Введение к работе
Актуальность темы, В ряду полупроводниковых соединений А В' одно из наиболее значимых мест занимают антимокиды галлия и индия. Благодаря ряду свойств эти бинарные полупроводники являются перспективными для использования в приборах микро- и оптоэлектроники. Их свойства дополняют, а в ряде случаев и превосходят широко используемые в настоящее время элементарные полупроводники - германий и кремний.
Однако необходимо перечислить ряд причин, ограничивающих в настоящее время применение антимонидов индия и галлия в микро- и оптоэлектронике. Отметим трудности получения совершенных монокристаллов и их дороговизну; восприимчивость поверхности к воздействиям различных химических веществ, а также хрупкость материалов.
Технология приборов на основе рассматриваемых соединений включает, как правило, высокотемпературные операции (эпитаксиальное наращивание пленок, диффузию примесей и т.д.), в течение которых возможно неконтролируемое испарение летучего компонента - сурьмы. В связи с этим возникают задачи теоретического обоснования параметров технологических операций, связанных с термическим воздействием на антимониды галлия и индия.
Исследование механизмов процессов испарения сурьмы из соединений Ga-Sb и In-Sb позволяет получить новые, важные сведения о системе «раствор сурьмы в расплавах галлия (индия) - паровая фаза», а именно: о лимитирующей стадии процесса испарения; о влиянии атомов сурьмы на кинетику испарения; о процессах, протекающих на поверхности испарения и в объеме раствора - расплава. Эта информация позволяет в итоге оптимизировать процессы технологических операций при получении приборных структур на основе антимонидов галлия и индия.
Наибольший интерес представляют исследования кинетики испарения и поглощения пара летучего вещества (сурьмы) растворами - расплавами галлия и индия. Обобщение этих закономерностей дает информацию о физических процессах, протекающих на межфазной границе соединений А3В5 (Ga-Sb, In-Sb), использование которой позволяет скорректировать технологические режимы при испарении сурьмы в газовую фазу в разнообразных процессах по получению данных материалов и изготовлению приборов на их основе.
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
(1.28. «Полупроводники и полупроводниковые структуры») фундаментальных исследований Российской Академии наук.
Таким образом, с учетом вышесказанного, можно считать тему диссертации, которая посвящена исследованию механизмов испарения и поглощения сурьмы индиевыми и галлиевыми растворами - расплавами, безусловно актуальной.
Цель и задачи исследования.
-
Измерить некоторые термодинамические и кинетические параметры бинарных систем Ga-Sb и In-Sb.
-
Вычислить коэффициент Генри атомов сурьмы в системах Ga-Sb , In-Sb.
3. Установить закономерности испарения сурьмы из растворов -
расплавов Ga-Sb и In-Sb.
-
Исследовать активность сурьмы в расплавах элементов III группы.
-
На основе полученных экспериментальных результатов разработать новые модельные представления о физических явлениях, протекающих на межфазной границе пар - раствор.
Для достижения поставленных целей в диссертации были решены следующие задачи.
-
Измерены парциальные давления пара сурьмы над расплавами чистой сурьмы.
-
Исследована температурная зависимость коэффициента Генри для систем In-Sb и Ga-Sb.
-
Измерена активность сурьмы в растворах - расплавах галлия и индия.
-
Исследована температурная зависимость плотности потока сурьмы, испаряющейся из растворов - расплавов Ga-Sb , In-Sb в вакуум в широкой области концентраций.
-
Разработаны кинетические модели испарения и поглощения пара сурьмы индиевыми и галлиевыми расплавами.
-
Исследован механизм процесса испарения пара сурьмы из растворов - расплавов In-Sb и Ga-Sb в вакуум.
Научная новизна. В работе впервые получены следующие результаты.
1. Исследована активность сурьмы в растворах - расплавах галлий -сурьма и индий - сурьма.
2.Установлена температурная зависимость плотности потока испаряющейся сурьмы от состава раствора - расплава.
3. Измерены парциальные давления пара сурьмы над расплавами
чистой сурьмы и над растворами - расплавами Ga-Sb и In-Sb.
4. Измерена температурная зависимость коэффициента Генри бинарных
систем Ga-Sb и In-Sb.
5. Разработаны модельные представления о механизме испарения
атомов и молекул сурьмы из растворов - расплавов Ga-Sb , In-Sb.
6. Исследована кинетика поглощения пара сурьмы галлиевыми и индиевыми расплавами в атмосфере водорода.
Практическое значение результатов диссертации определяется тем, что изучение механизмов испарения и поглощения пара сурьмы расплавами галлия и индия дает возможность не только получить новую важную информацию о явлениях, протекающих на межфазной границе раствор -вакуум и тем самым глубже понять природу конденсированной фазы, но и оптимизировать технологический процесс утилизации отходов полупроводникового производства путем извлечения дорогостоящих металлов (галлия и индия) в процессе вакуумного испарения растворов.
Разработанная в диссертации кинетическая модель процесса испарения молекул сурьмы из растворов - расплавов позволяет прогнозировать ход ряда технологических процессов, связанных с синтезом и выращиванием монокристаллов антимонндов галлия и индия, а также с наращиванием эпитаксиальных пленок указанных бинарных соединений для изготовления приборов оптоэлектроники. Полученные в диссертации энергетические характеристики процесса испарения составляют физико- химическую базу для разработки новых технологических процессов создания полупроводниковых эпитаксиальных слоев и приборов на их основе.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Температурная зависимость плотности потока испаряющейся сурьмы подчиняется аррениусовской зависимости (с энергией активации в паровой фазе ~250 кДж/моль ) от состава раствора - расплава.
-
Активность сурьмы в растворах - расплавах Ga-Sb и In-Sb имеет отрицательное отклонение от закона Рауля при концентрации сурьмы в расплавах менее 0.7 ат.доли, при большой концентрации - положительное. В целом исследуемые системы имеют тенденцию к уменьшению активности с ростом температуры.
-
Температурная зависимость коэффициента Генри для бинарных систем Ga-Sb и In-Sb показывает, что при Т-1200К изменение энтальпии линейно уменьшается с увеличением порядкового номера элемента пятой группы периодической таблицы.
-
Механизм поглощения пара сурьмы расплавами галлия и индия в атмосфере водорода и разработанные на этой основе кинетические модели испарения и поглощения сурьмы расплавами металлов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: Всесоюзном семинаре «Физико-химические свойства многокомпонентных полупроводниковых систем. Эксперимент и моделирование». (Одесса, 1990 ); V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга, 1990 ), а также на ежегодных конференциях ВГТУ и научных семинарах кафедры физики твердого тела.
4 .
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей и тезисов докладов. Во всех работах, выполненных с соавторами, автору принадлежит проведение экспериментов, анализ и обсуждение результатов.
Структура и объем публикации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 63 наименований. Основная часть работы изложена на 101 странице, содержит 26 рисунков и 4 таблицы.
