Введение к работе
Актуальность работы
Широко известно явление несмешиваемости твердых растворов полупроводников А"В^ в определенной области температур и составов. Оно наблюдалось в многочисленных экспериментах. Явление несмешиваемости говорит о наличии неустойчивостей при выращивании твердых растворов. Принципиально возможны два различных механизма неустойчивости: термодинамический и кинетический. Термодинамический тип неустойчивости обусловлен тем, что твердый раствор с неоднородным распределением состава может- иметь меньшую свободную энергию, чем однородный твердый раствор. В связи с этим однородный твердый раствор неустойчив относительно спонтанного разделения на фазы.
Термодинамическая теория неустойчивости объемного образца относительно спонтанного разделения на фазы была построена Ка-ном [1] для бинарных металлических сплавов. Хачатурян [2] показал, что для неоднородного сплава минимальная свободная энергия, в которой наряду с химической составляющей учтена и упру- < гая составляющая, соответствует периодической слоистой структуре концентрационных упругих доменов. Упругая энергия возникает вследствие требования когерентного (бездислокационного) сопряжения разделяющихся фаз, имеющих различные равновесные значения постоянной решетки. Стривтфелло [3] распространил термодинамическую теорию Кана [1] на случай твердых растворов по-лупроводников А В" . Он показал, что химическая составляющая
свободной энергии обусловливает тенденцию к распаду твердого раствора, тогда как упругая составляющая препятствует распаду и, в случае твердых растворов полупроводников А3В5 ,стабилизирует все тройные и большую часть четверных твердых растворов.
В большинстве случаев твердые растворы полупроводников AJB& выращивают в виде эпитаксиального слоя на подложке. При выращивании неустойчивых твердых растворов их распад ведет к образов: нию структур с пространственной модуляцией состава. Такие структуры с характерным периодом 5 — 200 нм неоднократно наблюдались методом трансмиссионной электронной микроскопии (ТЕМ) в образцах, выращенных методами жидкофазной, газофазной, металлоорганической и молекулярно-пучковой эпитаксий.
Термодинамическая неустойчивость твердых растворов в эпи-таксиальном слое рассматривалась в литературе [4], однако упругие напряжения учитывались в приближении упруго-изотропной среды, а модуляция состава твердого раствора считалась одинаковой по всей толщине эпитаксиального слоя. Основной результат этой работы заключался в том, что в эпитаксиальном слое эффек-тивная упругая энергия меньше, чем в объемном образце. Следовательно, в эпитаксиальном слое неустойчивость относительно неоднородности состава наступает раньше (при более высоких температурах), чем в объемном образце.
Подобное термодинамическое рассмотрение подразумевает, что диффузия атомов твердого раствора происходит во всем объеме эпитаксиального слоя и может создавать профиль состава-, соответствующий абсолютному минимуму свободной энергии системы.
Такая ситуация могла бы иметь место в очень тонких слоях (порядка нескольких монослоев) при достаточно высоких температурах. Такой подход описывает также термодинамическую устойчивость эпитаксиального слоя относительно процессов деградации.
В процессе выращивания твердый раствор часто не находится в состоянии термодинамического равновесия. В этом случае получающиеся неоднородные структуры могут быть обусловлены кинетическими эффектами. При этом термодинамический анализ необходимо дополнить рассмотрением кинетики роста твердого раствора.
В классической работе Бартона, Кабреры и Франка [5] предложена модель роста кристалла, происходящего путем встраивания диффундирующих по поверхности атомов в дефекты структуры. Значительную концентрацию регулярно расположенных дефектов можно создать искусственно, сколов кристалл под малым углом к кристаллографической оси. В результате возникает грань, называемая ви-цинальноЙ, состоящая из террас, разделенных ступенями. Каждая ступень содержит прямые участки, разделенные изломами. В большинстве случаев эпитаксиальный рост происходит именно в виде движения ступеней вищшальной грани (рис. 1).
В литературе неоднократно рассматривались кинетические неустойчивости в процессе роста на вицинальной грани [6-8], заключающиеся в изменении расстояния между ступенями и формы самих ступеней. При этом всегда предполагалось, что все процессы на террасе определяются атомами только одного сорта. Для учета возможных кинетических неустойчивостей, возникающих в процессе роста твердого раствора,пообходнмо также учитывать наличие
РИС. 1. Эпитаксиалышй рост твердого раствора на вишшальвой грани, происходящий путем движения изломов и ступеней. (L - ширина террасы, >к - расстояние ыежду изломами, Dij - тензор коэффициентов диффузии адсорбированных атомов, J =г Ja+Jb~ поток атомов из газовой фазы).
атомов нескольких сортов на террасах.
Актуальность настоящей работы заключается в том, что в ней теоретически исследована термодинамическая неустойчивость объемных образцов полупроводниковых твердых растворов относительно образования неоднородных структур — концентрационных упругих доменов. Рассчитаны пространственные профили состава и периоды таких структур. Проведен анализ термодинамической устойчивости твердых растворов полупроводников А^В^ в упруго-анизотропных эпитаксиальных слоях на согласованной подложке по отношению к модуляции состава как в плоскости эпитаксиального слоя, так и в направлении роста. Показано, что термодинамически наиболее выгодными являются модуляции состава, локализованные вблизи свободной поверхности. Аналитически найдена длина локализации. Предсказана равновесная структура концентрационных
упругих доменов в эпитаксиальном слое. В этой структуре амплитуда модуляции состава твердого раствора максимальна вблизи поверхности и затухает в глубине эпитаксиального слоя.
Предложен механизм кинетической неустойчивости при эпитаксиальном росте твердого раствора, когда адсорбированные атомы движутся в поле упругих напряжений, обусловленном неоднородно-стями ранее выращенного твердого раствора. При этом дальнодей-ствующие упругие напряжения могут приводить к усилению неод-нородностей состава в процессе эпитаксиального роста. Критическая температура такой кинетической неустойчивости оказывается выше, чем критическая температура термодинамической неустойчивости.
Основная цель диссертационной работы заключалась в изучении возможных механизмов неустойчивости, приводящих к образованию структур с неоднородностью состава. Достижение поставленной цели включало следующие основные этапы,"
1. Теоретически исследовать равновесную структуру, получаю-
*
щуюся при распаде твердого раствора полупроводников в объемном образце.
-
Теоретически исследовать спинодальную неустойчивость твердого раствора полупроводников з эпитаксиальном слое, найти равновесную структуру, возникающую в результате распада.
-
Теоретически исследовать кинетические неустойчивости, возникающие в процессе эпитаксиального роста твердых раство-
ров полупроводников.
Научная новизна и практическая ценность работы
заключается в том, что в ней показана возможность существования концентрационных упругих доменов в твердых растворах полупро-.
водников А В . Установлено, что при распаде твердых растворов
в эпитаксиальном слое на подложке имеет место эффект локализации флуктуации состава вблизи свободной поверхности. Предсказана равновесная структура концентрационных упругих доменов в эпитаксиальном слое, при этом амплитуда модуляции состава твердого раствора максимальна вблизи поверхности и затухает в глубине эпитаксиального слоя. Предсказан новый вид кинетической неустойчивости твердого раствора, при которой дальнодействующие упругие напряжения приводят к усилению амплитуды модуляции состава в процессе эпитаксиального роста.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
В результате объемного разделения фаз в неустойчивых твер-' дых растворах полупроводников возникает система слоистых доменов с чередующимся составом твердого раствора. Найден период такой структуры.
-
При распаде неустойчивого твердого раствора полупроводников в эпитаксиальном слое на подложке наиболее неустойчивая мода флуктуации состава локализована вблизи свободной поверхности. Аналитически найдена связь периода модуляции состава и локализанионной длины.
-
Найдена равновесная структура, получающаяся в результате
распада твердого раствора в эпитаксиальном слое на подложке. Равновесный профиль состава твердого раствора вблизи свободной поверхности имеет резкие границы; в глубине эпи-таксиального слоя профиль состава становится плавным, а амплитуда модуляции состава убывает.
4. Показано, что при эпитаксиальном росте твердого раствора полупроводников может возникать кинетическая неустойчивость, при которой дальнодействующие упругие напряжения способствуют усилению пространственной модуляции состава. Найден критерий появления такой неустойчивости.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 15 Пекаровском совещании по физике полупроводников Львов— Донецк 1992, на 1 Российской конференции по физике полупроводников Нижний Новгород— Москва 1993. Работа неоднократно докладывалась на научных семинарах в ФТИ им. А.Ф.Иоффе.
Публикации. По теме Диссертации опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии. Объем диссертации составляет 112 страниц текста, в том числе 16 рисунков, 4 таблицы и список литературы, включающий 66 наименований.