Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы и постановка задачи исследования 10
1.1 Свойства и применение многокомпонентных твердых растворов на основе АШВv 10
1.2 Гетеропереходы П-го типа 20
1.3 Фазовые равновесия в многокомпонентных гетеросистемах на основе AmBv 23
1.4 Термодинамическая устойчивость и ограничения многокомпонентных твердых растворов 30
1.5 Распределение компонентов в твердых растворах, формируемых методом ГЖК 37
Выводы к главе1 42
ГЛАВА 2. Технология и аспекты процессов получения и исследования многокомпонентных твердых растворов 44
2.1 Аппаратурно-методическое оформление ГЖК многокомпонентных твердых растворов на основе АШВУ 44
2.2 Аппаратурно-методическое оформление ЖФЭ тонких многослойных ПТР на основе соединений АШВУ 53
2.3 Поверхностно-чувствительные методы, применяемые для
анализа пятикомпонентных гетероструктур на основе AmBv 58
2.3.1 Метод оже-спектроскопии (ЭОС) 58
2.3.2 Метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) 66
2.3.3 Метод масс-спектрометрии вторичных нейтральных частиц 74
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 82
ГЛАВА 3. Модель EFLCP в описании интерфазных взаимодействий ПТР, и моделирование зонных диаграмм гетероструктур II-го типа 84
3.1 Диаграммы плавкости систем на основе AmBv 84
3.2. Термодинамическая модель расчета фазовых равновесий ПТР 89
3.2.1 Термодинамическая модель EFLCP для системы AxBi.xCyDzEi.y.z 90
3.2.2 Термодинамическая модель EFLCP для системы AxByCi.x.yDzEi.z 97
3.3 Расчет энергетических диаграмм гетероструктур И-го типа 104
3.3.1 Определение параметров ПТР 104
3.3.2 Модель расчета энергетических диаграмм исследуемых гетероструктур И-го типа 109
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 119
ГЛАВА 4. Исследование полученных гетероструктур на основе ПТР АШВУ, изопериодных подложкам GaSb и InAs 120
4.1 Обоснование выбора гетероструктур на основе пятикомпонентных твердых растворов 120
4.2 Особенности получения пятикомпонентных твердых растворов на основе AIUBV 123
4.3 Гетероструктуры на основе ПТР АШВУ, изопериодные подложкам GaSb и InAs 129
4.3.1 Однослойные гетероструктуры на основе ПТР GalnPAsSb, изопериодные подложкам GaSb и InAs 132
4.3.2 Однослойные гетероструктуры на основе ПТР AlGalnAsSb, изопериодные подложкам GaSb 148
4.3.3 Многослойные гетероструктуры на основе ПТР GalnPAsSb и AlGalnAsSb, изопериодные подложкам GaSb 151
Выводы к главе 4 157
Основные выводы работы 158
Список литературы
- Фазовые равновесия в многокомпонентных гетеросистемах на основе AmBv
- Аппаратурно-методическое оформление ЖФЭ тонких многослойных ПТР на основе соединений АШВУ
- Термодинамическая модель EFLCP для системы AxBi.xCyDzEi.y.z
- Гетероструктуры на основе ПТР АШВУ, изопериодные подложкам GaSb и InAs
Введение к работе
Одной из важнейших составляющих современного развития микроэлектроники является разработка теоретических представлений и эффективных технологий получения совершенных полупроводниковых материалов и приборов на их основе.
Несмотря на устойчивый интерес к многокомпонентным твердым растворам и имеющиеся достижения в этой области, описание процессов из жидкой фазы носит эмпирический характер. Отсутствует четкая концепция прогнозирования как свойств, так и технологических режимов получения твердых растворов, изопериодных подложкам.
Поэтому актуальным является разработка методологии получения многокомпонентных твердых растворов с заданными свойствами, установление фундаментальных связей между термодинамическими параметрами компонентов, составляющих твердый раствор, и применение новых комплексных теоретических и экспериментальных подходов к исследованию и прогнозированию их свойств.
Цель и задачи диссертационного исследования
Целью данной диссертационной работы является разработка и получение пятикомпонентных твердых растворов на основе соединений AniBv методами градиентной жидкофазной кристаллизации (ГЖК) и жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), а также комплексное теоретическое и экспериментальное исследование полученных гетероструктур. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
расчет фазовых равновесий. на основе термодинамической модели «Избыточные функции как линейные комбинации химических потенциалов» (EFLCP);
разработка математической модели расчета энергетических диаграмм и ее программная реализация;
выбор и разработка технологии создания гетероструктур из пятикомпонентных твердых растворов на подложках антимонида галлия и
5 арсенида индия;
разработка технологии и получение многослойных гетероструктур;
исследование составов полученных твердых растворов методами масс-спектрометрии вторичных нейтральных частиц (МСВН), оже-электронной спектроскопии (ЭОС) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС).
Научная новизна диссертационного исследования
Разработана термодинамическая модель расчета фазовых равновесий пятикомпонентный твердый раствор - пятикомпонентный жидкий раствор в рамках модели «Избыточные функции - линейные комбинации химических потенциалов» (EFLCP).
Разработана и программно реализована модель расчета энергетических диаграмм гетеропереходов П-го рода на основе пятикомпонентных твердых растворов, позволяющая связать параметры структуры' (состав слоев, уровень легирования) с электрофизическими характеристиками.
На основе совместного анализа энергетических диаграмм и условий фазовых равновесий были определены составы, рекомендуемые для получения однослойных и многослойных структур с гетеропереходами П-го типа на основе пятикомпонентных твердых растворов GalnPAsSb, AlGalnAsSb изопериодных GaSb и GalnPAsSb изопериодных InAs.
Получены эпитаксиальные слои пятикомпонентных твердых растворов GalnPAsSb на подложках антимонида галлия и арсенида индия методами ГЖК и ЖФЭ, а также методом ЖФЭ - широкозонные эпитаксиальные слои пятикомпонентного твердого раствора AlGalnAsSb изопериодного GaSb и многослойные структуры GaSb/GalnPAsSb/GaSb, AlGalnAsSb/GalnPAsSb/ GaSb.
Впервые методами масс-спектрометрии вторичных нейтральных частиц, оже- и фотоэлектронной спектроскопии исследован элементный состав синтезированных структур. На основе полученных концентрационных профилей элементов по глубине предложен оптимальный состав гетероструктур.
Практическая значимость результатов исследования
Представленная в диссертационной работе методика расчета гетерогенных равновесий, а также компьютерное моделирование эксперимента позволяют прогнозировать результаты эпитаксии многокомпонентных твердых растворов соединений АШВУ, проводить корректировку и оптимизацию технологического процесса формирования полупроводниковых гетероструктур.
Разработанная методика выращивания эпитаксиальных слоев пятикомпонентных твердых растворов GalnPAsSb на подложках антимонида галлия и арсенида индия методами ГЖК и ЖФЭ, а также методика выращивания многослойных гетероструктур транзисторного типа GaSb/GalnPAsSb/GaSb, AlGalnAsSb/GalnPAsSb/GaSb на подложках антимонида галлия методом ЖФЭ могут найти применение в технологии изготовления свето- и фотодиодных структур.
Разработанная программа для обработки электронных спектров нашла применение на кафедре электроники и микроэлектроники, кафедре химии ГОУ ВПО «СевКавГТУ» (подтверждено актом внедрения) и может применяться для решения любых задач дисперсионного анализа.
Достоверность научных положений и результатов исследования Достоверность результатов обеспечивается использованием хорошо зарекомендовавших себя аналитических и численных методов математики, физической химии, физики твердого тела, строгой обоснованностью приближений в описании моделей твердого раствора и зонных диаграмм, использованием поверхностно-чувствительных методов исследования (масс-спектрометрии вторичных нейтральных частиц, оже- и фотоэлектронной спектроскопии), согласованием экспериментальных результатов с предсказанными теоретически, в том числе и других авторов.
Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. Термодинамическое описание фазового равновесия на основе модели «Избыточные функции - линейные комбинации химических потенциалов» (EFLCP), позволяющее определить исходные данные для получения
7 твердых растворов требуемых составов методами, использующими жидкую
фазу.
Модель расчета энергетических диаграмм гетеропереходов И-го рода на основе пятикомпонентных твердых растворов, связывающая параметры структуры (состав слоев, уровень легирования) с электрофизическими характеристиками.
Теоретическое и экспериментальное обоснование положения о том, что метод ГЖК оказывается предпочтительней при получении однослойных структур GalnPAsSb/GaSh и GalnPAsSbAnAs, как обеспечивающий меньший разброс отклонений от заданного состава и более высокое кристаллическое совершенство. Для получения более тонких эпитаксиальных слоев необходимо применять метод ЖФЭ, использующий способ быстрого протаскивания подложки под ростовым расплавом, помещенным в узкую вертикальную щель. Метод ЖФЭ является единственным методом, обеспечивающим удовлетворительный результат при получении многослойных структур транзисторного типа GaSb/GalnPAsSb/GaSb, AlGalnAsSb/GalnPAsSb/GaSb на подложках антимонида галлия.
Свойства пятикомпонентных гетероструктур, привлекательных с точки зрения их применения, по данным концентрационных профилей определяются топологией структур, формируемых в процессе ГЖК или ЖФЭ: состоянием и протяженностью межслойных границ, концентрацией элементов, величиной упругих напряжений на границах.
Апробация и внедрение результатов исследования
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на
ежегодных семинарах кафедры физики ГОУ ВПО «СевКавГТУ» и кафедры
физики ГОУ ВПО «ВИЮРГТУ», а также ежегодных научно-технических
конференциях по результатам работы ППС аспирантов и студентов
СевКавГТУ, на десятой научно-технической конференции с участием
зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Судак, 2003 г.), на
первой международной научно-технической конференции
«Инфотелекоммуникационные технологии в науке, производстве и
8 образовании» (Ставрополь 2004), на V международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск 2005).
Работа проводилась в рамках научного направления, принятого на кафедре: «Исследование межфазных границ раздела в системах различной химической природы», номер договора С53/31. Публикации
По результатам исследований получено одно свидетельство об официальной регистрации программы, опубликовано 15 печатных работ, в которых изложены основные положения диссертации, в том числе 7 статей, из них 2 опубликованы в реферируемых изданиях, а именно: 1 статья в Известиях Вузов, Северо-Кавказский регион. Технические науки, Новочеркасск; 1 статья в Известиях Вузов «Физика», Томск. Основные результаты работы получены автором самостоятельно.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 777 печатных страницах текста, состоит из введения, четырех глав, заключительных выводов, списка используемой литературы из 155 наименований и трех приложений. Диссертация содержит 50 рисунков и 6 таблиц.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели, отмечены научная новизна и практическая ценность, изложены представляемые к защите научные положения.
В первой главе проведен обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению твердых растворов соединений АШВУ и образованных ими гетеропереходах. Рассмотрены существующие модели фазовых равновесий и их особенности. Приведены известные закономерности управления распределением элементов по толщине.
Во второй главе описано аппаратурное оформление методов ГЖК и ЖФЭ, а также методики получения однослойных и многослойных структур на основе пятикомпонентных твердых растворов соединений AInBv. Рассмотрены поверхностно-чувствительные методы, используемые для анализа состава
9 исследуемых структур: масс-спектрометрия, оже- и фотоэлектронной спектроскопии.
В третьей главе представлена термодинамическая модель интерфазных взаимодействий «Избыточные функции - линейные комбинации химических потенциалов» (EFLCP) в пятикомпонентных системах AxBi.xCyDzE].y.z, AxByC].x.yDzEi.z, а также ее преимущества и обоснованность. Исследованы особенности расчета параметров пятикомпонентных твердых растворов. Приведена модель расчета зонных диаграмм гетеропереходов П-го типа, позволяющая анализировать структурные и физико-химические характеристики в ходе компьютерного эксперимента, а также строить модели гетеропереходов.
В четвертой главе обоснован выбор структур. Отражены особенности получения изопериодных пятикомпонентных твердых растворов и результаты исследований экспериментально полученных структур. Представлены масс-спектры и профили распределения компонентов по глубине исследованных твердых растворов соединений AHIBV; полученные методами МСВН, ЭОС и РФЭС; приведены спектры фотолюминесценции. Проведено сопоставление полученных экспериментальных результатов с теоретическими.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю заведующему кафедрой физики ГОУ ВПО «СевКавГТУ» профессору, д-р хим. наук Валюхову Д.П., канд. физ.-мат. наук Зленко В.Я., а также всем сотрудникам кафедры физики, без помощи которых работа не состоялась как диссертация. Отдельная благодарность заведующему кафедрой физики ГОУ ВПО «ВИЮРГТУ» д-р физ.-мат. наук, профессору Благину А.В. и канд. техн. наук Баранник А.А. за внимание проявленное к работе, за полезные советы и замечания.
Фазовые равновесия в многокомпонентных гетеросистемах на основе AmBv
Важным этапом при проведении эпитаксии многокомпонентных гетеро-систем на основе АШВУ различными методами является знание фазовых равновесий между твердой и жидкой фазами. Так, при жидкофазной гетероэпитаксии ПТР в градиентном поле исходный материал (подложка) контактирует с расплавом, содержащем пять элементов, взаимодействие которых может быть очень сложным. Конкретный результат взаимодействия зависит от кристалло-химической природы и концентрации элементов, а также от внешних факторов - давления и температуры. Знать характер этого взаимодействия важно потому, что им определяются свойства материала. Для анализа этого взаимодействия необходимо исследование фазовых равновесий.
Под фазовым равновесием принято понимать состояние, устанавливающееся в системе, в которой не прртекают обратимые химические реакции за счет перераспределения масс компонентов между отдельными фазами.
Особенностью соединений типа А В является неограниченная раство III „v „ Jnv римость элементов типа А и В и полная диссоциация соединении А В в .ш v _ жидком состоянии, а также взаимодействие элементов типа А и В с образованием конгруэнтно плавящихся соединений, не растворяющих в себе составляющие их элементы, но образующих между собой неограниченные или протяженные области растворов в твердом состоянии [15].
Экспериментальное исследование фазовых равновесий сопряжено с большими трудностями, поэтому весьма важны термодинамические исследования контактирующих фаз, используемых при получении многокомпонентных твердых растворов.
Наиболее кратко раствор можно определить как фазу переменного состава [48]. Поскольку общая теория реальных растворов не разработана, то основной базой для расчета являются различные феноменологические представления [9, 48, 50, 89], рассматривающие сравнительно простые модели молекулярного взаимодействия. Растворы принято классифицировать по степени отклонения от идеальности, при этом под идеальным понимают раствор, у которого парная молярная энтальпия и парциальный молярный объем компонентов не зависят от концентрации. Отклонение реального раствора от идеальных систем определяется двумя факторами: энтальпийным АН І НІ - Hf и энтропийным
AS І = St - Sf или представляется в виде энергии Гиббса формирования раствора (энергии смешения), которая состоит из суммы двух слагаемых: энергии Гиббса образования идеального раствора и избыточной энергии [134]. Избыточные функции отражают тип межатомного взаимодействия в растворе, а также химические и физические эффекты в жидкой фазе, обусловленные образованием смеси разнородных атомов, явления упорядочения и неравновесные эффекты в твердой фазе в рамках принятой модели. Таким образом, определение энтальпийного и энтропийного фактора и энергии смешения разбивается на два этапа: определение идеальной части и части, учитывающей отклонение системы от идеального поведения.
Для проведения расчетов фазовых равновесий необходимо знать в явном виде зависимость характеристической функции фазы от определяющих ее переменных состояния - температуры, давления, состава. Обычно в качестве такой функции используют энергию Гиббса (изобарно-изотермический потенциал или термодинамический потенциал Гиббса).
В полупроводниковых системах широко используется модель простых растворов, которую предложил Гуггенгейм [134]. Применительно к бинарным системам, такой раствор представляет собой гомогенную смесь компонентов, у которой избыточная мольная энергия Гиббса может быть аппроксимирована параболической функцией составов: Gex = ayx(l-x), (1.8) где щ - параметр межатомного взаимодействия, зависящий только от температуры и давления. С физической точки зрения величина 2щ отражает изменение потенциальной энергии системы при замене двух одноименных пар атомов на две смешанные пары и поэтому его отрицательное значение указывает на взаимное притяжение разнородных атомов в растворе, так как это энергетически выгодно. В модели простых растворов не накладывается каких-либо ограничений на зависимость щ от температуры.
Аппаратурно-методическое оформление ЖФЭ тонких многослойных ПТР на основе соединений АШВУ
В данной работе для получения тонких многослойных гетероструктур использовалась горизонтальная установка квазизамкнутого типа (рис. 5.) при использовании модифицированной сдвиговой кассеты пенального типа.
Установка состояла из высокотемпературной печи сопротивления с вмонтированной высокотемпературной коаксиальной тепловой трубой марки ВКТТ-3.049.001-07, позволяющей получить изотермическую зону длиной 120 мм. Реактор был выполнен в виде трубы из синтетического кварца особой чистоты диаметром 40 мм и объемом 1,5 л. Один конец реактора запаян, а к другому концу крепился фланец из нержавеющей стали с отверстиями для системы газообмена кварцевой трубки с термопарой и молибденовых штоков, приводящих в движение подвижные части кассеты. Герметичность реактора обес печивалась за счет использования уплотнений из вакуумной резины и фторопласта.
В качестве газа использовали Нг, получаемый путем электролиза КОН в генераторе водорода СГС-2. Кроме очистки, предусмотренной генератором, водород дополнительно пропускали через систему из шести поддонов, наполненных селикогелем и активированным углем, а также реактор заполненный танталовой стружкой, подогретый до температуры 800 С.
Прецизионную регулировку температуры осуществляли с помощью модифицированной системы ДРТ-3, позволяющей поддерживать температуру в рабочей зоне печи с точностью ±0,2 К.
Для измерения времени контакта подложки с соответствующим раствором-расплавом в процессе эпитаксиального наращивания была использована автоматизированная система. Датчиком положения служил линейный резистор длиной 80 мм с подвижным контактом, жестко связанным с молибденовым штоком, приводящим в движение слайдер с подложкой. Напряжение, характеризующее положение подложки, подавалось на вход быстродействующего аналогового цифрового преобразователя (АЦП).
Используемые реактор и кассета периодически кипятились в царской водке (ЯС/:#М)з=3:1), затем неоднократно промывались в дистиллированной воде до полного удаления следов кислоты (до рН=1) и отжигался в течении 24 часов при температуре 900 С как в вакууме (-10 мм.рт.ст.), так и в водороде.
В основу технологии изготовления многослойных гетероструктур был положен один из вариантов получения тонких эпитаксиальных слоев методом быстрого протаскивания подложки под ростовым расплавом, помещенным в узкую вертикальную щель [72].
Этот метод отличается простотой реализации и не требует существенных изменений в стандартном технологическом процессе. Кроме того, он позволяет оперативно изменять толщины осаждаемых слоев, что делает особенно привлекательным его использование в лабораторных условиях [40].
Для усовершенствования процесса получения воспроизводимых тонких активных слоев твердых растворов обычная сдвиговая кассета пенального типа была модифицирована (рис. 6.). От обычной она отличается тем, что ростовые камеры на стороне, обращенной к подложке имеют узкие щели, размеры которых на порядок меньше размера подложки.
Наращивание эпитаксиальных слоев на бинарные подложки осуществлялось из растворов-расплавов, предварительно приготовленных из материалов АШВУ отечественного производства, используемый при этом температурно-временной режим изображен на рисунке 7.
После предварительной обработки и взвешивания шихта загружалась в кассету, которая без подложек устанавливалась в реактор. Реактор помещали в высокотемпературную трубу печи и откачивали до остаточного давления 10 3 Па форвакуумным насосом, после чего наполняли его очищенным водородом с последующий продувкой в течение 30 минут. Продувка камеры водородом производилась с целью удаления остаточных газов. После этого включалась печь и проводился процесс предварительной гомогенизации. Гомогенизация продолжалась в течении 1,5-3 часов в
Температурно-временной режим проведения процесса: Т]- температура предварительной гомогенизации расплава; Тг- температура повторной гомогенизации расплава; Т3- температура эпитаксии слоя одного состава; Т4- температура эпитаксии слоя другого состава; tpto- время нагрева печи до температуры предварительной гомогенизации; t2r время проведения предварительной гомогенизации; t32- время охлаждения расплава, помещения подложки в кассету и нагрева печи до температуры повторной гомогенизации; t43- время повторной гомогенизации с подложкой; t54- время переохлаждения расплава на AT; t65- время стабилизации температуры расплава перед контактом с подложкой и эпитаксии слоя одного состава; ty-V время выхода системы на температуру эпитаксии слоя другого состава; t87- время стабилизации температуры расплава перед контактом и роста эпитаксиального слоя другого состава; tpg- время выхода на температуру эпитаксии очередного слоя, если он планируется; tio-V время охлаждения и продувки реактора
Термодинамическая модель EFLCP для системы AxBi.xCyDzEi.y.z
Для определения областей составов, доступных при синтезе ПТР на основе AmBv методом и ГЖК и ЖФЭ, и температур двухфазного равновесия в данной работе применялась термодинамическая модель «Избыточные функции -линейные комбинации химических потенциалов» (EFLCP). Это связано с тем, что так широко применяемая для расчета избыточных термодинамических функций систем AmBv модель регулярных растворов [19, 33, 45, 51, 63, 90, 119, 137], для получения более точного математического описания требует корректировки параметров взаимодействия материала растворителя с каждым из компонентов. В связи с этим производится «подгонка» ряда вводимых в уравнения термодинамических параметров для достоверности расчетов по отношению к опытным данным.
Кроме того, в системах, содержащих фосфор и сурьму, наблюдается значительное положительное отклонение от закона Рауля, что сказывается в первую очередь на величинах соответствующих избыточных мольных энергий смешения, а значит и результатах расчета [48].
Положение усугубляется еще и тем, что в системах AmSb наблюдается весьма значительная ассоциация компонентов в жидкой фазе, что ограничивает применяемость модели.
В случае применения метода суб- и квазирегулярных растворов достаточно точно описываются диаграммы плавкости бинарных систем, однако при этом требуется большое количество подгоночных параметров [122].
Метод идеальных ассоциированных растворов [27] применяется для анализа диаграмм плавкости бинарных систем, но его точности недостаточно для расчета избыточных термодинамических функций многокомпонентных систем, и для более точного описания используется модель неидеальных ассоциированных растворов [5]. Однако и она1 из-за большого количества параметров приводит к малой устойчивости модели и затрудняет количественную экстраполяцию на системы с большим количеством компонентов [56].
Кроме того, перечисленные методы практически малопригодны для описания избыточных термодинамических функции смешения [55], и в случае многокомпонентных систем (л 3), в особенности для составов, прилегающих к области несмешиваемости твердых растворов, погрешности данных расчетов значительно увеличиваются [23].
Применяемая же в данной работе модель EFLCP, учитывает все парные и тройные, дополнительные к парным, межатомные взаимодействия в расплаве и позволяет достаточно точно описывать диаграммы многокомпонентных систем [23,55,56,103,123].
Отличительной чертой данной модели является то, что все используемые параметры имеют строгий физический смысл и могут быть найдены из табличных данных стандартных термодинамических функций отдельных веществ.
Модель расплава
Для описания избыточных термодинамических функций компонентов расплава (у,- - коэффициентов активности z-го компонента расплава) использовали основное уравнение модели EFLCP [56] для системы из пяти компонентов п=5: где R - молярная газовая постоянная, T- температура (К), JC, - мольная доля /-го компонента расплава, ац, /Зу, у/ - параметры модели.
Причем, для этого достаточно найти решение любых четырех, так как любое пятое уравнение будет линейной комбинацией первых четырех и может быть исключено из системы.
Решение системы (3.20) относительно четырех независимых переменных из набора: хв, хс, xD, хЕ, (xA=\-xB-Xc-xD-xE), ув, ус, Уо, (ул=1-Ув\ УЕ= -УС-УО), Т; находилось двумя путями:
1) Задавали Т, ув, у с и условие изопериодичности какой-либо под ложке, и в соответствии с уравнением (3.9), находили yD иуЕ,ав соответствии с системой уравнений (3.20) - состав жидкой фазы: хв, хс, XD, ХЕ (при этом функции E f и 8ff в соответствии с уравнениями (3.14) и (3.18) становятся равными нулю);
2) Задавали хв, х& xD, хЕ и в соответствии с системой (3.20) находи ли температуру ликвидуса Т и состав твердого раствора: у в, Ус, У о (при этом функции Eff и Sfef отличны от нуля). Область существования твердых растворов
Существуют два независимых ограничения на область существования твердых растворов: ограничение по «условию молекулярности расплава», расширяющееся с ростом температуры, и ограничение по «спинодальному распаду», сужающееся с ростом температуры.
Ограничение по «условию молекулярности расплава» наступает в том случае, когда возможно приготовление расплава исключительно из соединений AmBv - AC, AD, АЕ, ВС, BD, BE без добавок компонентов - А, В, С, D, Е: Область ограничения по «условию молекулярное расплава» определяется температурами плавления твердых растворов, сужается с падением температуры, вырождаясь в точку при температуре плавления самого легкоплавкого из соединений, образующих твердый раствор.
Ограничение по «спинодальному распаду твердых растворов» связано с тем, что фаза гомогенного твердого раствора может быть неустойчива. Граница устойчивости твердого раствора определяется следующим уравнением (твердый раствор не образуется и не распадается на подложке):
Гетероструктуры на основе ПТР АШВУ, изопериодные подложкам GaSb и InAs
1. Представлена термодинамическая модель «Избыточные функции линейные комбинации химических потенциалов» (EFLCP) расчета фазовых равновесий для систем AxBi.xCyDzEi.y.z, AxByC].x.yDzE].z, которая учитывает все парные и тройные, дополнительные к парным, межатомные взаимодействия в расплаве и позволяет достаточно точно описывать диаграммы многокомпо нентных систем. Выявлено, что учет вклада упругих напряжений E f сужает область неустойчивости твердых растворов. (Алгоритм расчета в среде Mathcad 11.0 приведен в приложении 1)
2. Определены решеточно-согласованные с подложкой GaSb или InAs составы ПТР GalnPAsSb, а также соответствующие им ширины запрещенной зоны Ее и коэффициенты термического расширения а для получения идеальных по структуре гетерокомпозиций на их основе. (Таблицы результатов приведены в приложении 2)
3. Разработана модель расчета энергетических диаграмм, позволяющая связать параметры структуры (состав слоев, уровень легирования) с их характеристиками для анализа факторов, влияющих на эффективность светодиодных и фотоприемных структур. Варьируя состав твердого раствора GalnPAsSb, изопериодного GaSb или InAs, можно изменять степень перекрытия зон на гетерогранице и получать как ступенчатые, так и разъединенные гетеропереходы П-го типа.
4. Разработан алгоритм и написана программа расчета энергетических диаграмм гетеропереходов П-го типа в программно-ориентированной среде Delphy 7.0. Она позволяет рассчитать концентрации свободных носителей заряда и ионизированных примесей, используя статистику Ферми-Дирака. Изгиб энергетических зон определялся путем решения уравнения Пуассона. (Листинг программы приведен в приложении 3)
В первой главе были отмечены важные преимущества ПТР перед другими МТР, а также уникальные свойства гетеропереходов П-го типа, что делает привлекательным их применение в оптоэлектронике. В виду этого в данной работе была предпринята попытка разработать технологию получения гетеропереходов И-го типа с применением ПТР, которые могут применяться для создания светодиодов и фотоприемников с заданными параметрами. В частности для реализации этой задачи были выбраны ПТР следующего состава: GalnPAsSb и AlGalnAsSb, изопериодные GaSb и InAs. Причем слои GalnPAsSb в основном использовались как активная область, a AlGalnAsSb в качестве ограничительных слоев.
Для получения разъединенных гетеропереходов выращиваемый на подложках GaSb пятикомпонентный твердый раствор GalnPAsSb должен содержать большое количество In (80-90 %). В случае же применения в качестве подложки InAs, выращиваемый GalnPAsSb должен содержать большое количество Ga. В этом случае потолок валентной зоны широкозонного (GalnPAsSb) полупроводника оказывается выше дна зоны проводимости узкозонного (InAs). По обе стороны гетерограницы образуются глубокие квантовые колодцы для электронов и дырок, и их волновые функции сильно перекрыты [146]. Прикладывая к гетерогранице внешнее электрическое поле, можно изменять относительное положение энергетических зон вблизи гетерограницы и заселение носителями квантовых колодцев. Помимо зонной диаграммы еще одним преимущественным аспектом этих структур с технологической точки зрения является то, что при их получении нет необходимости легирования. Это связано прежде всего с тем, что ПТР Gao.8lno.2Po.08Aso.14Sbo.78 по составу и ширине запрещенной зоны близок к бинарному GaSb и четырехкомпонентному твердому раствору Gao.8lno.2Aso.22Sbo.78 [109, 154], которые обладают р-типом проводимости благодаря неконтролируемым примесям и структурным природным дефектам типа VQ0 И Gasb, создающим в запрещенной зоне двухзарядные акцепторные уровни с энергией ионизации у 0,011-0,017 эВ, 2 0,03-0,035 эВ и 0,07-0,09 эВ соответственно [115]. В нелегированных GaSb и Gao.sIno.2Aso.22Sbo.78 рекомбинация происходит именно через эти акцепторные уровни, поскольку все мелкие уровни ионизированы уже при 77 К [146]. Специально нелегированные твердые растворы Gao.1Ino.9Po.jAso.673Sbo.227 по составу близкие к InAs, также как и сам InAs, обладают «-типом проводимости [114], обусловленной предположительно структурным дефектом, образующим в запрещенной зоне донорный уровень с энергией активации Е 0,09 эВ.
Кроме того, при выборе формы структурной реализации гетеропереходов обращалось большое внимание на литературные данные по структурам на основе четырех и пятикомпонентных твердых растворов, поскольку по основным электрофизическим свойствам ПТР перекрывают ЧТР при условии возможности реализации более совершенных границ раздела гетеропереходов [52, 60, 106].
Аналогичным образом на основе обобщенных данных [18, 37, 132] были выбраны многослойные структуры:p-GaSb/n-Gao.]Ino.9Po.iAso.67iSbo.22 p-GaSb;р GaSb/n-Gao.iIno.9Po.iAsomSbo.227/p-Alo.2Gao.68lno.i2Aso.i39Sbo.86b реализация которых возлагалась на модифицированный метод ЖФЭ, основанный на быстром протаскивании подложки под ростовым расплавом, помещенным в узкой вертикальной щели [40, 72].
