Введение к работе
Актуальность темы. Твердое тело представляет собой совокупность большого числи атом >в, связанных друг с другом. Поэтому взаимодействие атомов в твердых телах определяет их структуру и свойства. В бинарных соединениях это взаимодействие усложняется, поскольку свойства компонентов, входящих в них, могут существенно различаться. Выявление закономерностей взаимодействия атомов в твердом теле составляет одну из основных задач физики конденсированных сред. Очевидно, что при решении таких задач целесообразно использовать различные теоретические методы, в частности, метод молекулярной динамики, учитывающий парное взаимодействие между атомами.
Среди бинарных полупроводниковых соединений видное место, занимает фосфид галлия. Технология приборов на основе GaP включает, как правило, высокотемпературные операции (эпитаксиальное наращивание пленок из растворов-расплавов, выращивание монокристаллов и т.д.), во время которых происходит неконтролируемое испарение летучего компонента. При этом процесс испарения определяется структурой приповерхностных слоев и взаимодействием компонентов в твердом фосфиде галлия и его галлиевых растворах. В настоящее время взаимодействие компонентов в системе Ga-P изучено недостаточно.
В связи с этим несомненный интерес представляет исследование испарения компонентов монокристаллического фосфида галлия в условиях Ленгмюра. Это позволяет определить в макроскопическом приближении важные энергетические характеристики процессов, протекающих на поверхности конденсированной фазы: энергию активации и лимитирующую стадию процесса испарения компонентов.
Метод молекулярной динамики позволяет промоделировать, зная соответствующие потенциалы парного взаимодействия, основные особенности структуры конденсированной фазы. Параметры потенциалов парного взаимодействия определяются, как правило, из экспериментальных данных. Альтернативным способом решения данной проблемы может быть привлечение неэмпирических методов квантовой механики, и, в частности, метода Хартри-Фока-Ругана, используемого для расчета электронной структуры молекул.
Привлечение полученных таким способом потенциалов при молску-лярно-динамическом моделировании позволит раскрыть основные качественные и количественные особенности процессов, протекающих не только в газовой, но и в конденсированной фазе.
Использование данных по ленгмюровскому испарению фосфида галлия и по моделированию взаимодействия компонентов в фосфиде галлия и его растворах в галлии методом молекулярной динамики позволит установить некоторые параметры взаимодействия атомов в объеме конденсированной фазы и на межфазных границах твердое тело-паровая фаза, раствор-паровая фаза. А это, в свою очередь, поможет скорректировать технот логические режимы при испарении компонентов фосфида галлия в газовую среду при разнообразных операциях по получению этого материала и изготовлению приборов на его основе.
Таким образом, с учетом вышесказанного, можно считать тему диссертации, посвященную исследованию взаимодействия компонентов в фосфиде галлия и его растворах-расплавах, актуальной.
Цель работы: Целью диссертации было экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействия компонентов в поверхностных слоях твердого фосфида галлия и его растворах в расплавах галлия при Т ~ 1000 К.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи.
-
Экспериментально исследован процесс конгруэнтного и инконгру-энтного испарения компонентов из твердого фосфида галлия и его растворов в галлі..., а также определена температура конгруэнтного испарения твердого фосфида галлия.
-
Рассчитаны потенциалы Морзе и Леннарда-Джонса молекул Рь GaP и Ga2 неэмпирическим методом Хартри-Фока-Рутана.
-
Проведено молекулярно-динамическое моделирование растворов фосфора в расплавах галлия, используя полученные нами потенциалы парного взаимодействия.
Научная новизна.
В работе впервые получены следующие результаты.
1. Измерены энергии активации процесса конгруэнтного и инконгру-энтного испарения фосфида галлия.
2. Экспернментально-определена-^гемпература-конгруэнтного-испаре-
ния компонентов из твердого фосфида галлия.
-
Установлено, что испарение димеров фосфора из фосфида галлия протекает с выделением энергии.
-
Рассчитаны потенциалы парного взаимодействия Р-Р, Ga-Ga и Ga-P для моделирования взаимодействия компонентов в фосфиде галлия и его галлиевых расплавах.
-
Структурные характеристики растворов фосфора в галлии.
6. Показано, что в системе расплав галлия-фосфор имеет место положительная адсорбция фосфора.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Энергии активации процессов инконгруэнтного и конгруэнтного испарения компонентов из твердого фосфида галлия равны 326.6 кДж/моль(3.4 эВ/атом) и 148.1 кДж/моль (1.54 эВ/атом), соответственно, и температура конгруэнтного испарения твердого фосфида галлия, равная 1064±3 К.
-
Процесс испарения молекул Р2 из твердого фосфида галлия протекает с выделением энергии, равной 121.2±8.8 кДж/моль.
-
Рассчитанные методом Хартри-Фока-Рутана потенциалы парного взаимодействия Ga-Ga, Ga-P и Р-Р.
-
Рассчитанные методом молекулярной динамики структурные характеристики растворов фосфора в расплавах галлия.
-
Энергии испарения компонентов фосфида галлия выше и ниже температуры конгруэнтного испарения.
Научная и практическая ценность работы.
Диссертационная работа является необходимым этапом в исследовании энергетических и структурных свойств полупроводниковых соединений <А3В5. Полученные в работе результаты могут послужить теоретической базой для объяснения существующих и новых экспериментальных данных.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 97" (Зеленоград, 1997), V Международной конференции "Термодинамика и материаловедение полупроводников" (Москва, 1997), Международном семинаре "Карбид кремния и родственные материалы" (Новгород, 1997), IV Международной конференции-"Межмолекулярное взаимодействие в материалах" (Гданьск, Польша, 1997), 36, 38 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 1996,1998).
Публикации. По результатам исследований опубликс ано б работ в виде научных статей и тезисов докладов.
Личный вклад автора.
В совместных работах автору принадлежит проведение экспериментов, расчетов, обсуждение результатов и написание статей. Эксперимент по инконгруэнтному испарению проводился совместно с Комбаровой И.В. При проведении квантово-механических расчетов большая помощь была оказана канд. физ.-мат. наук, доц. Скрипниковым В.А. Определение целей
4 і
работы, обсуждение результатов экспериментов и расчетов осуществлялось совместно с научным руководителем д-ром физ.-мат. наук, проф. Хухрян-ским Ю.П.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 133 страницы, включая оглавление, 14 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 103 источников.
