Введение к работе
Актуальность темы. Развитие электронной техники в настоящее время связано с разработкой эффективных технологий получения совершенных полупроводниковых материалов и приборов на их основе, а также способов изменения их оптических и электрофизических свойств.
В оптоэлектронике заметную роль играют многокомпонентные твердые растворы (МТР) на основе соединений A3BS [1]. Использование прямозонных полупроводников на основе антимонида индия InSb позволяет значительно повысить чувствительность и быстродействие фотоприемников. Гетероструктуры InAsSb, InAsSbBi, изопериодные с подложкой InSb, привлекают все большее внимание в качестве оптоэлектронных устройств дальней ИК области спектра ( X > 8 мкм)[2]. Однако при их практической реализации не решается проблема одновременного согласования параметров решетки слоя и подложки (я) и коэффициента термического расширения (КТР). Наличие пяти компонентов в растворе позволяет управлять тремя параметрами полупроводникового кристалла: энергией запрещенной зоны (Eg), параметром решетки и КТР. С этой точки зрения интерес представляют пятикомпонентные твердые растворы (ПТР) InGaAsSbBi/InSb, на основе которых можно получать более совершенные гетероструктуры с минимальным количеством дефектов на гетерогранице, что делает их наиболее перспективными материалами и позволяет существенно улучшить электрофизические свойства приборов на их основе. К началу настоящей работы в литературе имелась ограниченная информация по исследованию и реализации гетероструктур InAsSbBi/InSb, полученных методами жидкофазной эпитаксии. Сообщений о получении МТР InGaAsSb, InAsSbBi и InGaAsSbBi, изопериодных антимониду индия, методом зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ) не было. Метод ЗПГТ характеризуется малым пересыщением на фронте кристаллизации, высокой изотермичностью и низкими значениями концентрационного переохлаждения, что позволяет выращивать совершенные эпитаксиальные слои, как варизонные, так и однородные по составу[3]. Поэтому тема диссертационной работы является актуальной с научно-исследовательской и с практической точек зрения.
Цель работы. Целью работы является исследование многокомпонентных гетероструктур на основе антимонида индия, полученных из жидкой фазы в поле температурного градиента для улучшения параметров и характеристик оптоэлектронных приборов. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
анализ фазовых равновесий многокомпонентных гетеросистем с учетом неравновесных явлений на фронте кристаллизации;
исследование атомно-молекулярных процессов кристаллизации многокомпонентных полупроводников на основеInSb;
- выбор и разработка технологии выращивания гетероструктур на подложках
антимонида индия;
экспериментальные исследования кинетики роста эпитаксиальных слоев (ЭС);
анализ распределения компонентов в многокомпонентных твердых растворах;
исследование возможностей получения варизонных и однородных по составу слоев методом ЗПГТ;
исследование структурного совершенства полученных гетероструктур;
- экспериментальное исследование фотошоминесцентных свойств многокомпонентных
полупроводников, изопериодных InSb.
Научная новизна работы,
- Проведен термодинамический расчет физико-химических равновесий в исследуемых
гетеросистемах, позволяющий определить изопериодные составы существующих жидкой
и твердой фаз.
- Впервые исследован метод ЗПГТ применительно к четырех- и пятикомпонентным
твердым растворам InGaAsSbAnSb, InAsSbBi/InSb и InGaAsSbBi/InSb.
- Теоретически и экспериментально исследованы закономерности роста ЭС
пятикомпонептных твердых растворов InGaAsSbBi. Определено влияние состава
подложки-источника, величины градиента температуры, толщины жидкой зоны на
процесс кристаллизации исследуемых полупроводниковых слоев.
Проанализированы процессы зарождения многокомпонентных ЭС на основе InSb, определена функция распределения индукционного периода многокомпонентных твердых растворов, проведено сравнение расчетных и экспериментальных результатов по структуре и морфологии поверхности слоев.
Разработана термодинамическая модель ЗПГТ многокомпонентных антимонидов с учетом диффузионного и конвективного массопереноса, позволяющая описывать взаимодействие фаз и определять температурно-временное поле процесса.
Основные положения, выносимые на зашиту:
1. Разработанная термодинамическая модель описания фазовых равновесий на основе
метода парной аппроксимации регулярных растворов для твердой и частично
ассоциированных растворов для жидкой фазы дает возможность определять состав
исходных материалов для получения многокомпонентных твердых растворов с
заданными свойствами.
2. Разработанный способ перекристаллизации твердого источника в поле температурного
градиента позволяет получать ПТР InGaAsSbBi, изопериодные InSb, с требуемым
распределением компонентов и высоким кристаллическим совершенством.
-
Предложенная модель механизма зародышеобразования описывает начальные стадии роста многокомпонентных кристаллов. Индукционный период (время пребывания раствора-расплава в метастабилыгом состоянии) исследуемых систем зависит от состава жидкой фазы, величины переохлаждения ДТ и температурного градиента.
-
Скорость роста ЭС InGaAsSbBi на подложках антимонида индия возрастает во всем исследуемом интервале толщин зон при увеличении содержания висмута в жидкой фазе за счет уменьшения теплопроводности расплава.
5. Введение пятого компонента (галлия) в твердый раствор InAsSbBi уменьшает
термические напряжения на гетерогранице. Увеличение содержания галлия в жидкой фазе
позволяет снизить коэффициент распределения мышьяка, что снимает определенные
трудности технологического цикла.
Практические результаты:
Получены варизонные слои JnAsSb, InAsSbBi и InGaAsSbBi с убывающим содержанием мышьяка толщиной до 175 мкм, а также однородные слои ПТР InGaAsSbBi толщиной до 120 мкм;
Разработаны рекомендации по управляемой технологии выращивания гетероструктур InGaAsSbBi/InSb из жидкой фазы в поле температурного градиента; сконструирована кассета поршневого типа для получения исследуемых твердых растворов;
Разработана и реализована принимающая гетероструктура InGaAsSbBi/InSb. Длина волны принимаемого излучения - 9.85 мкм, максимум пороговой чувствительности - 10-" Вт при соотношении сигнал/шум = 10, время спада импульса фотоответа (от 0.9 до 0.1 Imax) - 3.5 нс при подаче отрицательного смещения 3 - 5 В. Фотоприемники установлены на параллельной линии контроля качества металлообрабатывающего модуля приборостроительного завода.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции (Набережные Челны, 1996 г.) Второй и Третьей Всероссийских конференциях с международным участием, "Актуальные проблемы твердотельной электроники н микроэлектроники"(Таганрог,1995 и 1996 г.), VII Международном семинаре по физике сегнетоэлектриков-полупроводников IMFS-7 ( Ростов-на-Дону, 1996 г.), Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машипостроения"( Севастополь, 1996 г.), межвузовских научно-технических конференциях, а также на конференциях, совещаниях, семинарах лабаратории физики полупроводников ВИ НГТУ и кафедры физики НГТУ. Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в которых в полном объеме изложены ее основные положения. Объем работы и ее структура. Настоящая работа состоит из введения и четырех глав,
общих выводов, списка литературы и приложений, содержит /^страниц машинописного текста, t ^иллюстраций. 9 таблиц. Библиография включает /Yf наименовании.
