Вирощування гетероепітаксійних шарів на неізоперіодних підкладках мeтодом скануючої рідиннофазової епітаксії
Heterostructures with lattice mismatched and compositionally different layers are widely used in modern electronic and optoelectronic device engineering. Generally such structures are manufactured by the methods of metal-organic vapor phase epitaxy, metal-organic chemical vapor deposition and molecu...
Збережено в:
| Дата: | 2020 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2020
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.33 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1868203853914046464 |
|---|---|
| author | Tsybulenko, Vadym Shutov, Stanislav |
| author_facet | Tsybulenko, Vadym Shutov, Stanislav |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Vadym Tsybulenko",
"institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "Stanislav Shutov",
"institution": "V. Ye. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Tsybulenko, Vadym |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-16T12:26:21Z |
| description | Heterostructures with lattice mismatched and compositionally different layers are widely used in modern electronic and optoelectronic device engineering. Generally such structures are manufactured by the methods of metal-organic vapor phase epitaxy, metal-organic chemical vapor deposition and molecular-beam epitaxy. However, the methods of deposition from a liquid phase are the most inexpensive and simple yet. Thus obtaining the above mentioned heterostructures from a liquid phase is still promising. In this work we demonstrated the possibility of using the method of scanning liquid phase epitaxy to grow continuous heteroepitaxial layers over the substrate surface highly mismatched by lattice constant and having different crystal-chemical properties. By controlling basic parameters of the method we created the conditions close to the solution-melt saturation limit. In other words, we created the conditions of ultra-fast solution-melt cooling and, respectively, high growth rate. We obtained the heterostructures of Ge layers grown on GaP substrates where the lattice mismatch made 3.7%. Gallium was used as the solvent for Germanium. The heterostructure was grown by the method of scanning liquid phase epitaxy in the conditions of ultra-fast initial cooling of the solution-melt. Overcooling at the crystallization front was controlled by an extra heater of the substrate back side. The growing time was 1 and 20 seconds for the two test samples. The layers thickness was determined by the spherical slice technique to be 1.2 and 1.5 μm for these two growing time values, accordingly. We showed that it was possible to obtain more perfect Ge layers on GaP substrate by lowering the growth rate in the final growth stage.This method can be used to grow heterostructures used in creating such modern electronic and optoelectronic devices as structures based on A3B5 compounds and their solid solutions, which cannot be obtained by other classical methods of liquid phase epitaxy due to significant differences in lattice constants and / or crystal-chemical properties. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2020.5-6.33 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 33ISSN 2309-9992 (Online)
1
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
УДК 621.3/669/67.02/67.05
В. В. ЦИБУЛЕНКО, к. т. н. С. В. ШУТОВ
Україна, м. Херсон, Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України
E-mail: v-ts@isp.kiev.ua
ВИРОЩУВАННЯ ГЕТЕРОЕПІТАКСІЙНИХ ШАРІВ
НА НЕІЗОПЕРІОДНИХ ПІДКЛАДКАХ
МEТОДОМ СКАНУЮЧОЇ РІДИННОФАЗОВОЇ ЕПІТАКСІЇ
Інтерес до отримання гетероструктур, шари яких
відрізняються за сталими ґратки та кристалохіміч-
ними властивостями, продиктовано їхнім викори-
станням у приладах сучасної електроніки та оптое-
лектроніки [1—8]. Наприклад, у лазерах [4] та висо-
коефективних фотоелектронних приймачах [5, 6] це
розширює діапазон їхньої фоточутливості, а у штуч-
них підкладках [7] дозволяє покращити властиво сті
приладів [8].
На сьогодні основними методами виготовлення
зазначених гетероструктур є наступні: металоорга-
нічна епітаксія з парової фази (MOVPE, metal-organic
vapor phase epitaxy) [9—11], металоорганічне хімічне
осадження з пари (MOCVD, metal organic chemical
vapor deposition) [12] та молекулярно-променева епі-
таксія (MBE, molecular beam epitaxy) [13—15]. Також
відомі роботи з виготовлення гетероструктур мето-
дами рідиннофазової епітаксії [16—18].
Відомо, що методи вирощування з рідинної фази
є найдешевшими, простими, а відтак, і доступними
для широкого застосування. Саме тому становить
інтерес отримання гетероструктур, шари яких від-
різняються за сталими ґратки та кристалохімічними
вла стивостями, з рідинної фази. Отримати такі ге-
тероструктури можна двома способами: послідов-
но вирощувати градієнтні за складом шари, де стала
ґратки змінюється від підкладки до шару [19—21],
або вирощувати шари з розчину-розплаву, близького
до граничного перенасичення [22], що досягається в
умовах надшвидкісного охолодження і, відповідно,
великої швидкості росту.
Серед відомих методів рідиннофазової епітаксії
є метод скануючої рідиннофазової епітаксії (СРФЕ)
[23], де використовується короткочасний контакт
Показано можливість вирощування методом скануючої рідиннофазової епітаксії суцільних по поверхні
гетероепітаксійних шарів на підкладках, які значно відрізняються від шару за сталою ґратки і кристалохімічними
властивостями. Це зроблено на прикладі гетероструктури «підкладка GaP — шар Ge», для якої різниця між
значеннями сталих ґратки GaP та Ge складає 3,7%. Розчинником Ge слугував Ga. Гетероструктуру отрима-
но методом скануючої рідиннофазової епітаксії в умовах надшвидкісного охолодження розчину-розплаву на по-
чатковому етапі росту. Показано, що якісніші гетероепітаксійні шари Ge на підкладці GaP можна отримати
за використання низької швидкості росту на кінцевому етапі вирощування.
Ключові слова: скануюча рідиннофазова епітаксія, неізоперіодні гетероструктури, Ge, GaP, стала ґратки.
охолодженої підкладки з розчином-розплавом. Це
дозволяє створити умови для швидкого охолодження
розчину-розплаву поблизу фронту кристалізації та,
відповідно, миттєвої кристалізації епітаксійного шару
без розчинення попередньо вирощених шарів або під-
кладки. Проте метод СРФЕ початково не був розробле-
ний для вирощування в умовах, близьких до гранич-
ного перенасичення розчину-розплаву, а можливість
вирощування цим методом гетероструктур, шари яких
відрізняються за сталими ґратки та/або кристалохіміч-
ними властивостями, ще не досліджувалася.
Роботу присвячено дослідженню можливості ви-
рощування методом скануючої рідиннофазової епі-
таксії суцільних по поверхні гетероепітаксійних ша-
рів на підкладках, які значно відрізняються від шару
за сталою ґратки і кристалохімічними вла стивостями,
в умовах надшвидкісного охолодження розчину-
розплаву.
Теоретичні передумови
Метод СРФЕ та експериментальну установку опи-
сано у [24, 25]. Для вирощування епітаксійного шару
цим методом розчин-розплав необхідно привести в
контакт з охолодженою підкладкою на короткий час.
При цьому для забезпечення контакту, а після процесу
вирощування — для очищення підкладки від розчину-
розплаву можна використовувати силу Ампера.
У [24] показано, що основними параметрами ме-
тоду СРФЕ, що дозволяють керувати температурно-
часовим режимом росту, є початкові температури та
розміри підкладки та розчину-розплаву, умови те-
пловідведення від тильної сторони підкладки та час
самого процесу. Слід зауважити, що керувати темпе-
ратурним профілем тильної сторони підкладки мож-
DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.33
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–634 ISSN 2309-9992 (Online)
2
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
на за допомогою встановленого на ній додаткового
підігрівача [25].
Основна ідея роботи полягає у тому, що, керу-
ючи основними параметрами методу СРФЕ, мож-
на створити умови, близькі до граничного перена-
сичення розчину-розплаву. Тобто, розрахувавши по-
чаткову температуру при заданих розмірах підклад-
ки та розчину-розплаву, а також встановивши ре-
жим тепловідведення від тильної сторони підклад-
ки, можна створити умови надшвидкісного охоло-
дження розчину-розплаву та, відповідно, великої
швидкості росту.
В умовах надшвидкісного вирощування можливі
два випадки: це нестійкість границі росту та навіть
зрив росту через велике концентраційне переохоло-
дження та зрив дифузійного механізму росту.
Відомо, що критерієм морфологічної стійкості
шару, що росте, є критерій концентраційного пере-
охолодження [26, с. 101]. У разі його великого зна-
чення епітаксійний ріст шару припиняється, а грани-
ця, яка відділяє область стійкості (відсутність комі-
рок на фронті кристалізації) від області нестійкості
(фронт розбитий на комірки), описується, як
(1)
де dT/dz — градієнт температури біля фронту кристалі-
зації, необхідний для усунення концентра-
ційного переохолодження;
w2 — швидкість росту шару;
m — тангенс кута нахилу лінії ліквідуса на Т–х-
проекції діаграми стану (dT/dNl);
D — коефіцієнт взаємодифузії Ge та Ga;
Ns, Nl — концентрація Ge у твердій фазі та у розчині-
розплаві відповідно.
Оскільки температура на фронті кристалізації
змінюється з часом, величини dT/dz, Nl та w у фор-
мулі (1) у випадку вирощування методом СРФЕ є
функціями часу. Отже, задаючи градієнт температу-
ри біля фронту кристалізації через початкові темпе-
ратури та розміри підкладки і розчину-розплаву, умо-
ви тепловідведення від тильної сторони підкладки та
час контакту, можна знайти швидкість росту шару,
за якої відбуватиметься концентраційне переохо-
лодження. З іншого боку, необхідно, щоб швидкість
кри сталізації не перевищувала величину, за якої ато-
ми, що кристалізуються, не встигають вбудовувати-
ся до кристалічної ґратки. Тобто необхідно, щоб ре-
жим ро сту був дифузійним. З [27, с. 87] відомо, що
при нормальному рості швидкість руху w3 фронту
кри сталізації буде дорівнювати
, (2)
де a — стала ґратки;
ν — частота коливань атомів, ν = kbT/h;
kb — стала Больцмана;
h — стала Планка;
λ — відстань між зламами на поверхні кристалу, λ ≈ 3a;
N0, N — рівноважна та нерівноважна концентрації на
фронті кристалізації відповідно;
E — енергетичний бар’єр переходу атома із розчи-
ну до твердого тіла (для розрахунків Е прийня-
то рівним ентальпії плавлення Ge).
Таким чином, для отримання гетероструктур в
умовах надшвидкісного вирощування необхідно,
щоб на початковому етапі швидкість росту гетерое-
пітаксійного шару w1 була більшою або дорівнюва-
ла значенню w2 у формулі (1) при заданому переохо-
лодженні на фронті кристалізації, але при цьому не
досягала значення w3 у формулі (2).
Для експериментальної перевірки запропонованої
теорії було обрано гетероструктуру «підкладка GaP —
шар Ge» через велике розузгодження їхніх параме-
трів ґраток — 3,7%. Розчинником Ge був обраний Ga
через досить велику розчинність Ge в Ga [28, с. 593].
а)
Tcf ,
℃
490
485
480
475
470
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 t, с
Рис. 1. Залежність температури на фронті кристалізації Tcf (а) та залежність товщини осадженого шару Hg (б) від часу t
б)
Hg,
мкм
1,4
1,3
1,2
1,1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 t, с
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 35ISSN 2309-9992 (Online)
3
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
Особливості моделювання технологічних етапів
методу СРФЕ були розглянуті у [24]. Результати роз-
рахунку тепло- та масоперенесення для обраної ге-
тероструктури при використанні додаткового піді-
грівача підкладки наведено на рис. 1. Розраховані
при заданих технологічних параметрах методу
СРФЕ значення швидкості росту шару w1, макси-
мальної швидкості росту, за якої не виникає концен-
траційного переохолодження, w2 та швидкість руху
фронту кристалізації при нормальному рості w3 на-
ведено на рис. 2.
З рис. 2 видно, що при довготривалому контак-
ті підкладки з розчином-розплавом ріст шару при
використанні методу СРФЕ має відбуватися у три
етапи. На першому, початковому, етапі росту (до
0,5 с) розрахункова швидкість росту w1 є макси-
мальною та значно перевищує критерій морфоло-
гічної стійкості w2 (рис. 2, a), але не перевищує w3
(рис. 2, б). На другому етапі (від 0,5 с до 2 с) від-
бувається розчинення частини вирощеного шару.
Вочевидь, це пов’язано з перерозподілом в часі тем-
ператури в системі «розчин-розплав — підкладка —
нагрівач підкладки». Розрахункова швидкість росту
w1 зрівнюється з w2, а потім стає від’ємною (тобто
відбувається розчинення). На третьому етапі (після
2 с) знову відбувається кристалізація шару, але спо-
стерігається значне зменшення швидкості w1 у по-
рівнянні з першим етапом, хоча швидкість w1 знову
стає більшою за w2. На всіх етапах w1 не перевищує
w3, а значить, режим росту залишається дифузійним.
На наше припущення, якісніший гетероепітак-
сійний шар можна отримати, якщо в процесі виро-
щування використовувати третій етап, тобто напри-
кінці процесу підтримувати меншу швидкість росту.
Методика проведення експерименту
Для перевірки результатів розрахунків і наведе-
ного вище припущення було проведено експеримент
з вирощування гетероепітаксійного шару Ge на під-
кладці GaP з Ga–Ge-розчину-розплаву. Вирощування
проводилося на експериментальній установці для
скануючої рідиннофазової епітаксії із додатковим
нагрівачем підкладки з її тильної сторони [25]. За
допомогою зміни параметрів нагрівача підкладки
можна керувати градієнтом температури біля фрон-
ту кристалізації та, відповідно, його переохолоджен-
ням. Для проведення експерименту був виготовлений
нагрівач підкладки, що складався з двох елементів:
нагрівального тіла розмірами 4×4×12 мм і його влас-
ного нагрівача. Максимальна температура нагріва-
ча підкладки складала 775°С у верхній його части-
ні. Температурно-часовий режим кристалізації, по-
казаний на рис. 1, а, розраховано саме за таких па-
раметрів нагрівача підкладки.
Як підкладка було використано GaP орієнтаці-
єю (111). Зняття верхнього, механічно порушеного,
шару проводилося хімічним травленням підкладки
у розчині HNO3:HCl = 1:3 впродовж 15 хв за темпе-
ратури біля 65°С.
Підготовку та процес вирощування описано у [23,
25]. Початкова температура розчину-розплаву склада-
ла 500°С, поверхні підкладки — 420°С. Час контак-
ту розчину-розплаву із підкладкою для різних зраз-
ків складав 1 с або 20 с.
Для дослідження морфології вирощених гетеро-
епітаксійних шарів були використані оптичні мето-
ди, а для визначення товщини шару — метод сфе-
ричного шліфа.
Рис. 2. Залежності швидкості росту шару від часу:
w1 — швидкість росту шару; w2 — максимальна швидкість росту, за якої не виникає концентраційного переохолодження;
w3 — швидкість руху фронту кристалізації при нормальному рості
а) w2,
мкм/с
0,03
0,02
0,01
w2
w1
w1,
мкм/с
2,0
1,5
1,0
0,5
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 t, с
б) w3,
мкм/с
60
50
40
30
20
10
w1,
мкм/с
2,0
1,5
1,0
0,5
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 t, с
w3 w1
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–636 ISSN 2309-9992 (Online)
4
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
Обговорення результатів експерименту
З рис. 3, а можна побачити, що поверхня зразка,
вирощеного за 1 с, є дрібнокомірковою. Це підтверд-
жує наведені вище розрахунки. Швидкість ро сту на
початковому етапі (рис. 1, б) значно перевищувала
критерій морфологічної стійкості, отже, відповід-
но, вирощений гетероепітаксійний шар розбився на
дрібні комірки. При цьому поверхня шару залиши-
лася суцільною, а дендритного росту або зриву рос-
ту не відбулося.
У зразка, вирощеного за 20 с, на поверхні спо-
стерігаються ямки розчинення (рис. 3, б). Вочевидь,
вони виникли на другому етапі вирощування, коли
отриманий на початковому етапі комірковий шар
почав розчинятися. Проте в цьому випадку комі-
рок на поверхні не спостерігається, що можна по-
яснити значно меншою швидкістю наступного рос-
ту (третій етап).
Ці результати свідчать про те, що гетероепітак-
сійний шар, вирощений за 20 с із зменшеною швид-
кістю росту на кінцевому етапі, є більш якісним, ніж
вирощений за 1 с.
Оскільки очікувана товщина гетероепітаксійних
шарів Ge на підкладці GaP — мікронних розмірів, для
її знаходження використано метод сферичного шліфа.
Діаметр кульки становив 51 мм. Визначені цим мето-
20 мкм
а)
Рис. 4. Зображення поверхні сферичного шліфа зразків, вирощених за 1 с (а) та за 20 с (б)
0,5 мм
б)
Рис. 3. Зображення поверхні зразків, вирощених за 1 с (а) та за 20 с (б)
а)
0,5 мм
б)
20 мкм
дом значення товщини шарів для зразків складають
1,2 та 1,5 мкм, відповідно, для часу вирощування 1 та
20 с (рис. 4). Як бачимо, ці значення збігаються з тео-
ретично розрахованими, що представлені на рис. 1, б.
Висновки
Таким чином, було показано можливість отри-
мання гетероепітаксійних шарів, що значно від-
різняються сталими ґратки та кристалохімічними
властивостями, методом скануючої рідиннофазової
епітаксії в умовах надшвидкісного вирощування.
Експериментально отримано суцільні по поверхні
гетероепітаксійні шари Ge на підкладці GaP в умо-
вах надшвидкісного вирощування методом скану-
ючої рідиннофазової епітаксії при тривалості крис-
талізації 1 та 20 с. Показано, що якісніші гетерое-
пітаксійні шари можна отримати при використанні
меншої швидкості росту на кінцевому етапі виро-
щування. Дана технологія може бути використана
для виготовлення гетероструктур, що застосовують-
ся для створення сучасних електронних та оптое-
лектронних приладів, наприклад структур на основі
сполук А3В5 та їхніх твердих розчинів, які неможли-
во отримати іншими класичними методами рідин-
нофазової епітаксії через суттєві відмінності ста-
лих ґраток та/або кристалохімічних властивостей.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 37ISSN 2309-9992 (Online)
5
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Li Q., May Lau K. Epitaxial growth of highly mismatched
III-V materials on (001) silicon for electronics and optoelectronics.
Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2017,
vol. 63, p. 105–120. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2017.10.001
2. Zhao C., Xu B., Wang Z., Wang Z. Boron-doped III–V
semiconductors for Si-based optoelectronic devices. Journal
of Semiconductors, 2020, vol. 41, iss. 1, 011301. https://doi.
org/10.1088/1674-4926/41/1/011301
3. Mishra P., Nguyan A., Chen P.W., Tseng C.K., Lee M.C.
Implementation of lateral Ge–on–Si heterojunction photodetectors
via rapid melt growth and self-aligned microbonding for Si photonics.
Japanese Journal of Applied Physics, 2019, vol. 58, SJJC02. https://
doi.org/10.7567/1347-4065/ab24b3
4. Viheriala J., Aho A., Isoaho R., Aho A., Tukiainen A., Guina
M. Quantum-well laser diodes operating at 1.28 μm monolithically
integrated on Ge substrate. Proceedings 10537. Silicon Photonics XIII.
105370U (2018). https://doi.org/10.1117/12.2292738
5. Lan D., Green M. Up-conversion of sunlight by GaInP/GaAs/
Ge cell stacks: Limiting effi ciency, practical limitation and comparison
with tandem cells. Energy Procedia, 2017, vol. 130, p. 60–65. https://
doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.396
6. Tournet J., Parola S., Vauthelin A. et al. GaSb-based solar cells
for multi-junction integration on Si substrates. Solar Energy Materials
and Solar Cells, 2019, vol. 191, p. 444–450. https://doi.org/10.1016/j.
solmat.2018.11.035
7. Baidus N.V., Aleshkin V.Y., Dubinov A.A. et al. On the
Application of Strain-Compensating GaAsP Layers for the Growth
of InGaAs/GaAs Quantum-Well Laser Heterostructures Emitting
at Wavelengths above 1100 nm on Artificial Ge/Si Substrates.
Semiconductors, 2018, vol. 52, p. 1547–1550. https://doi.org/10.1134/
S1063782618120060
8. Болховитянов Ю.Б., Пчеляков О.П., Соколов Л.В., Чикичев
С.И. Искусственные подложки GeSi для гетероэпитаксии — до-
стижения и проблемы. Обзор. Физика и техника полупроводни-
ков, 2003, т. 37, № 5, с. 513–538.
9. Roychowdhury R., Dixit V.K., Vashisht G. et al. Surface and
interface properties of ZrO2/GaAs, SiO2/GaAs and GaP/GaAs hetero
structures investigated by surface photovoltage spectroscopy. Applied
Surface Science, 2019, vol. 476, p. 615–622. https://doi.org/10.1016/j.
apsusc.2019.01.103
10. Oshima R., France R., Geisz J. et al. Growth of lattice-matched
GaInAsP grown on vicinal GaAs(001) substrates within the miscibility
gap for solar cells. J. Cryst. Growth, 2017, vol. 458, p. 1–7. https://
doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.10.025
11. Barrutia L., Garcia I., Barrigjn E. et al. Impact of the III–V/Ge
nucleation routine on the performance of high effi ciency multijunction
solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2020, vol. 207,
110355. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110355
12. Li X., Zhao Y., Wu Q. et al. Exploring the optimum
growth conditions for InAs/GaSb and GaAs/GaSb superlattices
on InAs substrates by metalorganic chemical vapor deposition.
J. Cryst. Growth, 2018, vol. 502, p. 71–75. https://doi.org/10.1016/j.
jcrysgro.2018.09.003
13. Ghosh S., Rodrigues L., Moura L., Ferreira S. Epitaxial growth
and characterization of Cd1−xMnxTe fi lms on Si (111) substrates.
J. Cryst. Growth, 2019, vol. 522, p. 25–29. https://doi.org/10.1016/j.
jcrysgro.2019.06.009
14. Desplanque L., Bucamp A., Troadec D. et al. Selective area
molecular beam epitaxy of InSb nanostructures on mismatched
substrates. J. Cryst. Growth, 2019, vol. 512, p. 6–10. https://doi.
org/10.1016/j.jcrysgro.2019.02.012
15. Nakasu T., Sun W., Kobayashi M., Asahi T. Eff ect of Zn and
Te beam intensity upon the fi lm quality of ZnTe layers on severely
lattice mismatched sapphire substrates by molecular beam epitaxy.
J. Cryst. Growth, 2017, vol. 468, p. 635–637. https://doi.org/10.1016/j.
jcrysgro.2016.11.035
16. Rao Y., Zhang H., Yang Q. et al. Liquid phase epitaxy magnetic
garnet fi lms and their applications. Chin. Phys. B, 2018, vol. 27. iss.
8, 086701. https://doi.org/10.1088/1674-1056/27/8/086701
17. Tsybrii Z., Bezsmolnyy Yu., Svezhentsova K. et al. HgCdTe/
CdZnTe LPE epitaxial layers: From material growth to applications
in devices. J. Cryst. Growth, 2020, vol. 529, p. 125295. https://doi.
org/10.1016/j.jcrysgro.2019.125295
18. Donchev V., Milanova M., Georgiev S. et al. Dilute nitride
InGaAsN and GaAsSbN layers grown by liquid-phase epitaxy for
photovoltaic applications. J. Phys.: Conf. Series, 2020, vol. 1492,
p. 012049. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1492/1/012049
19. Ci J.-W., Lian C.-Y., Uen W.-Y. et al. Formation mechanism
of high Ge content SiGe epilayer on Si by liquid phase epitaxy using
Ge–Sn solution. Thin Solid Films, 2020, vol. 704, p. 137981. https://
doi.org/10.1016/j.tsf.2020.137981
20. Long J., Xiao M., Huang X. et al. High effi ciency thin fi lm
GaInP/GaAs/InGaAs inverted metamorphic (IMM) solar cells based
on electroplating process. J. Cryst. Growth, 2019, vol. 513, p. 38–42.
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2019.02.057
21. Reisinger M., Ostermaier C., Tomberger M. et al. Matching
in-situ and ex-situ recorded stress gradients in an AlxGa1−xN
heterostructure: Complementary wafer curvature analyses in time
and space. Scripta Materialia, 2018, vol. 147, p. 50–54. https://doi.
org/10.1016/j.scriptamat.2017.12.016
22. Абрамов А.В., Дерягин Н.Г., Третьяков Д.Н. Применение
сверхбыстрого (102—103℃/с) охлаждения раствора-расплава в
жидкофазной эпитаксии полупроводников. Физика и техника по-
лупроводников, 1999. т. 33, № 9, с. 1130–1133.
23. Tsybulenko V.V., Shutov S.V., Yerochin S.Yu. LPE application
technique for obtaining of thin fi lm semiconductor materials. Proc.
1st Intern. Electronic Conf. on Crystals (IECC 2018). 2018. https://
doi.org/10.3390/IECC_2018-05250
24. Tsybulenko V., Shutov S., S. Yerochin Determination of
crystallization conditions of Ge/GaAs heterostructures in scanning
LPE method. Semiconductor Physics, Quantum Electronics &
Optoelectronics, 2020, vol. 23, no 3, p. 294–301. https://doi.
org/10.15407/spqeo23.03.294
25. Цибуленко В.В., Шутов С.В., Боскін О.О. Особливості
використання методу скануючої рідиннофазної епітаксії для ви-
рощування товстих епітаксійних шарів. Наукові вісті КПІ, 2020,
№3, с. 58–64. https://doi.org/10.20535/kpi-sn.2020.3.197877
26. Соколов И.А. Расчеты процессов полупроводниковой тех-
нологии. Москва, Металлургия, 1994.
27. Chernov A.A. Modern Crystallography III: Crystal
Growth. Springer Science & Business Media, 2012. https://doi.
org/10.1007/978-3-642-81838-7.
28. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металли-
ческих систем. Том 2. Москва, Машиностроение, 2000.
Дата надходження рукопису
до редакції 03.11 2020 р.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–638 ISSN 2309-9992 (Online)
6
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
V. V. TSYBULENKO, S. V. SHUTOV
Ukraine, Kherson , V. Lashkaryov Institute
of Semiconductor Physics, NAS Ukrain
E-mail: v-ts@isp.kiev.ua
GROWING OF HETEROEPITAXIAL LAYERS ON LATTICE MISMATCHED
SUBSTRATES BY THE METHOD OF SCANNING LIQUID PHASE EPITAXY
Heterostructures with lattice mismatched and compositionally diff erent layers are widely used in modern electronic and
optoelectronic device engineering. Generally such structures are manufactured by the methods of metal-organic vapor phase
epitaxy, metal-organic chemical vapor deposition and molecular-beam epitaxy. However, the methods of deposition from a liquid
phase are the most inexpensive and simple yet. Thus obtaining the above mentioned heterostructures from a liquid phase is still
promising. In this work we demonstrated the possibility of using the method of scanning liquid phase epitaxy to grow continuous
heteroepitaxial layers over the substrate surface highly mismatched by lattice constant and having diff erent crystal-chemical
properties. By controlling basic parameters of the method we created the conditions close to the solution-melt saturation limit.
In other words, we created the conditions of ultra-fast solution-melt cooling and, respectively, high growth rate. We obtained the
heterostructures of Ge layers grown on GaP substrates where the lattice mismatch made 3.7%. Gallium was used as the solvent
for Germanium. The heterostructure was grown by the method of scanning liquid phase epitaxy in the conditions of ultra-fast
initial cooling of the solution-melt. Overcooling at the crystallization front was controlled by an extra heater of the substrate back
side. The growing time was 1 and 20 seconds for the two test samples. The layers thickness was determined by the spherical slice
technique to be 1.2 and 1.5 μm for these two growing time values, accordingly. We showed that it was possible to obtain more
perfect Ge layers on GaP substrate by lowering the growth rate in the fi nal growth stage.
This method can be used to grow heterostructures used in creating such modern electronic and optoelectronic devices as
structures based on А3В5 compounds and their solid solutions, which cannot be obtained by other classical methods of liquid
phase epitaxy due to signifi cant diff erences in lattice constants and / or crystal-chemical properties.
Keywords: scanning liquid phase epitaxy, high lattice mismatch heterostructures, Ge, GaP, lattice constant.
DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.33
UDC 621.3/669/67.02/67.05
REFERENCES
1. Li Q., May Lau K. Epitaxial growth of highly mismatched
III-V materials on (001) silicon for electronics and optoelectronics.
Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 2017,
vol. 63, pp. 105–120. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2017.10.001
2. Zhao C., Xu B., Wang Z., Wang Z. Boron-doped III–V
semiconductors for Si-based optoelectronic devices. Journal
of Semiconductors, 2020, vol. 41, iss. 1, 011301. https://doi.
org/10.1088/1674-4926/41/1/011301
3. Mishra P., Nguyan A., Chen P.W., Tseng C.K., Lee M.C.
Implementation of lateral Ge–on–Si heterojunction photodetectors
В. В. ЦЫБУЛЕНКО, С. В. ШУТОВ
Украина, г. Херсон, ИФП им. В. Е. Лашкарёва НАН Украины
E-mail: rv-ts@isp.kiev.ua
ВЫРАЩИВАНИЕ ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ НА НЕИЗОПЕРИОДНЫХ
ПОДЛОЖКАХ МEТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ЖИДКОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ
Показана возможность выращивания методом сканирующей жидкофазной эпитаксии сплошных по поверхности гете-
роэпитаксиальных слоев на подложках, которые существенно отличаются от слоев по периоду решетки и кристал-
лохимическим свойствам. Управление основными параметрами метода позволило создать условия, близкие к гранично-
му пересыщению раствора-расплава, то есть — сверхскоростного охлаждения раствора-расплава и, соответственно,
большой скорости роста. Проведено выращивание гетероструктуры «подложка GaP — слой Ge», у которой несовпаде-
ние по периодам решетки составляет 3,7%. В качестве растворителя Ge был использован Ga. Гетероструктура по-
лучена методом сканирующей жидкофазной эпитаксии в условиях сверхскоростного охлаждения раствора-расплава
на начальном этапе роста. Управление переохлаждением на фронте кристаллизации выполнялось при помощи до-
полнительного нагревателя подложки с ее тыльной стороны. Время выращивания для разных образцов составляло
1 или 20 с. Методом шар-шлифа определена толщина образцов, она составила 1,2 мкм при времени выращивания 1 с
и 1,5 мкм при 20 с. Исследования показали, что более качественные эпитаксиальные слои Ge на подложке GaP мож-
но получить при использовании меньшей скорости роста на конечном этапе выращивания. Данная технология мо-
жет быть использована при изготовлении гетероструктур, используемых для создания современных электронных и
оптоэлектронных приборов, например структур на основе соединений А3В5 и их твердых растворов, которые невоз-
можно получить другими классическими методами жидкофазной эпитаксии из-за существенных различий постоян-
ных решеток и/или кристаллохимических свойств.
Ключевые слова: сканирующая жидкофазная эпитаксия, неизопериодные гетероструктуры, Ge, GaP, постоянная решетки.
DOI: 10.15222/TKEA2020.5-6.33
УДК 621.3/669/67.02/67.05
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2020, № 5–6 39ISSN 2309-9992 (Online)
7
ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ТА ОБЛАДНАННЯ
Опис статті для цитування:
Цибуленко В. В., Шутов С. В. Вирощування гетероепітаксійних
шарів на неізоперіодних підкладках мeтодом скануючої
рідиннофазової епітаксії. Техно логия и конструи рование в
электронной аппаратуре, 2020, № 5–6, с. 33–39. http://dx.doi.
org/10.15222/TKEA2020.5-6.33
Cite the article as:
Tsybulenko V. V., Shutov S. V. Growing of heteroepitaxial layers
on lattice mismatched substrates by the method of scanning liquid
phase epitaxy. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi
Apparature, 2020, no. 5–6, pp. 33–39. http://dx.doi.org/10.15222/
TKEA2020.5-6.33
via rapid melt growth and self-aligned microbonding for Si photonics.
Japanese Journal of Applied Physics, 2019, vol. 58, SJJC02. https://
doi.org/10.7567/1347-4065/ab24b3
4. Viheriala J., Aho A., Isoaho R., Aho A., Tukiainen A., Guina
M. Quantum-well laser diodes operating at 1.28 μm monolithically
integrated on Ge substrate. Proceedings 10537. Silicon Photonics XIII.
105370U (2018). https://doi.org/10.1117/12.2292738
5. Lan D., Green M. Up-conversion of sunlight by GaInP/GaAs/
Ge cell stacks: Limiting effi ciency, practical limitation and comparison
with tandem cells. Energy Procedia, 2017, vol. 130, pp. 60–65. https://
doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.396
6. Tournet J., Parola S., Vauthelin A. et al. GaSb-based solar cells
for multi-junction integration on Si substrates. Solar Energy Materials
and Solar Cells, 2019, vol. 191, pp. 444–450. https://doi.org/10.1016/j.
solmat.2018.11.035
7. Baidus N.V., Aleshkin V.Y., Dubinov A.A. et al. On the
Application of Strain-Compensating GaAsP Layers for the Growth
of InGaAs/GaAs Quantum-Well Laser Heterostructures Emitting
at Wavelengths above 1100 nm on Artificial Ge/Si Substrates.
Semiconductors, 2018, vol. 52, pp. 1547–1550. https://doi.org/10.1134/
S1063782618120060
8. Bolkhovityanov Yu.B., Pchelyakov O.P., Socolov L.V.,
Chikichev S.I. Artificial GeSi substrates for heteroepitaxy:
Achievement and problems. Semiconductors, 2003, vol. 37, no. 5,
pp. 493–518. https://doi.org/10.1134/1.1575352]
9. Roychowdhury R., Dixit V.K., Vashisht G. et al. Surface and
interface properties of ZrO2/GaAs, SiO2/GaAs and GaP/GaAs hetero
structures investigated by surface photovoltage spectroscopy. Applied
Surface Science, 2019, vol. 476, pp. 615–622. https://doi.org/10.1016/j.
apsusc.2019.01.103
10. Oshima R., France R., Geisz J. et al. Growth of lattice-matched
GaInAsP grown on vicinal GaAs(001) substrates within the miscibility
gap for solar cells. J. Cryst. Growth, 2017, vol. 458, pp. 1–7. https://
doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.10.025
11. Barrutia L., Garcia I., Barrigjn E. et al. Impact of the III–V/Ge
nucleation routine on the performance of high effi ciency multijunction
solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2020, vol. 207,
110355. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110355
12. Li X., Zhao Y., Wu Q. et al. Exploring the optimum growth con-
ditions for InAs/GaSb and GaAs/GaSb superlattices on InAs substrates
by metalorganic chemical vapor deposition. J. Cryst. Growth, 2018,
vol. 502, pp. 71–75. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2018.09.003
13. Ghosh S., Rodrigues L., Moura L., Ferreira S. Epitaxial growth
and characterization of Cd1−xMnxTe fi lms on Si (111) substrates.
J. Cryst. Growth, 2019, vol. 522, pp. 25–29. https://doi.org/10.1016/j.
jcrysgro.2019.06.009
14. Desplanque L., Bucamp A., Troadec D. et al. Selective area
molecular beam epitaxy of InSb nanostructures on mismatched
substrates. J. Cryst. Growth, 2019, vol. 512, pp. 6–10. https://doi.
org/10.1016/j.jcrysgro.2019.02.012
15. Nakasu T., Sun W., Kobayashi M., Asahi T. Eff ect of Zn and
Te beam intensity upon the fi lm quality of ZnTe layers on severely
lattice mismatched sapphire substrates by molecular beam epitaxy.
J. Cryst. Growth, 2017, vol. 468, pp. 635–637. https://doi.
org/10.1016/j.jcrysgro.2016.11.035
16. Rao Y., Zhang H., Yang Q. et al. Liquid phase epitaxy mag-
netic garnet fi lms and their applications. Chin. Phys. B, 2018, vol. 27.
iss. 8, 086701. https://doi.org/10.1088/1674-1056/27/8/086701
17. Tsybrii Z., Bezsmolnyy Yu., Svezhentsova K. et al. HgCdTe/
CdZnTe LPE epitaxial layers: From material growth to applications
in devices. J. Cryst. Growth, 2020, vol. 529, p. 125295. https://doi.
org/10.1016/j.jcrysgro.2019.125295
18. Donchev V., Milanova M., Georgiev S. et al. Dilute nitride
InGaAsN and GaAsSbN layers grown by liquid-phase epitaxy for
photovoltaic applications. J. Phys.: Conf. Series, 2020, vol. 1492,
p. 012049. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1492/1/012049
19. Ci J.-W., Lian C.-Y., Uen W.-Y. et al. Formation mechanism
of high Ge content SiGe epilayer on Si by liquid phase epitaxy using
Ge–Sn solution. Thin Solid Films, 2020, vol. 704, p. 137981. https://
doi.org/10.1016/j.tsf.2020.137981
20. Long J., Xiao M., Huang X. et al. High effi ciency thin fi lm
GaInP/GaAs/InGaAs inverted metamorphic (IMM) solar cells based
on electroplating process. J. Cryst. Growth, 2019, vol. 513, pp. 38–42.
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2019.02.057
21. Reisinger M., Ostermaier C., Tomberger M. et al. Matching
in-situ and ex-situ recorded stress gradients in an AlxGa1−xN het-
erostructure: Complementary wafer curvature analyses in time and
space. Scripta Materialia, 2018, vol. 147, pp. 50–54. https://doi.
org/10.1016/j.scriptamat.2017.12.016
22. Abramov A.V., Deryagin N.G., Tret’yakov D.N. Application
of superfast (102—103℃/s) cooling of a solution-melt in the liquid-
phase epitaxy of semiconductors. Semiconductors, 1999. vol. 33,
no. 9, pp. 1130–1133.
23. Tsybulenko V.V., Shutov S.V., Yerochin S.Yu. LPE application
technique for obtaining of thin fi lm semiconductor materials. Proc.
1st Intern. Electronic Conf. on Crystals (IECC 2018). 2018. https://
doi.org/10.3390/IECC_2018-05250
24. Tsybulenko V., Shutov S., S. Yerochin Determination of
crystallization conditions of Ge/GaAs heterostructures in scan-
ning LPE method. Semiconductor Physics, Quantum Electronics
& Optoelectronics, 2020, vol. 23, no 3, pp. 294–301. https://doi.
org/10.15407/spqeo23.03.294
25. Tsybulenko V., Shutov S., Boskin O. The features of scan-
ning liquid phase epitaxy technique as applied to thick epitaxial
layers growth. KPI Science News, 2020, no 3, pp. 58–64. https://doi.
org/10.20535/kpi-sn.2020.3.197877 (Ukr)]
26. Sokolov I.A. Raschety protsessov poluprovodnikovoy tekh-
nologii [Calculations of Semiconductor Technology Processes].
Moscow, Metallurgiya, 1994. (Rus).
27. Chernov A.A. Modern Crystallography III: Crystal
Growth. Springer Science & Business Media, 2012. https://doi.
org/10.1007/978-3-642-81838-7.
28. Lyakyshev N.P. Diagrammy sostoyaniya dvoynykh metal-
licheskikh sistem. T. 2. [State Diagrams of Double Metal Systems.
Vol. 2]. Moscow, Mashinostroenie, 2000. (Rus).
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-97 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-17T01:00:33Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/41/7a09f8c6909efbc92499c013ec83ff41.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-972026-06-16T12:26:21Z Growing of heteroepitaxial layers on lattice mismatched substrates by the method of scanning liquid phase epitaxy Вирощування гетероепітаксійних шарів на неізоперіодних підкладках мeтодом скануючої рідиннофазової епітаксії Tsybulenko, Vadym Shutov, Stanislav scanning liquid phase epitaxy high lattice mismatch heterostructures Ge GaP lattice constant скануюча рідиннофазова епітаксія неізоперіодні гетероструктури Ge GaP стала ґратки Heterostructures with lattice mismatched and compositionally different layers are widely used in modern electronic and optoelectronic device engineering. Generally such structures are manufactured by the methods of metal-organic vapor phase epitaxy, metal-organic chemical vapor deposition and molecular-beam epitaxy. However, the methods of deposition from a liquid phase are the most inexpensive and simple yet. Thus obtaining the above mentioned heterostructures from a liquid phase is still promising. In this work we demonstrated the possibility of using the method of scanning liquid phase epitaxy to grow continuous heteroepitaxial layers over the substrate surface highly mismatched by lattice constant and having different crystal-chemical properties. By controlling basic parameters of the method we created the conditions close to the solution-melt saturation limit. In other words, we created the conditions of ultra-fast solution-melt cooling and, respectively, high growth rate. We obtained the heterostructures of Ge layers grown on GaP substrates where the lattice mismatch made 3.7%. Gallium was used as the solvent for Germanium. The heterostructure was grown by the method of scanning liquid phase epitaxy in the conditions of ultra-fast initial cooling of the solution-melt. Overcooling at the crystallization front was controlled by an extra heater of the substrate back side. The growing time was 1 and 20 seconds for the two test samples. The layers thickness was determined by the spherical slice technique to be 1.2 and 1.5 μm for these two growing time values, accordingly. We showed that it was possible to obtain more perfect Ge layers on GaP substrate by lowering the growth rate in the final growth stage.This method can be used to grow heterostructures used in creating such modern electronic and optoelectronic devices as structures based on A3B5 compounds and their solid solutions, which cannot be obtained by other classical methods of liquid phase epitaxy due to significant differences in lattice constants and / or crystal-chemical properties. Показано можливість вирощування методом скануючої рідиннофазової епітаксії суцільних по поверхні гетероепітаксійних шарів на підкладках, які значно відрізняються від шару за сталою ґратки і кристалохімічними властивостями. Це зроблено на прикладі гетероструктури «підкладка GaP — шар Ge», для якої різниця між значеннями сталих ґратки GaP та Ge складає 3,7%. Розчинником Ge слугував Ga. Гетероструктуру отримано методом скануючої рідиннофазової епітаксії в умовах надшвидкісного охолодження розчину-розплаву на початковому етапі росту. Показано, що якісніші гетероепітаксійні шари Ge на підкладці GaP можна отримати за використання низької швидкості росту на кінцевому етапі вирощування. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2020-12-27 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.33 10.15222/TKEA2020.5-6.33 Technology and design in electronic equipment; No. 5–6 (2020): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 33-39 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 5–6 (2020): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 33-39 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2020.5-6 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.33/87 Copyright (c) 2020 Tsybulenko V. V., Shutov S. V. http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | скануюча рідиннофазова епітаксія неізоперіодні гетероструктури Ge GaP стала ґратки Tsybulenko, Vadym Shutov, Stanislav Вирощування гетероепітаксійних шарів на неізоперіодних підкладках мeтодом скануючої рідиннофазової епітаксії |
| title | Вирощування гетероепітаксійних шарів на неізоперіодних підкладках мeтодом скануючої рідиннофазової епітаксії |
| title_alt | Growing of heteroepitaxial layers on lattice mismatched substrates by the method of scanning liquid phase epitaxy |
| title_full | Вирощування гетероепітаксійних шарів на неізоперіодних підкладках мeтодом скануючої рідиннофазової епітаксії |
| title_fullStr | Вирощування гетероепітаксійних шарів на неізоперіодних підкладках мeтодом скануючої рідиннофазової епітаксії |
| title_full_unstemmed | Вирощування гетероепітаксійних шарів на неізоперіодних підкладках мeтодом скануючої рідиннофазової епітаксії |
| title_short | Вирощування гетероепітаксійних шарів на неізоперіодних підкладках мeтодом скануючої рідиннофазової епітаксії |
| title_sort | вирощування гетероепітаксійних шарів на неізоперіодних підкладках мeтодом скануючої рідиннофазової епітаксії |
| topic | скануюча рідиннофазова епітаксія неізоперіодні гетероструктури Ge GaP стала ґратки |
| topic_facet | scanning liquid phase epitaxy high lattice mismatch heterostructures Ge GaP lattice constant скануюча рідиннофазова епітаксія неізоперіодні гетероструктури Ge GaP стала ґратки |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2020.5-6.33 |
| work_keys_str_mv | AT tsybulenkovadym growingofheteroepitaxiallayersonlatticemismatchedsubstratesbythemethodofscanningliquidphaseepitaxy AT shutovstanislav growingofheteroepitaxiallayersonlatticemismatchedsubstratesbythemethodofscanningliquidphaseepitaxy AT tsybulenkovadym viroŝuvannâgeteroepítaksíjnihšarívnaneízoperíodnihpídkladkahmetodomskanuûčoírídinnofazovoíepítaksíí AT shutovstanislav viroŝuvannâgeteroepítaksíjnihšarívnaneízoperíodnihpídkladkahmetodomskanuûčoírídinnofazovoíepítaksíí |