GaAs asosidagi lazer materiallarining tuzilmaviy xossalarini o’rganish

Kalit so’zlar: Epitaksial, kvant nuqta, nanokristallit, valent soha, izovalent kirishma, nanoorol.

Jahonda bugungi kunda yetakchi ilmiy markazlarda olimlar va mutaxassislar nisbatan keng foydalanilayotgan yarimo’tkazgichli materiallarni yoki ular asosidagi ko’p qatlamli tuzilmalarni funktsional imkoniyatlarini kengaytirish yoki yangilarini ishlab chiqish muammolarini o’rganishga katta e’tibor qaratmoqdalar. Ko’p qatlamli yarimo’tkazgichli tuzilmalarni olish texnologiyalari va ularning qo’llanishi, fotosezgirlik sohasini boshqarish, bazaviy yarimo’tkazgich turi va olinish texnologiyasiga mos holda turli xil qatlamlar bo’linish chegaralaridagi fizik jarayonlar mexanizmlarini aniqlash ulkan muvoffaqiyatlarga ega bo’lmoqda va tadqiqotlarning kelgusi rivojida bunday izlanishlar katta ahamiyatga ega.

Yarimo’tkazgichli optoelektronika va nanotexnologiya, shuningdek, kvant o’lchamli ko’pqatlamli geterotuzilmalarning texnologiyalarini yaratish jadal rivojlanib bormoqda. Bunday texnologik jarayonlar zamonaviy epitaksiya (gaz fazali, molekulyar nurli, suyuq fazali va boshqalar) usullarini ishlab chiqishni, hamda nanoo’lchamli tuzilmalar yaratishni talab qilmoqda. Shuningdek, nanoob’ektli, ko’ptarkibli geterotuzilmalar olishning texnologik shart-sharoitlari, ularning fizik xususiyatlarini tadqiq qilish va mikroelektron va optoelektron mahsulotlar sanoatiga tadbiq qilish yarimo’tkazgichlar fizikasi va texnikasining zamonaviy bosqichining dolzarb muammosi hisoblanadi.

Sirtiy holatlarni eksperimental tekshirish uchun Ge_1-xGaAs_x qattiq qorishma asosidagi ZnSe KN li epitaksial qatlamlar tanlandi. Epitaksiyal qatlamlar palladiy bilan tozalangan vodorod atmosferasida (Sn−Ge−GaAs−ZnSe) aralashma eritmasidan suyuq fazali epitaksiya usuli yordamida, solishtirma qarshiligi 10 Om·sm va qalinligi 350 mkm n − tur o’tkazuvchanlikka ega bo’lgan GaAs tagliklariga o’stirildi. Epitaksial qatlamning kristallanish dastlabki harorati 730 ^oC, qorishmaning sovutish tezligi ~1 ^oC/minni tashkil etdi. O’stirilgangan qatlamlari qalinligi 10 mkm ega bo’lib, solishtirma qarshiligi 0,1 Om·sm, p-tur o’tkazuvchanlikka ega. Sirtiy tadqiqotlar sirtiy releflarni va sirt bo’ylab potentsiallarni taqsimlanishlarini tekshirishga imkon beruvchi „Solver-NEXT“ atom-kuch mikroskopi (AKM) yordamida amalga oshirildi.

(GaAs)_1-x-y(Ge₂)_x(ZnSe)_y epitaksial qatlamlarning sirtining relefi atom-kuch mikroskopi yordamida o’rganildi. 1-rasmda epitaksial qatlamning sirtining uch o’lchovli AKM tasviri ko’rsatilgan. Rasmdan sirt bo’ylab turli o’lchamdagi o’ziga xos nanoorolchalar hosil bo’lganini ko’rish mumkin. Olingan natijalarning tahlili nanoorolchalar asosining diametri 50÷90 nm, balanligi esa 3÷12 nm oralig’idagi qiymatlarni qabul qilishini ko’rsatadi. Yuqorida ta’kidlaginimizdek, turli yarimo’tkazgich materiallarining epitaksial qatlamini hosil qilish jarayonida ularning kristall panjarasi qiymatlarining mos bir-biriga kelmasligi kristall panjarada deformatsiya energiyasi yuzaga kelishi tufayli, o’z-o’zini shakllantiradigan uch o’lchamli nanoorollarni hosil bo’lishi uchun asosiy omil hisoblanadi [1]. Shuning uchun SiGe_1-xGaAs_x/ZnSe tizimlarining kristall panjara qiymatlari nomuvofiqligi, ya’ni 3,67% ga farqlanishi tufayli, ZnSe kvant nuqta sifatida hosil bo’lishi mumkin.

1-rasm. (GaAs)1-x-y(Ge2)x(ZnSe)y epitaksial qatlam sirtidagi kvant nuqtalar. (Atom kuchli mikroskop yordamida olingan). Balandligi 12-16 nm, asosining diametri 70-90nm, pardaning o’lchamlari 1x1 mikrometr.

Ushbu ishda biz (100) kristallografik orientatsiyali, mukammal kristall panjarali GaAs tagliklariga (GaAs)_1-x-y(Ge₂)_x(ZnSe)_y epitaksial qatlamlarni o’stirish imkoniyatlarini taqdim etganmiz. Epitaksial qatlamda (100) kristallografik orientatsiyali, kristall panjarasining qiymati a_ZnSe = 5.667 Å va 59 nm o’lchamli ZnSe nanokristallitlari, shuningdek, (100) kristallografik orienttsiyali, kristall panjarasining qiymati a_Ge = 5.67 Å va 44 nm o’lchamli yo’nalishlari Ge nanokristallitlari borligi aniqlangan. Bundan tashqari epitaksial qatlam ichida ZnSe nanokristalliti kristall panjarasining qiymati asosiy yarimo’tkazgich kristall panjarasining qiymatidan 0,22% ga ortiqligi epitaksial qatlamning kristall panjarasida turli mayda deformatsiyalarni yuzaga keltiradi. Yuqoridagi bo’limda keltirilgan rentgenografik tahlil natijalari hamda AKM tadqiqotlari natijalari yordamida olingan nanoorolchalarining (kvant nuqtalari) o’lchamlari juda ham yaqin hamda bu ikki tadqiqot natijalari bir-birlarini qanoatlantiradi [2]. Ushbu ma’lumotlar asosida, shuningdek, o’rganilayotgan epitaksial qatlam sirtida hosil bo’layotgan nanoorolchalarni ZnSe kvant nuqtalari tufayli paydo bo’ladi degan xulosani qabul qilish mumkin.

Tadqiq etilayotgan tuzilmaning fotosezgirligi spektrining 2,4 dan 3 eV gacha bo’lgan foton energiyasi oralig’ida keng sohali ZnSe tashkil etuvchi tufayli 2,68 eV li cho’qqi kuzatilgan. Ma’lumki, sof yarimo’tkazgichli ZnSe materialining ta’qiqlangan sohasi kengligi E_g,ZnSe = 2,7 eV ni tashkil etadi va uning kovalant va qisman ionli bog’lanishi Zn-Se, Ga-As va Ge-Ge bog’larga nisbatan mustahkamroq bo’ladi. Ammo, ZnSe molekulasi GaAs yoki Ge₂ molekulalari bilan qattiq qorishmaning tetraedrik kristall panjarasida o’zaro o’rin almashinib joylashganida Zn-Se ning bog’ining mustahkamligi Ga, As va Ge atomlarining ta’siri ostida zaiflashadi [1]. Shuningdek, 2,68 eV li cho’qqini kuzatilishi (GaAs)_1-x-y(Ge₂)_x(ZnSe)_yqattiq qorishmaning valent sohasi shiftidan E_i = Ye_ph-E_{g q.q.} pastda joylashgan ZnSe nanokristallining ta’sirida hosil bo’lgan energetik sath tufayli bo’lishi mumkin. ZnSe to’g’ri sohali yarimo’tkazgich va qattiq qorishmadagi molekulalarining molyar hissasi ~ 10²⁰ sm^-3 bo’lgani uchun E_ph> 2.4 eV foton energiyalarida fotovol’taik ta’sirga ega Zn-Se bog’lanishining faol ishtirokini qo’shimcha ravishda tasdiqlaydi. Bundan tashqari, ZnSe nanokristali (GaAs)_1-x(Ge₂)_xqattiq qorishmasining kristall panjarasining sirtida va nuqson hosil bo’lishiga moyil sohalarda SiGe va GaAs birikmalari atomlar aro bog’lanadi hamda kremniyni taqiqlangan energiya sohasida bir qator sathlar hosil qiladi. Lekin ZnSe va uning kirishmaviy birikmalari ta’qiqlangan sohalari kengligi kremniyning ta’qiqlangan sohasi kengligidan katta bo’lgani uchun ularning energetik sathlari kremniyning valent sohasida joylashib, ular valent soha izovalent kirishmalari hisoblanadi.

Shuningdek, (GaAs)_1-x-y(Ge₂)_x(ZnSe)_y qattiq qorishmlarining 4 K haroratdagi fotolyuminestsentsiya spektri o’rganildi. 2-rasmda GaAs)_1-x-y(Ge₂)_x(ZnSe)_y epitaksial qatlamining fotolyuminestsentsiya spektri taqdim etilgan. Fotolyuminestsentsiya galayontirishlari to’lqin uzunligi ( _l=325 nm)lazer nurlanishlari suyuq geliy harorati o’tkazildi, signallar SDL-2 qurilmasida qayd yilib olindi. 2-rasmda GaAs)_1-x-y(Ge₂)_x(ZnSe)_y epitaksial qatlamining fotolyuminestsentsiya spektri _max = 457 nm maksimumga ega bo’lgan to’liq ko’zga ko’rinuvchi nurlanishlar sohasini qamrab oluvchi keng cho’qqi kuzatilgan. Yuqori qiymatdagi cho’qqi ZnSe kristallining man etilgan sohasiga to’g’ri keladi yani 2.7 eV. Fotolyuminestsentsiya spektrining uchtidv bunday ZnSe cho’qqisini kuzatilishi ionlanish energiyasi 2.7 eV bo’lgan energetik sath GaAs asosiy yarimo’tkazgich valent sohasi shifti yaqinida E_i = E_g,ZnSe – E_g,GaAs = 1.26 eV joylashgan bilan ta’sirlashayotganidan dalolat beradi

Shuningdek 3.82 eV lazer nurlanishlari  1 mkm epitaksial qatlam sirti bo’ylab, ya’ni epitaksial plenkaning aynan shu sohalarda to’laligicha yutilishi nomoyon bo’ldi. Lekin 1.5 mkmgacha plenkadagi ZnSe molekulyar taqsimlanishi 1214 % etadi [2]. Shuningdek, (GaAs)_1-x-y(Ge₂)_x(ZnSe)_y qattiq qorishmadagi ZnSe molekulalarining bunday taqsimlanishi, GaAs valent sohadagi joylashgan o’zining izovalent kirishma sathni namoyon etadi.

1-rasm. 4K haroratdagi o’rganilayotgan qattiq qorishmaning fotolyuminestsentsiya spektri.

Shunday qilib, ZnSe kvant nuqta geometrik o’lchamlari qiymatlarini va n-GaAs–p-(GaAs)_1-x-y(Ge₂)_x(ZnSe) geterotuzilmasini mukammaligini boshqarish orqali GaAs hamda uning qattiq qorishmalari asosida nurlanish spektrining ko’rinuvchi va infraqizil sohalarida ishlovchi yorug’lik qabulqilgich uchun samarali, qulay va arzon fotofaol material hamda lazer materiallari sifatida foydalanish mumkin.

Foydalanilgan adabiyotlar ro’yxati:

1. 
   A.S. Saidov, S.Z. Zainabidinov, Sh.Kh. Yulchiev, A.Y. Boboev, D.P. Abdurakhimov. Growth and investigation of the (GaAs)_1–x–у(Gе₂)_x(ZnSe)_y.
   
2. 
   Zainabidinov S.Z., Saidov A.S., Kalanov M.V. and Boboev A. Y. Synthesis, structure and electro-physical properties n-GaAs-p-(GaAs)_{1 – x – y}(Ge₂)_x(ZnSe)_y heterostructures. // Applied Solar Energy. –2019. –Vol. 55(5). –P.