, as well as by directly solving the system of linear equations (1) of the form:

где L₁ и L₂ - толщина первого и второго периода CP, соответственно,where L ₁ and L ₂ - the thickness of the first and second period CP, respectively,

t₁, t₂, t₃, t₄ - времена эпитаксиального роста соответствующих слоев,t ₁ , t ₂ , t ₃ , t ₄ - the epitaxial growth times of the corresponding layers,

k₁ - приведенный коэффициент для соединения In_xAl_1-xAs, определяемый соотношением скоростей роста (молекулярных потоков) при изменении мольной доли х(In) в СР2 по сравнению с СР1,k ₁ is the reduced coefficient for the In _x Al _1-x As compound, determined by the ratio of growth rates (molecular fluxes) when the molar fraction of x (In) in CP2 changes compared to CP1,

k₂ - приведенный коэффициент для соединения In_yGa1-_yAs, определяемый соотношением скоростей роста (молекулярных потоков) при изменении мольной доли у(In) в СР2 по сравнению с СР1,k ₂ is the reduced coefficient for the In _y Ga1- _y As compound, determined by the ratio of growth rates (molecular fluxes) when the molar fraction of y (In) in CP2 changes compared to CP1,

V_InAlAs - скорость роста тройного соединения InAlAs,V _InAlAs is the growth rate of the ternary compound InAlAs,

V_InGaAs - скорость роста тройного соединения InGaAs.V _InGaAs — growth rate of the InGaAs ternary compound.

Неизвестными величинами в данной системе уравнений являются только скорости тройных твердых растворов V_InAlAs и V_InGaAs, остальные параметры известны и задаются начальными условиями процесса эпитаксиального выращивания. После решения системы уравнений (1) и определения скоростей V_InAlAs и V_InGaAs, толщины слоев In_xAl_1-xAs и In_yGa_1-yAs рассчитываются перемножением скоростей роста соответствующего слоя на известное время роста. Определить мольные доли х(In) и у(In) тройных соединений In_xAl_1-xAs и In_yGa_1-yAs можно из уравнений (2-3):The unknown values in this system of equations are only the velocities of ternary solid solutions V _InAlAs and V _InGaAs , the remaining parameters are known and are _determined by the initial conditions of the epitaxial growth process. After solving the system of equations (1) and determining the velocities V _InAlAs and V _InGaAs , the thicknesses of the In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As layers are calculated by multiplying the growth rates of the corresponding layer by a known growth time. The molar fractions x (In) and y (In) of the ternary compounds In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As can be determined from equations (2-3):

где V_GaAs=80.2 А/мин - скорость бинарного соединения GaAs для у(In)=0.53, V_AlAs=82.3 А/мин - скорость бинарного соединения AlAs для х(In)=0.52.where V _GaAs = 80.2 A / min is the GaAs binary compound velocity for y (In) = 0.53, V _AlAs = 82.3 A / min is the AlAs binary compound velocity for x (In) = 0.52.

Выявлено, что относительные погрешности определения составов и толщин находятся в диапазоне (2.1-6.7) % и (0.02-0.9) %, соответственно, что является важным фактором исследования, поскольку при отклонении от изоморфного состава х=0.521 и у=0.530 на более чем +5% и -3% в ГС на основе сверхрешеток In_xAl_1-xAs/In_yGa_1-yAs происходит релаксация механических напряжений в кристаллической решетке и приборная гетероструктура становится непригодной для дальнейших технологических операций. В то же время, в квантово-каскадных лазерах, на основе решеточно-согласованных сверхрешеток In_xAl_1-xAs/In_yGa_1-yAs, при отклонении от заданных толщин CP на величину >5%, усиливается поглощение излучения и происходит значительное снижение удельной выходной мощности и уменьшение квантовой эффективности.It was found that the relative errors in the determination of compositions and thicknesses are in the range (2.1-6.7)% and (0.02-0.9)%, respectively, which is an important research factor, since when deviating from the isomorphic composition, x = 0.521 and y = 0.530 by more than + 5% and -3% in a heterostructure based on In _x Al _1-x As / In _y Ga _1-y As superlattices, relaxation of mechanical stresses in the crystal lattice occurs and the instrumental heterostructure becomes unsuitable for further technological operations. At the same time, in quantum cascade lasers, based on lattice-matched In _x Al _1-x As / In _y Ga _1-y As superlattices, when the deviation from the given CP thicknesses is> 5%, the absorption of radiation is enhanced and a significant reduction in specific output power and a decrease in quantum efficiency.

Таким образом, применение данной полезной модели позволяет с высокой точностью независимо определить толщины и состав двух различных тройных соединений In_xAl_1-xAs и In_yGa_1-yAs, полученных в рамках единого технологического процесса.Thus, the application of this utility model allows with high accuracy to independently determine the thickness and composition of two different ternary compounds In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As obtained in the framework of a single technological process.

Список используемых источников.List of sources used.

1. United States Patent №5,530,732: М. Takemi. Method and apparatus for evaluating thin-film multilayer structure (Jun. 25, 1996).1. United States Patent No. 5,530,732: M. Takemi. Method and apparatus for evaluating thin-film multilayer structure (Jun. 25, 1996).

2. I. Demir and S. Elagoz. Growth of InGaAs/InAlAs superlattices by MOCXD and precise thickness determination via HRXRD // Gazi University Journal of Science vol. 29(4), pp. 947-951 (2016).2. I. Demir and S. Elagoz. Growth of InGaAs / InAlAs superlattices by MOCXD and precise thickness determination via HRXRD // Gazi University Journal of Science vol. 29 (4), pp. 947-951 (2016).

Claims

A two-period InAlAs / InGaAs calibration superlattice on an InP substrate, which consistently includes an InP substrate layer, a buffer layer, characterized in that the buffer layer consists of an In _x Al _1-x As compound with a molar fraction x (InAs) = 0.518-0.524, lattice matched to the InP substrate on which the lower superlattice CP1 is consistently arranged, consisting of a sequence of In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As layers with x (InAs) = 0.518-0.524 and y (InAs) = 0.525 0.535, with a total number of periods of at least 10, the upper superlattice of CP2, consisting of a sequence of In _x Al _1-x As and In _y Ga _1-y As layers with x (InAs) = 0.48-0.56 and y (I nAs) = 0.49-0.57, with a total number of periods of at least 10.