Влияние наноразмерных слоев хемостимулятора-модификатора Mn3(P0.1V0.9O4)2 на процесс термического оксидирования GaAs, состав и морфологию формируемых плёнок

Аннотация

Одним из подходов к формированию функциональных наноразмерных плёнок на поверхности A^IIIB^V является хемостимулированное термооксидирование. Для получения требуемого результата необходимо обоснованно выбрать объект, который может выступать в роли хемостимулятора процесса или модификатора структуры и свойств формируемых в результате оксидирования плёнок. Использование сложных соединений, способных совмещать обе эти функции, представляется перспективным. Цель статьи – исследование воздействия наноразмерных слоев хемостимулятора-модификатора Mn₃(P_0.1V_0.9O₄)₂ на процесс термического оксидирования GaAs, состав и морфологию
формируемых пленок.
Объект исследования – арсенид галлия (100) с нанесёнными на его поверхность наноразмерными слоями ванадат-фосфата марганца Mn₃(P_0.1V_0.9O₄)₂. С целью увеличения скорости процесса и обеспечения высокой химической гомогенности продукта предлагается микроволновая активация синтеза хемостимулятора-модификатора Mn₃(P_0.1V_0.9O₄)₂ и дальнейшее его нанесение на поверхность полупроводника методом spin-coating. Сформированные гетероструктуры Mn₃(P_0.1V_0.9O₄)₂/GaAs термически оксидировали в интервале температур 490–550 oС в течение 60 минут в потоке кислорода.
Осуществляли контроль толщины растущих плёнок (методами лазерной и спектральной эллипсометрии), их состав (рентгенофазовый анализ, Оже-электронная спектроскопия) и морфологию поверхности (атомно-силовая микроскопия).
Исследования кинетики термооксидирования гетероструктур Mn₃(P_0.1V_0.9O₄)₂/GaAs показали, что определяющим процессом является твердофазная реакция, лимитируемая диффузией в твердой фазе, и реализуется транзитный характер действия хемостимулятора без каталитического эффекта. Выявлено, что ванадат-фосфат марганца способствует увеличению прироста формируемой пленки в среднем на 70–220% по сравнению с эталонным оксидированием GaAs, приводит к интенсификации вторичных взаимодействий оксидов компонентов подложки с продуктами термолиза Mn₃(P_0.1V_0.9O₄)₂ и отсутствию сегрегации мышьяка в плёнке в неокисленном состоянии.
При термооксидировании гетероструктур Mn₃(P_0.1V_0.9O₄)₂/GaAs формируются наноразмерные (50-200 нм) плёнки с достаточно выраженным рельефом. Необходимо дальнейшее исследование электрофизических характеристик плёнок, т. к. данные о составе позволяют предположить их диэлектрический характер. Это может быть использовано на практике для формирования на поверхности A^IIIB^V плёнок функционального назначения с варьируемыми в широких пределах характеристиками.

ЛИТЕРАТУРА

1. Tang M., Park J.-S., Wang Z., Chen S., Jurczak P., Seeds A., Liu H. Integration of III-V lasers on Si for Si photonics. Progress in Quantum Electronics. 2019;66: 1–18. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2019.05.002
2. Torkhov N. A., Babak L. I., Kokolov A. A. On the application of Schottky contacts in the microwave, extremely high frequency, and THz ranges. Semiconductors. 2019;53: 1688–1698. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063782619160280
3. Lutz J., Schlangenotto H., Scheuermann U., De Doncker R. Semiconductor power devices. Physics, characteristics, reliability. Springer-Verlag Berlin Heidelberg; 2018. 714 р. DOI:
   https://doi.org/10.1007/978-3-319-70917-8
4. Yadav S., Rajan C., Sharma D., Balotiya S. GaAs-SiGe based novel device structure of doping less tunnel FET. In: Sengupta A., Dasgupta S., Singh V., Sharma R., Kumar Vishvakarma S. (eds.) VLSI Design and Test. VDAT 2019. Communications in computer and information science, vol. 1066. Singapore: Springer; 2019. p. 694–701. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-32-9767-8_57
5. Klotzkin D. J. Semiconductors as laser materials 1: Fundamentals. In: Introduction to semiconductor lasers for optical communications. Springer, Cham; 2020. p. 31–52. DOI:
   https://doi.org/10.1007/978-3-030-24501-6_3
6. Paswan R. K., Panda D. K., Lenka T. R. Dielectric Modulated AlGaAs/GaAs HEMT for label free detection of biomolecules. In: Sharma R., Rawal D. (eds.) The physics of semiconductor devices. IWPSD 2017. Springer proceedings in physics, vol. 215. Springer, Cham; 2017. p. 709–715. DOI:
   https://doi.org/10.1007/978-3-319-97604-4_109
7. Eichler H. J., Eichler J., Lux O. Semiconductor lasers. In: Lasers. Springer Series in Optical Sciences, vol. 220. Springer, Cham; 2018. p. 165–203. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-99895-4_10
8. Mikhailova M. P., Moiseev K. D., Yakovlev Y. P. Discovery of III–V semiconductors: physical properties and application semiconductors. Semiconductors. 2019;53(3): 273–290. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063782619030126
9. Анфертьев В. А., Вакс В. Л., Реутов А. И., Баранов А. Н., Teissier R. Изучение частотных характеристик ТГц квантовых каскадных лазеров с использованием открытого оптического резонатора. Журнал радиоэлектроники. 2018;12: 14–24. DOI:
   https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.12.5
10. Pawar S. A., Kim D., Kim A., Park J. H., Shin J. C., Kim T. W., Kim H. J. Heterojunction solar cell based on n-MoS2/p-InP. Optical Materials. 2018;86: 576–581. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.10.052
11. Sugiyama H., Uchida K., Han X., Periyanayagam G. K., Aikawa M., Hayasaka N., Shimomura K. MOVPE grown GaInAsP/GaInAsP SCH-MQW laser diode on directly-bonded InP/Si substrate. Journal of Crystal Growth. 2019;507: 93–97. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2018.10.024
12. Sharma S. K., Singh S. P., Kim D. Y. Fabrication of the heterojunction diode from Y-doped ZnO thin fi lms on p-Si substrates by sol-gel method. Solid State Communications. 2018;270: 124–129. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ssc.2017.12.010
13. Asalzadeh S., Yasserian K. The effect of various annealing cooling rates on electrical and morphological properties of TiO2 thin fi lms. Semiconductors. 2019;53: 1603–1607. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063782619160036
14. Томина Е. В., Миттова И. Я., Сладкопевцев Б. В., Кострюков В. Ф., Самсонов А. А., Третьяков Н. Н. Термическое оксидирование как способ создания наноразмерных функциональных пленок на полупроводниках AIIIBV: хемостимулирующее воздействие оксидов металлов : обзор. Конденсированные среды и межфазные границы. 2018;20(2): 184–203. DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2018.20/522
15. Liu H. A short review on thermal vapor sulfurization of semiconductor thin fi lms for optoelectronic applications. Vacuum. 2018;154; 44–48. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.04.050
16. Миттова И. Я., Сладкопевцев Б. В., Томина Е. В., Самсонов А. А., Третьяков Н. Н., Пономаренко С. В. Синтез диэлектрических пленок термооксидированием MnO2/GaAs. Неорганические материалы. 2018;54(11): 1149–1156. DOI: https://doi.org/10.1134/S0002337X18110106
17. Housecroft C., Sharpe A. G. Inorganic chemistry (4th ed.). Издательство: Pearson; 2012. 1213 р.
18. Миттова И. Я., Томина Е. В., Лапенко А. А., термическом окислении GaAs с поверхностью, модифицированной ванадием. Неорганические материалы. 2004;40(5): 519–523.
19. Spicer W. E., Lindau I., Skeath P., Su C. Y., Chye P. Unifi ed mechanism for Schottky-barrier formation and III-V oxide inter-face states. Physical Review Letters. 1980;44: 420. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.44.420
20. Томина Е. В., Миттова И. Я., Бурцева Н. А., Сладкопевцев Б. В. Способ синтеза люминофора на основе ортованадата иттрия: Патент № 2548089 РФ. Заявл. 12.11.2013. Опубл. 20.05.2015. Бюл. №2013133382/05.
21. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. М.: Техносфера; 2004. 384 с.
22. Popielarski P., Mosinska L., Bala W., Paprocki K., Zorenko Yu., Zorenko T., Sypniewska M. Persistent photoconductivity in ZnO thin fi lms grown on Si substrate by spin coating method. Optical Materials. 2019;97: 109343. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.109343
23. Feng C., Zhang Y., Liu J., Qian Y., Bai X. Optimized chemical cleaning procedure for enhancing photoemission from GaAs photocathode. Materials Science in Semiconductor Processing. 2019;91: 41–46. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.11.003
24. Mittova I. Ya., Tomina E. V., Sladkopevtsev B. V., Tret’yakov N. N., Lapenko A. A., Shvets V. A. Highspeed determination of the thickness and spectral ellipsometry investigation of fi lms produced by the thermal oxidation of InP and VXOY/InP structures. Inorganic Materials. 2013;49(2): 179–184.
25. Костюхин Е. М. Синтез наночастиц магнетита в условиях микроволнового и конвекционного нагрева. Журнал физической химии. 2018;92(12): 1875–1878. DOI: https://doi.org/10.1134/S0044453718120233
26. Черепов В. В., Кропачев А. Н., Будин О. Н. Перспективы развития способов синтеза титанатов перовскитоподобной структуры и допирования их редкоземельными элементами. Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2018;6: 31–41. DOI:
    https://doi.org/10.17073/0021-3438-2018-6-31-41
27. Kuznetsova V. A., Almjasheva O. V., Gusarov V. V. Infl uence of microwave and ultrasonic treatment on the formation of CoFe2O4 under hydrothermal conditions. Glass Physics and Chemistry. 2009;35(2): 205–209. DOI: https://doi.org/10.1134/S1087659609020138
28. Третьяков Ю. Д. Развитие неорганической химии как фундаментальной основы создания новых поколений функциональных материалов. Успехи химии. 2004;73(9): 899–914.
29. Красненко Т. И., Самигуллина Р. Ф., Ротермель М. В., Николаенко И. В., Зайцева Н. А., Ищенко А. В., Онуфриева Т. А. Влияние способа синтеза на морфологические и люминесцентные характеристики a-Zn2V2O7. Журнал неорганической химии. 2017;62(3): 263–268. DOI: https://doi.org/10.7868/S0044457X17030114
30. JCPDC PCPDFWIN: A Windows Retrieval/Display program for Accessing the ICDD PDF – 2 Data base. International Centre for Diffraction Data; 1997. Хорохордина А. О. Твердофазные процессы при