Фазовые равновесия и дефектообразование в тройных системах Ge(Si)-As-P Морозова, Анжелика Анатольевна

Введение к работе

Актуальность работы

Полупроводниковые соединения A^IVB^V характеризуются ярко выраженной анизотропией свойств, являющейся результатом их низкосимметричного кристаллохнмического строения. Вследствие этого соединения данного класса обладают интересными электрофизическими и оптическими свойствами, что делает их весьма перспективными материалами, например, при создании детекторов инфракрасного излучения.

Особый интерес с этой точки зрения представляют твердые растворы на основе арсе-нидов и фосфидов германия и кремния. Возможность непрерывного изменения свойств системы при изменении состава открывает широкие перспективы при создании материалов с заданными свойствами.

Однако решение проблемы управляемого синтеза твердых растворов на основе соединений A^1VB^V возможно лишь на основе физико-химической информации о границах областей существования фаз и характере фазовых равновесий в соответствующих тройных системах Ge-As-P; Si-As-P. Сведения такого рода практически отсутствуют в литературе, что связано, в основном, со сложностью экспериментального исследования указанных систем ввиду наличия двух летучих компонентов - фосфора и мышьяка.

При синтезе полупроводниковых материалов типа A¹ B^v особую актуальность приобретает проблема контролируемого дефектообразоваяия. Так как электрофизические свойства данных фаз (например, высокая концентрация носителей тока) обусловлены собственными точечными дефектами соединений, направленное формирование дефектного состава путем варьирования условий синтеза позволяет обеспечивать необходимьш набор заданных характеристик. Необходимо отметить, что процессы дефектообразования в твердых растворах на основе соединений A^IVB^V до настоящего времени изучены не были. Таким образом, комплексное исследование фазовых равновесий в тройных системах Ge-As-P; Si-As-P является весьма актуальной задачей.

Определенный интерес к исследованиям данных тройных систем, характеризующихся наличием двух общих летучих элементов V группы и различных катионообразователей, вызывает и взаимное расположение образующих их компонентов в периодической системе: германий и кремний являются непосредственными соседями мышьяка и фосфора соответственно. Сравнительный анализ двух систем позволяет проследить влияние природы катионо-образователя на характер протекающих в них гетерогенных процессов.

Работа выполнена в соответствии с координационным планом РАН «Физико-химические основы полупроводникового материаловедения» (направление 2.21) по проблеме 2.21.1.1 «Разработка физико-химических основ создания новых полупроводниковых материалов».

Цель работы: исследование характера фазовых равновесий в системах Ge-As-P; Si-As-P, термодинамический анализ процессов дефектообразования в твердых растворах GeAsi._xP_K и определение на этой основе условий синтеза кристаллов заданного состава.

Достижение главной цели включает:

1. Построение Т-х-у-проекций фазовых диаграмм систем Ge-As-P; Si-As-P на основе результатов термодинамического расчета и экспериментального исследования ряда политермических разрезов методами дифференциально-термического и рентгенофазового анализа. -

2. Определение координат изобарических линий поверхности ликвидуса системы Ge-As-P и положения изоконцентрационных линий в области первичной кристаллизации твердых растворов GeAsi.xPx путем термодинамического расчета.

3. Расчет области гомогенности фосфида германия и термодинамическая оценка концентрации собственных точечных дефектов и построение поверхности солидуса твердых растворов GeAsi-xPx-

Научная новизна

На основании изучения и построения Т-х-у-проекции фазовой диаграммы системы Ge-As-P установлено наличие непрерывного перехода эвтектического трехфазного равновесия L+-»Ge+GeAsi-_xPx в перитектическое L+GeoGeAsi-xP_x. Показано, что политермический разрез GeAs-GeP является частично квазибинарным.

На основании расчетных и экспериментальных данных определены координаты поверхности ликвидуса и пара фазовой диаграммы системы Ge-As-P, положение изоконцентрационных линий в области первичной кристаллизации твердых растворов GeAsi-_xP_x.

На основании термодинамического анализа процессов дефектообразования в твердых растворах GeAsi._xP_x впервые построена их поверхность солидуса и установлена зависимость концентрации собственных точечных дефектов в твердом растворе от параметров термодинамического равновесия кристалл - расплав - пар.

Установлено отсутствие непрерывного ряда твердых растворов в системе SiAs-SiP и показано, что политермический разрез SiAs-SiP не является квазибинарным.

5 Расчетным путем определены координаты изотермических линий поверхности ликвидуса фазовой диаграммы системы Si-As-P.

Положения, выносимые на защиту:

фазовая диаграмма системы Ge-As-P и наличие непрерывного перехода эвтектиче
ского трехфазного равновесия L«-»Ge+GeAs|._xP_x в перитектическое L+Ge «-»
GeAS]._xP_x;

И отсутствие непрерывного ряда твердых растворов в системе SiAs-SiP и характер фазовых равновесий в тройной системе Si-As-P;

механизм дефектообразования в твердых растворах GeAsi-_xP_x и определяющая роль
антиструктурных дефектов типа Geg.

Практическая ценность работы заключается в том, что она связывает данные фазовых диаграмм с условиями получения кристаллов твердых растворов GeAsi-jP*. Полученные данные о характере фазовых равновесий и процессах дефектообразования в системе Ge-As-P позволяют выбрать оптимальные условия синтеза и термообработки твердых растворов GeAsi-xPx ^с целью получения материала с заданными свойствами.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на II Украинской конференции «Материаловедение и физика полупроводниковых фаз переменного состава» (Нежин, 1993); I и II региональной научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (Липецк, 1993; Тамбов, 1994); Международной конференции аспирантов и студентов по фундаментальным наукам «Ленинские горы-95» (Москва, 1995); Всероссийской конференции по термическому анализу и калориметрии (Казань, 1996); ХП1 * International Symposium on the Reactivity of Solids (Hamburg/Germany, 1996); Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» ( Саратов, 1997); 7 * International conference on Defect Recognition and Image Processing in semiconductors (Templin/Germany, 1997).

Публикации

По основным результатам проведенных исследований опубликовано 12 научных работ.

Структура и объем диссертации