Введение к работе
Актуальность теш. Быстрый прогресс интегральной оптики, разработка волоконно-оптических устройств с минимальной дисперсией и минимальными оптическими потерями, а также необходимость создания экологических детекторов промышленных и природных газов стимулирует освоение спектрального диапазона от 2 до 5 мкм.
Для создания источников и приемников излучения, рассчитанных на этот спектральный диапазон весьма перспективны узкозонные твердые растворы на основе соединений АЭВВ. Сюда относятся прежде, всего четырехкомпонентные твердые растворы CaxIni_JtAsy Sbt_y и InPxASySbi-x-y.. Термодинамика и кинетика взаимодействия фаз при получении их методом жидкофазной эпитаксии (1ФЭ) изучены недостаточно. Данные твердые растворы, как и многие другие, имеют широкую область термодинамической неустойчивости, в связи с чем становится актуальным анализ закономерностей межфазного взаимодействия вблизи границ и внутри области нестабильности.
В осваиваемый спектральный диапазон попадают и многие из пятикомпонентных твердых растворов (ПТР), В литературе имеются крайне ограниченные и противоречивые сведения об этих материалах. Не изучена термодинамика столь сложных систем, закономерности изменения физических свойств, особенности зонной структуры, не развиты теоретические модели ЖФЭ. Серьезным препятствием управляемому синтезу твердых растворов может являться наличие широких областей несмешиваемости, границы которых не определены даже в грубом приближении.
Несомненным достоинством пятикомпонентных твердых растворов является возможность независимого управления шириной запрещенной зони, периодом кристаллической решетки и температурным коэффициентом линейного расширения, что является определяющим при выборе материалов гетеропары и формировании гетероперехода со свойствами идеального контакта.
Целью работы явилось усовершенствование математической модели жидкостной, гетероэпитаксии многокомпонентных твердых растворов АаВБ, позволяющей достаточно эффективно управлять составом эпитаксиальш.^ елее»п свойствами формируемых гетерострук-ур.
Ъахц'мшинисоавгхчмы частями исследования, подчиненными
поставленной цели, явились:
анализ особенностей межфазного взаимодействия в четверньк ан-тимонидак системах;
выявление закономерностей гетерогенного взаимодействия между жидкой и твердой фазами в условиях термодинамической неустойчивости твердого раствора;
развитие интерполяционных методов расчета параметров твердых растворов на пятикомпонентные системы;
разработка методики расчета составов равновесных фаз и границ областей термодинамической неустойчивости для пятикомпонент-ных систем;
экспериментальное исследование гетерогенных равновесий в пя-тнкомпонентных системах.
Научная новизна работы.
1. Исследована поверхность ликвидуса системы InPAsSb/InAs
применительно к условиям Ш. Экспериментально подтверждено об
разование переходного слоя на границе "многокомпонентная жидкая
- бинарная твердая фазы".
-
Экспериментально и теоретически исследована фаговая диаграмма системы G&InAsSb/GaSb в температурном диапазоне КФЭ. Экспериментально и теоретически обоснована возиохность синтеза тонких псевдсморфных гпнтаксиальных слоев, состав которых лежит внутри области термодинамической неустойчивости.
-
Интерполяционнш путем рассчитаны параметры зонной структуры гетеропереходов в системе GalnAsSb/InAs. На основе экспериментальных и расчетных данных показано, что в диапазоне 0,73<х*1 гетеропереходы этого типа имеют энергетическую структуру с неперекрывающимися запрещенными зонами на гетарогранице.
-
Получены аналитические выражения, связывающие изменение периода решетки псевдо^орфного эпйтаксиального слоя с изменением состава исходной жидкой фазы с учетом анизотропии деформационных искажений гетероструктуры. Установлено, что днлатавдонная реакция решетки твердого раствора на Изменение состава кристаллизационной среды резко, усиливается по мере приближения солиду-са гетерогенной системы к границе области спииодального распада. Выявлено также, что вблкзи границ и внутри области термодинамической неустойчивости резко усиливается дилатационная чувствительность системы к флуктуацияы температуры роста и резке
падает скорость кристаллизации слоев.
5. Исходя из общего критерия устойчивости термодинамической системы по отношению к диффузии компонентов получено уравнение спинодали для ПТР А3В с изовалентным замещением по узлам эбеих подрешеток. В приближении регулярного раствора рассчитаны зпинодальные изотермы ПТР применительно к условиям жидкофазной эпитаксии. Показано, что в изопериодных сечениях фазового пространства, соответствующих подложкам бинарных соединение, су-цествуют протяженные области термодинамической нестабильности.
6; В приближении регулярного раствора получены уравнения разовых равновесий жидкость-твердое для пятикомпонентных систем. Разработан алгоритм, написан и отлажен программный комплекс, позволяющий моделировать фазовые равновесия в пятикомпо-яентных системах. Впервые рассчитаны фазовые диаграммы пятиком-юнентных систем применительно к условиям ЖФЭ и проведено сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Гетеропереходы P-GaxIni_xAsySbi_y/n-InAs в диапазоне составов 0,73<х*1 имеют энергетическую структуру с неперекрыва-ощимися запрещенными зонами на гетерогранице и обладают линейной вольт-амперной характеристикой.
-
Дилатационная реакция решетки твердого раствора на изменение состава кристаллизационной среды резко усиливается по ssepe приближения солидуса гетерогенной системы к границе области термодинамической неустойчивости.
-
Получение изопериодных структур на основе ПТР-ов изова-їонтного замещения А3ВВ, согласованных с бинарной подложкой по температурному коэффициенту линейного расширения возможно только в следующих системах: GalnPAsSb/InAs; AlGalnAsSb/InAs; AlGa [nPSb/InP.InAs; AlGaPAsSb/InP.InAs; AlInPAsSb/InP.
-
В ПТР изовалентного замещения А3В при температурах 1ФЭ зуществуют протяженные области термодинамической неустойчивос-ги, причем критические точки всегда лежат на одной из граней разового пространства.
-
Присутствие сурьмы в многокомпонентной системе вызывает юявление при температурах ИФЭ областей, в которых изотермы іиквидуса терпят разрыв и получить твердый раствор невозможно.
_ 4 -
Практическое значение проведенных исследований состоит і развитии математических моделей гетероэпитаксии и распространении их на пятикомпонентные системы. Представленные в'диссертации инженерные методика расчета гетерогенных равновесий, шчис-лигельные программы позволяют прогнозировать результаты эпитак-сии в сложных системах, проводить корректировку режимов эпитак-сии и осуществлять оптимизацию технологического процесса формирования полупроводниковых гетероструктур. На основе предложенных методик расчета и экспериментальных результатов впервые дано систематическое описание термодинамических свойств и закономерностей изменения зонной структуры пятикомпонентных тверды? растворов в зависимости от состава, что позволяет оценить потенциальные возможности новой группы материалов при создании приборов полупроводниковой оптоэлектронкхи.
Аппробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканской конференции по . физико-химическим основам получения полупроводниковых материалов, Куляб, 1989 г.; на Всесоюзном семинаре по физико-химический свойствам многокомпонентных полупроводниковых систем, Одесса, 1990 г.; на III Европейской конференции по росту кристаллов, Будапешт, 1S91 г.і на VIII Всесоюзной конференции по росту кристаллов, Харьков, 1992 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 1С печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы, включающего 121 наименование, и приложения. Основная часть работы изложена на 116 страницах машинного текста. Работа содержит 34 рисунка, IE таблиц.
