Кристалізація низькотемпературного арсеніду галію для приладових структур терагерцового діапазону

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено розробленню, математичному моделюванню та експериментальній реалізації ефективної технології вирощування низькотемпературного арсеніду галію (НТ-GaAs) методом рідиннофазної епітаксії (НТ-РФЕ) з метою формування епітаксійних шарів із заданими електрофізичними характеристиками, оптимізованими для використання в приладових структурах терагерцового (ТГц) діапазону. У ході роботи вперше запропоновано метод кристалізації GaAs із динамічно контрольованою швидкістю охолодження перенасиченого розчину-розплаву, що дозволило створити умови глибокого пересичення і досягти підвищеної генерації точкових та комплексних дефектів у кристалі. Це забезпечило формування матеріалу з питомим опором понад 10⁶ Ом·см, субпікосекундним часом життя нерівноважних носіїв (<1 пс), стабільною прозорістю до 85 % у ТГц-діапазоні та відтворюваними профілями концентрацій носіїв заряду. Розроблено узагальнену математичну модель кристалізації НТ-GaAs, яка враховує параметри охолодження, температурний градієнт, ступінь переохолодження, геометрію ростового зазору та дифузію компонентів у розплаві. З використанням цієї моделі було обґрунтовано технологічні режими, що забезпечують формування дефектної структури з керованою глибиною іонізації центрів рекомбінації. Експериментально встановлено критичні концентрації легуючих домішок диспрозію (Dy) та алюмінію (Al), за яких досягається інверсія типу провідності (n→p) без додаткових етапів термообробки чи імплантації. The dissertation is devoted to the development, mathematical modeling, and experimental implementation of an efficient technology for the growth of lowtemperature gallium arsenide (LT-GaAs) by the method of low-temperature liquid-phase epitaxy (LT-LPE), aimed at forming epitaxial layers with predetermined electrophysical characteristics optimized for use in terahertz (THz) device structures. For the first time, a crystallization method for GaAs with dynamically controlled cooling of a supersaturated melt solution is proposed, which made it possible to create deep supersaturation conditions and achieve enhanced generation of point and complex defects in the crystal. This enabled the formation of material with a resistivity exceeding 10⁶ Ω·cm, subpicosecond carrier lifetime (<1 ps), stable THz-range transparency up to 85%, and reproducible charge carrier concentration profiles. A generalized mathematical model of LT-GaAs crystallization was developed, which accounts for cooling parameters, temperature gradient, degree of supersaturation, geometry of the growth gap, and diffusion of components in the melt. Based on this model, technological regimes were substantiated to ensure the formation of a defect structure with controlled ionization depth of recombination centers. Critical concentrations of dopants — dysprosium (Dy) and aluminum (Al) — were experimentally determined, at which a conductivity type inversion (n→p) occurs without additional thermal treatment or ion implantation steps.