vestnik Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation 1729-5459 Кубанский государственный университет RU 862 10.31429/vestnik-16-1-83-87 Научная статья Original article Физика Physics Напряженно-деформируемое состояние гетероструктуры In1-xGaxAs/GaAs Stress-strain state of the heterostructure In1-xGaxAs/GaAs Лунин Л.С. Лунин Леонид Сергеевич Lunin Leonid S. lunin_ls@mail.ru

д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией нанотехнологий и солнечной энергетики Южного научного центра РАН

 Нефёдов В.В. Нефёдов Виктор Викторович Nefedov Viktor V. nvvnpi@gmail.com

канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры "Общеинженерные дисциплины" Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ)

 Южный научный центр РАН, Ростов-на-ДонуSouthern Scientific Center, Russian Academy of Science, Rostov-on-Don Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ), НовочеркасскPlatov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk 30 03 2019 16 1 83 87 26 11 2018 16 01 2019 30 03 2019 Copyright (c) 2019 Лунин Л.С., Нефёдов В.В. 2019 Лунин Л.С., Нефёдов В.В. Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

There are no models in use that would take into account the influence of internal deformations in strained structures on the key parameters of heterojunctions depending on the concentration of layer's components and thickness. The aim of the present paper is to determine the dependence of elastic strains and deformations and define changes in zone diagram of In1-xGaxAs/GaA structure depending of the concentration of components and thicknesses of layer and substrate. The paper features calculation of strains in In1-xGaxAs/GaA heterostructure at different correlations between the thicknesses of contacting semiconductors. The calculated values of conduction band edge shift and valence-band splitting in substrate and layer allow the authors to define the dependence between the alteration of band gap width in presence of deformation produced by the change of the thicknesses of layer and substrate and concentration of components.

The authors arrive at the definition, according to which the stress-strained state of In1-xGaxAs/GaA heterojunction leads to remarkable changes in its energy band structure. The paper includes equation of the dependence of main parameters of the energy band zone diagram of heterojunction on concentrations of components and proportion of thicknesses. The selection of correlations between substrate and layer thicknesses gives possibilities for a forecast and, further, management of parameters of the zone diagram and, consequently, of electronic properties of In1-xGaxAs/GaA heterojunctions. As a result of the research, the calculation formula of band gap width changes can be seen as a basis for analysis of changes being subject to alterations in concentration of components and correlation between layer and substrate thicknesses in elastically strained heterostructure.

Целью данной работы является установление зависимости упругих напряжений и деформаций, а также определение изменения зонной диаграммы структуры In1-xGaxAs/GaA в зависимости от концентрации компонентов и толщин слоя и подложки. В зависимости от отношения толщин контактирующих полупроводников рассчитаны напряжения в гетероструктуре In1-xGaxAs/GaA. Рассчитанные величины смещения краев зоны проводимости и расщепления валентной зоны подложки и слоя позволяют определить зависимость изменения ширины запрещенной зоны при наличии деформации от соотношения толщин слоя и подложки и концентрации компонент. Определено, что напряженно-деформированное состояние гетероперехода In1-xGaxAs/GaA заметно влияет на характеристики в энергетической зонной структуре. Построено уравнение зависимости основных параметров энергетической зонной диаграммы гетероперехода от концентраций компонентов и соотношения толщин. Подбор соотношений толщин подложки и слоя позволяет прогнозировать, а затем и управлять параметрами зонной диаграммы, следовательно, электронными свойствами гетеропереходов In1-xGaxAs/GaA. Выведенная в работе формула для расчета изменения ширины запрещенной зоны позволяет проанализировать это изменение в зависимости от концентрации компонентов и соотношения толщин слоя и подложки упругонапряженной гетероструктуры.

 напряжения деформация напряженная гетероструктура арсенид галлия арсенид индия галлия stresses deformation strained heterostructure gallium arsenide gallium indium arsenide Публикация подготовлена в рамках реализации ГЗ ЮНЦ РАН на 2019 г. (проект 01201354240). Чеботарев С.Н., Лунина М.Л., Алфимова Д.Л., Еримеев Г.А., Гончарова Л.М., Мохамед А.А.А. Индуцированные механические напряжения и электрические поля в наногетероструктурах с квантовыми нитями // Наука Юга России. 2017. Т. 13. № 3. С. 18–26. . Nauka Juga Rossii , 2017, vol. 13, no. 3, pp. 18–26. (In Russian)] Курило И.В., Губа С.К. Дислокации несоответствия и напряжения в гетероструктурах In1-xGaxAs/GaAs // Неорганические материалы. 2011. Т. 47. № 8. С. 911–915. . Neorganicheskie materialy , 2011, vol. 47, iss. 8, pp. 911–915. (In Russian)] Kazuo Nakajima. Calculation of compositional dependence of stresses in GaInAs/GaAs strained multilayer heterostructures // J. of Crystal Grouth. 1993. Vol. 126. P. 511–524. Полякова А.Л. Деформация полупроводников и полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1979. 168 c. . Energija, Moscow, 1979. (In Russian)] Бир Г.А., Пикус Г.Е. Теории деформационного потенциала для полупроводников со сложной зонной структурой // ФТТ. 1960. Т. 2, № 9. С. 2237–2301. . FTT , 1960, vol. 2, no. 9, pp. 2237–2301.(In Russian)] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VII. Теория упругости. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 264 с. . Vol. VII, Fizmatlit, Moscow, 2007. (In Russian)] Филиппов В.В., Власов А.Н., Бормонтов Е.Н. Моделирование деформаций и зонной диаграммы гетероструктуры кремний-германий // Конденсированные среды и межфазные границы. 2010. Т. 12. № 3. С. 282–287. . Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granicy , 2010, vol. 12, no. 3, pp. 282–287.] Безухов Н.И. Теория упругости и пластичности. М.: ГИТТЛ, 1953. 420 с. . GITTL, Moscow, 1953.] Yu P.Y., Cardona M. Fundamentals of Semiconductors: physics and materials properties. Berlin: Springer, 2010. 775 p. Manel Souaf, Mourad Baira, Olfa Nasr, Mohamed Helmi Hadj Alouane, Hassen Maaref, Larbi Sfaxi and Bouraoui Ilahi Investigation of the InAs/GaAs Quantum Dots' Size: Dependence on the Strain Reducing Layer's Position // Materials. 2015. Vol. 8. P. 4699–4709. Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys // Journal of Applied Physics. 2001. Vol. 89, P. 5815. Новиков Б.В., Зегря Г.Г., Пелещак Р.М., Данькив О.О., Гайсин В.А., Талалаев В.Г., Штром И.В. Барические свойства квантовых точек InAS // Физика и техника полупроводников. 2008. Т. 42. Вып. 9. С. 1094–1101. . Fizika i tehnika poluprovodnikov , 2008, vol. 42, iss. 9, pp. 1094–1101. (In Russian)]