Диффузия на гетерогранице GaN/AlN: исследование методом EXAFS и расчет методом теории функционала плотности / Александров И.А., Малин Т.В., Вдовин В.И., Журавлев К.С., Pecz B., Эренбург С.Б., Трубина С.В., Лебедок Е.В.

Множественные квантовые ямы (МКЯ) GaN/AlN перспективны для применения в качествебазовых материалов для светоизлучающих устройств, работающих в ультрафиолетовой спектральнойобласти, высокоскоростных инфракрасных оптических модуляторов и инфракрасныхфотоприемников на внутризонных переходах. В данной работе экспериментально и теоретическиисследована взаимная диффузия между GaN и AlN в МКЯ GaN/AlN. Проведены расчетымиграционных барьеров и энергий формирования для вакансий алюминия в AlN и вакансий галлия вGaN. Расчеты энергий формирования и миграционных барьеров проводились с использованиемтеории функционала плотности в пакете программ Quantum Espresso [1]. Расчеты миграционныхбарьеров проводились методом упругой ленты с забирающимся изображением [2] в приближенииобобщенного градиента с функционалом Пердью-Бурке-Эрнзерхофа (PBE) [3]. Энергииформирования вакансий рассчитывались с использованием гибридного функционала HSE [4].Расчеты проводились в 96-атомной сверхъячейке, интегрирование по зоне Бриллюэнаосуществлялось с помощью разбиения 2×2×2 согласно схеме Монкхорста-Пака. Энергиимиграционных барьеров, согласно расчетам, составляют 2.05 эВ для вакансии Ga(3-) в GaN, и 2.33 эВдля вакансии Al(3-) в AlN. Миграционные барьеры для диффузии атомов Ga в AlN и Al в GaN привакансионном механизме диффузии составляют 1.74 эВ и 2.47 эВ, соответственно. Проведенатеоретическая оценка абсолютных значений и температурной зависимости коэффициента взаимнойдиффузии между GaN и AlN. Атомная структура гетерограниц GaN/AlN и влияние условий роста настепень перемешивания материалов на гетерограницах в квантовых ямах GaN/AlN исследованыэкспериментально методами протяженной тонкой структуры рентгеновского поглощения (EXAFS),просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции. Структуры с МКЯ GaN/AlNбыли выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на (0001) сапфировых подложках сбуферным слоем AlN толщиной около 200 нм. Структуры содержат по 30 слоев GaN, покрытыхслоями AlN. Толщины слоев GaN и AlN составляли около 3 монослоев. По данным EXAFSувеличение температуры роста от 795 до 895°С приводит к уменьшению координационного числаGa-Ga во второй координационной сфере атома Ga от 8.9 до 8.0 и, соответственно, увеличениюкоординационного числа Ga-Al от 3.1 до 4.0. Для исследования перемешивания гетерограниц серияобразцов с различной температурой роста была подвергнута высокотемпературному отжигу втечение 1 часа при 1000°С, после чего на отожженных образцах снова были измерены спектрыEXAFS. После отжига при 1000°С координационное число Ga-Ga уменьшается от 8.9 до 8.3 длятемпературы роста 795°C и от 8.0 до 7.7 для температуры роста 895°С. Коэффициент взаимнойдиффузии между GaN и AlN составляет 1·10-20 см2/с при 1000°С, что соответствует теоретическимоценкам при вакансионном механизме диффузии.