МЕЖФАЗНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В СИСТЕМЕ Ga-As-ZnO В УСЛОВИЯХ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ

  • Наталия Черненко Южный федеральный университет
  • Сергей Балакирев Южный федеральный университет
  • Михаил Еременко Южный федеральный университет
  • Максим Солодовник Южный федеральный университет
Ключевые слова: Молекулярно-лучевая эпитаксия, арсенид галлия, фазообразование, термодинамика, оксид цинка

Аннотация

В работе представлены результаты исследования процессов фазообразования в системе Ga-As-ZnO с учетом особенностей процессов молекулярно-лучевой эпитаксии GaAs с целью исследования возможности использования тонких пленок ZnO для инициации самокаталитического роста нитевидных нанокристаллов GaAs. Представлены результаты расчетов двойных и тройных фазовых диаграмм состояний, возможных в рассматриваемой системе в заданных диапазонах температур и давлений. Проведен анализ возможных промежуточных и конечных продуктов реакций взаимодействия между компонентами в рассматриваемой системе. Определены и составлены уравнения основных и промежуточных химических реакций, протекающих в системе. Рассчитаны температурные зависимости изменений свободной энергии Гиббса ΔG(T) для основных и промежуточных реакций между основными компонентами рассматриваемой системы: кристаллическим GaAs (подложка), атомарными (молекулярными) потоками Ga и As из парогазовой фазы и аморфными (поликристаллическими) пленками ZnO на поверхности подложек. Показано, что пленки ZnO ведут себя подобно собственному окислу GaAs, однако имеют большую температурную стабильность. Также было показано, что ZnO в условиях эпитаксии GaAs может вступать в реакции не только кристаллическим GaAs подложки, но и ростовыми компонентами, в т.ч. с образованием летучих соединений. Установлены режимы доминирования реакций такого типа.

Литература

1. Thelander C., Agarwal P., Brongersma S., Eymery J., Feiner L., Forchel A., Scheffler M., Riess W., Ohlsson B., Gösele U., Samuelson L. Nanowire-based one-dimensional electronics // Nano Today. 2006. – V.10. – p.28-35.
2. Hayden O., Agarwal R., Lu W. Semiconductor nanowire devices // Nano Today. 2008. – V.3. – p.12–22.
3. D. Liang, Y. Kang, Y. Huo, Y. Chen, Y. Cui, J.S. Harris. High-Efficiency Nanostructured Window GaAs Solar Cells // Nano Letters. 2013. – V.13. – p.4850-4856.
4. A. M. Mozharov, D. A. Kudryashov, A. D. Bolshakov, G. E. Cirlin, A. S. Gudovskikh, I. S. Mukhin. Numerical simulation of the properties of solar cells based on GaPNAs/Si heterostructures and GaN nanowires // Semicondors. 2016. – V.50. – p.1521–1525.
5. C. Shyemaa Shehata, C. Fradin, R. LaPierre, C. Couteau, G. Weihs. Self-Directed Growth of AlGaAs Core-Shell Nanowires for Visible Light Applications // Nano Letters. 2007. – V.7, №9. – p. 2584-2589.
6. A. S. Togonal, et al. Core–Shell Heterojunction Solar Cells Based on Disordered Silicon Nanowire Arrays // Journal of Physical Chemistry C. 2016. – V.120. – p.2962-2972.
7. Chen R., Tran T. D., Ng K. W., Ko W. S., Chuang L. C., Sedgwick F. G. Chang-Hasnain C. Nanolasers grown on silicon // Nature Photonics. 2011. – V.5. – p.170–175.
8. Huang B., Yang Y., Lin T., Yang W. A simple and low-cost technique for silicon nanowire arrays based solar cells // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2012. – V.98. – p.357–362.
9. S. Zhao, et al. III-Nitride nanowire optoelectronics // Progress in Quantum Electronics. 2015. – V.44. – p.14-68.
10. M. Karimi, et al. Room-temperature InP/InAsP Quantum Discs-in-Nanowire Infrared Photodetectors // Nano Letters. 2017. – V.17. – p.3356-3362.
11. J. Svensson, et al. Diameter-Dependent Photocurrent in InAsSb Nanowire Infrared Photodetectors // Nano Letters. 2013. – V.13. – p.1380-1385.
12. D. Ren, et al. Influence of pitch on the morphology and luminescence properties of self-catalyzed GaAsSb nanowire arrays // Applied Physics Letters. 2016. – V.109. – p.243102.
13. 13. Johansson J., Wacaser B., Thelander K. D., Seifert W. Growth related aspects of epitaxial nanowires // Nanotechnology. 2006. – V.17. – p.355–361.
14. 14. V. G. Dubrovskii, N. V. Sibirev. Effect of nucleation on the crystalline structure of nanowhiskers // Technical Physics Letters. 2009. – V.35.p.380–383.
15. A. I. Hochbaum, et al. Semiconductor Nanowires for Energy Conversion // Chemical Reviews. 2010. – V.110. – p.527–546.
16. H. Wang, et al. A top-down approach to fabrication of high quality vertical heterostructure nanowire arrays // Nano Lett. 2011. – V.11. – p.1646-1650.
17. C. Colombo. Ga-assisted catalyst-free growth mechanism of GaAs nanowires by molecular beam epitaxy // Physical Review B. 2008. – V.77. – p.1-5.
18. S. Yua, G. Miaoa, Y. Jina, L. Zhanga, H. Songa, H. Jianga, Z. Lia, D. Lia, X. Sun. Growth and optical properties of catalyst-free InP nanowires on Si (100) substrates // Physica E. 2010. – V.42. – p.1510-1543.
19. C. García Núñezn, A. F. Braña, N. López, B. J. García GaAs nanowires grown by Ga-assisted chemical beam epitaxy: Substrate preparation and growth kinetics // J. of Crystal Growth. 2015. – V.430. – p.108–115.
20. Безрядин Н.Н., и др. Влияние финишной подготовки поверхности арсенида галлия на спектр электронных состояний n-GaAs(100) // ФТП. 2012. – №6. – c. 756-760.
21. Солодовник М.С. Фазообразование в системе Ga-As-O в условиях молекулярно-лучевой эпитаксии // Известия ЮФУ. Технические науки. 2017. – №4. – с.201 – 211.
22. Агеев О.А., Балакирев С.В., Солодовник М.С., Еременко М.М. Влияние взаимодействия в системе Ga-As-O на морфологию поверхности GaAs при молекулярно-лучевой эпитаксии // Физика твердого тела. 2016. – Т.58, №5. – с.1011-1018.
Опубликован
2019-07-13
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ IV. НАНОТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ