Введение к работе
Актуальность темы. Фосфиды соединений АЗВ5 всегда привлекали внимание исследователей своими уникальными свойствами. Во всех монографиях и обзорах, посвященных полупроводникам вообще и соединениям АЗВ5 в частности им уделяется большое внимание. Фосфиды галлия и индия обладают по сравнению с такими полупроводниками, как германий и кремний рядом свойств обеспечивающих им более широкое применение в технике. Это прежде всего сравнительно большая ширина запрещенной зоны, благодаря чему приборы, изготовленные на основе этих соединений, сохраняют свою работоспособность до 300-700 С. Широкая запрещенная зона определяет также возможность работы приборов в видимой области спектра.
Другая специфическая особенность этих соединений - малые времена жизни неосновных носителей тока 10' -10" с и большая вероятность излучательной рекомбинации. Именно эти свойства соединений АЗВ5 определили совершенно новую область применения полупроводников -квантовые генераторы (ПКГ) и люминесцентные диоды. Малые времена жизни неосновных носителей обеспечивают также безынерционность работы приборов на основе соединений АЗВ5.
Длина волны излучения ПКГ из фосфида индия лежит в области 9060-9080 А, т.е. практически там же, где и для ПКГ из арсенида галлия. Однако лазеры на основе фосфида индия имеют ряд преимуществ: острота направленности когерентного излучения в два-три раза лучше, чем типичное значение для ПКГ из арсенида галлия, кроме того значительно меньше коэффициент потерь. Оіносительная простота регулирования концентрации электрически и оптически активных примесей, особенно при уровнях легирования ниже тех, при которых возникают примесные зоны, дает фосфиду галлия неоспоримое преимущество как материалу, пригодному для глубоких исследований оптических эффектов. Фосфид галлия обладает почти идеальным набором свойств (как собственных, так и обусловленных примесями) для использования его в светодиодах с различным цветом излучения.
С точки зрения требований к качеству материалов светодиод - в принципе более прецизионный прибор, чем диод или транзистор. Наибольший эффект при изготовлении полупроводниковых приборов, выполненных на основе соединений АЗВ5, дает применение жидкостной эпитаксии. Метод жидкостной эпитаксии позволяет получать эпитаксиальные слои любой толщины - от долей микрона до нескольких сот микрон, осуществлять легирование эпитаксиального слоя с заданным распределением концентрации легирующей примеси по толщине слоя. В методе жидкостной эпитаксии кристаллизация монокристаллических слоев
полупроводниковых материалов осуществляется из растворов-расплавов полупроводника в легкоплавком металле-растворителе. В общем случае процесс жидкостной эпитаксии осуществляется в системе, где имеются газообразная, жидкая и твердая фазы. Точное определение количественных соотношений между температурой, давлением и концентрациями компонентов в жидкой и твердых фазах имеет решающее значение для управления свойствами кристаллизуемых эпитаксиальных слоев.
Таким образом, исследование кинетики испарения летучего компонента из растворов индия и галлия необходимо для создания прецизионных источников пара двухатомных молекул элемента пятой группы при использовании их в молекулярно-лучевой эпитаксии с целью получения тонких и сверхтонких слоев с малой концентрацией дефектов, с заданным химическим составом и концентрацией примесей.
Состав молекулярного пучка при термическом разложении соединений АЗВ5 подробно исследован масс—спектрометрическим методом. Температурная зависимость плотности потока испаряющихся компонентов бинарных соединений АЗВ5 исследована менее подробно, хотя именно эта зависимость позволяет определить важные энергетические характеристики процессов, протекающих на межфазной поверхности во время испарения.
При исследовании процесса испарения вещества в вакуум можно выделить два предельных случая. Первый случай подразумевает истечение пара через малое отверстие, в вакуум из ограниченного объема пространства, содержащего насыщенный пар, находящийся в равновесии с конденсированной фазой. Эти условия называются условиями Кнудсена. Во втором случае испарение летучего компонента из конденсированной фазы происходит с открытой поверхности в вакуум. Эти условия называются условиями Ленгмюра. С физической точки зрения эта ситуация более простая. Следовательно, исследование ленгмюровского испарения дает более точную и полную информацию о процессах, протекающих на межфазной поверхности, о лимитирующей стадии процесса испарения летучего компонента из раствора-расплава, о влиянии ассоциации летучего компонента на кинетику испарения и т.д.
Цель работы: установить закономерности процесса ленгмюровского испарения фосфора из насыщенных и ненасыщенных растворов в расплавах галлия и индия.
В соответствии с целью в работе были поставлены следующие задачи:
исследовать процесс инконгруэнтного испарения фосфора из насыщенных и ненасыщенных растворов в расплавах галлия и индия;
определить энергию активации процесса ленгмюровского испарения димеров фосфора из галлиевых и индиевых растворов;
разработать новые модельные представления о физических явлениях, протекающих на межфазной поверхности раствор - вакуум при свободном испарении.
Научная новизна. В работе впервые получены следующие результаты:
- разработана новая макроскопическая модель процесса ленгмюровского
испарения димеров фосфора из насыщенных растворов—расплавов галлия и
индия, основанная на уравнении диффузии;
измерена энергия активации процесса ленгмюровского испарения димеров фосфора из расплавов галлия и индия;
скорость испарения димеров фосфора из галлиевых и индиевых растворов-расплавов лимитируется скоростью образования димеров фосфора на межфазной поверхности и последующей десорбцией их в вакуум.
Практическое значение. Полученные результаты по изучению
процесса ленгмюровского испарения компонентов растворов фосфора в
расплавах галлия и индия дают возможность не только получить новую
важную информацию о явлениях, протекающих на межфазной поверхности
раствор-вакуум, и тем самым глубже понять природу жидкого состояния,
но и оптимизировать технологический процесс утилизации отходов
полупроводниковой промышленности путем извлечения редких металлов
(галлия и индия) в процессе вакуумного испарения растворов.
Разработанная в диссертации модель процесса димеров фосфора из
растворов-расплавов позволяет прогнозировать течение ряда
технологических процессов, связанных с контролируемым и неконтролируемым испарением компонентов раствора-расплава фосфида, а также с наращиванием тонких пленок указанных бинарных соединений для изготовления полупроводниковых приборов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Разработанны модели процесса испарения димеров фосфора из
растворов-расплавов галлия и индия.
-
Экспериментально измеренная скорость испарения димеров фосфора из галлиевых и индиевых растворов-расплавов лимитируется скоростью образования димеров фосфора на межфазной поверхности и последующей их десорбцией в вакууме.
-
При испарении фосфора из растворов-расплавов галлия, многостадийный процесс, включающий переход атомов фосфора из объема на поверхность раствора-расплава, образование на этой поверхности одного моля димеров фосфора и, наконец, десорбцию моля димеров вакуум, протекает с выделением энергии.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены: на Московской конференции "Ленинские горы 95"
(Москва, 1995) ; X Конференции по химии высокочистых веществ (Нижний-Новгород, 1995) ; II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1995) ; межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-97" (Москва, 1997) ; III Международной конференции "Электромеханика и электротехнология" (Клязьма, 1998) ; XXXIX научно-технической конференции (Воронеж, 1999).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ в виде статей и тезисов докладов.
Цель исследования была поставлена научным руководителем профессором Ю.П. Хухрянским. Во всех работах, выполненных в соавторстве, автором самостоятельно проведены эксперименты и принято участие в написании статей. Д.В. Рязанов принимал участие в интерпретации АЕ по фосфиду галлия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 95- страниц текста, включая 9 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 77 наименований.
Настоящая работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного технического университета по плану госбюджетной НИР 96.23 "Синтез, структура и свойства перспективных материалов электроники и вычислительной техники" в соответствии с приоритетным направлением фундаментальных исследований Российской АН № 1.2.8. - полупроводники и их структуры.
