УДК 539. 219. 621
БЛАГИНА Л.В., КОДИН В.В., ОВЧИННИКОВ В.А.
ЭФФЕКТ САМООРГАНИЗАЦИИ В Bi-СОДЕРЖАЩИХ
ГЕТЕРОСИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Волгодонский институт ЮРГТУ (НПИ), г. Волгодонск, ул. Ленина 73/94, тел.: 25668
Количественные критерии развития неустойчивости, приводящей к
формированию сверхпериодичности, в настоящее время разработаны только для
бинарных систем эвтектического типа [1,2]. Для многокомпонентных систем
модельные
представления,
описывающие
развитие
неустойчивости
и
пространственно-периодические флуктуации форм межфазных границ существуют
только на эмпирическом уровне. В настоящей работе предпринята попытка
теоретического описания одного из возможных механизмов самоорганизации
сверхрешеточных структур в представлении ростовой системы как диссипативной.
Межфазная поверхность расплав-кристалл описывается нелинейным
многопараметрическим уравнением, которое приведем здесь в самом общем виде :
dr!
~
x~
( y
~
, , ) = x~
( y
~
, z
~
, ) + f(r!,
,) ,
0
dt
где - функция, описывающая форму границы; - функция исходного
0
!
рельефа, определяемого морфологией подложки; ! dr
f(r,
,) - конвективный фактор,
dt
содержащий периодическую компоненту.
Временная часть функции аппроксимируется eit, где определяется
соотношением средних плотностей расплава и твердой фазы и зависит от их
составов. Координатную часть удобно представить в виде ряда Фурье

2

2

2
x~
( y
~
, z~
, )
,
0
= A exp
nm

i kx i +
x + iky m +
y +
i kz l +
z






где
2
k =
i , i =1,2,... ; - характерный масштаб вдоль оси x ,1/П -
xi

k
k
i
структурный фазовый множитель. Коэффициенты ряда (Аnm) находятся в результате
решения уравнения теплопереноса через жидкую зону, их зависимости от
теплопроводностей компонентов имеют экспоненциальный характер. При

выращивании твердых растворов в поле температурного градиента важной задачей
является обеспечение плоскопараллельного движения фронта. Для бинарных
соединений А3В5 обнуление эффективных значений осцилляций в рабочем
диапазоне температур и скоростей роста возможно на областях ~ 10 мкм[2].
Согласно нашим расчетам, при использовании расплава, обогащенного
компонентом с атомами большого ковалентного радиуса (Bi, Tl) гашение
осцилляций происходит только на масштабах ~ (1÷5) 10-3 м, тогда как толщина
ростовой композиции МТР А3В5 в наших экспериментах не превышает 10-3 м.
Поэтому требование плоскопараллельности движения утрачивает смысл; очевидно,
эпитаксиальный рост пленок из Bi-содержащих расплавов обладает симметрией
более высокого порядка.
В кинетическом режиме роста максимальная скорость осцилляций ( d ) по
dt
порядку величины совпадает со скоростью движения межфазных границ (Vk). Такой
процесс удобно моделировать перемещающейся стоячей волной, пучности которой
являются центрами кристаллизации. Если Vk ~ 0, где - циклическая частота
осцилляций, возможно фрагментирование жидкой зоны. Это явление приводит к
развитию ячеистой неустойчивости на фронте кристаллизации и формированию
упорядоченных структур[1,3].
В поле температурного градиента (Т= 1253 К, grad T = 28 К/см) были
получены тонкие пленки GaP<Bi> и GaAsP<Bi> с автомодуляцией состава.
Исследования показали, что кристаллизация квазичетверного твердого раствора
GaAsP<Bi> в поле температурного градиента позволяет достичь относительно
высокого содержания висмута в твердом растворе (до 0,25 ат. %) с шагом по
толщине слоя XSBi =0,05 ат.%. Полученные пленки GaAsxP1-x <Bi>/GaP имели
переходные слои толщиной ~ 1-2 мкм и слои постоянного состава (x = 3,5 ат. %, XSBi
= 0.10; 0.15; 0.20 и 0.25 ат. %) толщиной до 12 мкм.
Были проведены Оже-исследования образцов при их послойном
стравливании. Для всех составов имели место модуляции структуры, впервые
описанные в работе[4]. Выявлено, что эти модуляции четко коррелируют с
изменением содержания висмута в твердой фазе: период модуляций составлял 0,4

мкм, а амплитуда ~ 5XSBi ≈ 0.25 ат.%. Мы предполагаем, что такой механизм
обеспечивается взаимодействием двух факторов: комплексообразованием висмута в
расплаве Ga-Bi и высокоэнергетичным вхождением атомов галлия в твердую фазу,
при котором каждая частица передает подложке энергию, достаточную для разрыва
~10 атомных связей. Обогащенные дефектами внедрения комплексы атомов
образуют некую упругую сверхрешетку, т.е., возникает микроупорядоченность;
энергетический спектр поверхностных состояний существенно изменяется и в
приповерхностных областях пленок возникают глубокие уровни, приводящие к
модуляции решеточного потенциала. Эту особенность можно использовать для
создания многофункциональной элементной базы. Анализ зонной структуры
полученных пленок показал, что при реализации двойных гетероструктур GaAsP -
GaAsP<Bi> - GaAsP в перспективе возможна разработка лазеров с перестраиваемой
частотой генерации и электрооптических модуляторов.
Таким образом, при задании соответствующего температурного поля в
системе Ga-As-P-Bi, инициирующего развитие в ростовой системе медленных
осцилляций, возможна кристаллизация эпитаксиальных пленок, в которых имеет
место автомодуляция состава. Этот процесс может приводить к самоорганизации
упорядоченных структур - сверхрешеток.
1.
Овчаренко А.Н. Нелинейные явления в процессе эволюции межфазных границ
при ЗПГТ. Канд. дис. - Новочеркасск, 1988.
2.
Кулинич Н.В., Овчаренко А.Н. Физическая и математическая модель метода
ЗПГТ с учетом гидродинамических эффектов//Деп. в ВИНИТИ 04.08.98
3.
Гидродинамика межфазных поверхностей. Сб. статей. М. : Мир. 1984. 210 с.
4.
С.К.Максимов. Формирование диссипативных структур при кристаллизации
эпитаксиальных слоев многокомпонентных соединений А3В5 и аморфных
пленок Ta - Si // Кристаллография. 1994. Т.39. 2. С. 315 - 321.