автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка физико-химических основ получения многокомпонентных твердых растворов на основе InAs в поле температурного градиента

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Новочеркасский государственный технический университет

На правах рукописи

/

ШЕВЧЕНКО Андрей Геннадьевич

Ч

УДК 621.315.592:548.5

Разработка физико-химических ост получение многокомпонентных твердых растворов на основе ша5в поле температурного градиента .

05.27.06 — «Технология полупроводников и материалов электронной техники»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОЧЕРКАССК 1996

Работа выполнена в лаборатории физики полупроводников Волгодонского института Новочеркасского государственного технического университета.

Научный руководитель — доктор физико-математических

наук, профессор Л. С. Лунин.

Официальные оппоненты—доктор физико-математических

наук, профессор В. В. Кузнецов, —кандидат физико-математических наук, доцент И. П. Попков.

Ведущая организация — Физико-технический институт

имени А. Ф. Иоффе РАН, ' г. Санкт-Петербург.

Защита состоится « .^¿¿чД^р-Ги?_1996 г. в

•¿^асов на заседании диссертационного Совета К. 063.30.10 по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук в Новочеркасском государственном техническом университете по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « £. » ¿^г^д/■уал-л. 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

С. А. Горшков

Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы . В современных условиях развитая производства и новых технологий , с повышением требований к экологическим проблемам возникает необходимость создания более эффективных промышленных газоанализаторов , волоконно-оптических устройств с минимальными дисперсионными и оптическими потерями , малошумяших полупроводниковых структур . Для реализации данных задач уснешно

используются твердые растворы соединений А* В* [1] .

Многокомпонентные гетеросистемы , рассчитанные на узкозонный спектральный диапазон , имеют хорошо воспроизводимую реализацию на подложках 1пА$ {2] . Поэтому исследование физико-термодинамических возможностей получения новых эпитаксиальных слоев на бинарном соединении зрсенида индия и практическая реализация данных систем является актуальной задачей . Как и все многокомпонентные растворы , данные системы имеют большую пространственную область термодинамической неустойчивости , уточнение которой требует детального анализа . Использование метода зонной перекристаллизации градиентом температуры ( ЗПГТ ) с целью получения многокомпонентных полупроводников требует при описании модели фазовых равновесий учитывать эффект упорядочения мольных пар , возникающее напряжение на гетерограннцс , тепловые потоки и массоперенос , что дает более полное физико-математическое описание процесса .

При ЗПГТ возникает перераспределение собственных примесей в растущих слоях . , характеризуемое кристаллизационной очисткой и диффузионным легированием атомами элементов , содержащихся в жидкой зоне . Данная проблема практически не исследована для соединений А3 В5 на основе 1пАб и требует более полного подхода с математической и термодинамической точки зрения . Учет влияния процессов диффузии примесей из подложки по структурным дефектам слоя позволяет сделать существенные поправки при расчете .общего распределения примесей в полупроводнике . Использование математического аппарата теории возмущений дает возможность учитывать влияния различных сложных возмущений при прогнозировании процесса легирования и очистки.

Особый интерес представляет получение висмутосодержащих многокомпонентных соединений Л3/?5 на подложках арсенида индия для использования их в качестве материала фотоприемных устройств дальнего инфракрасного диапазона.

Цель работы . Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование возможности получения близких к идеальным гетероструктурам многокомпонентных твердых распоров' соединений А1 В* на основе 1пА* . Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- уточнение методики расчета термодинамических и электрофизических параметров МТР соединений А3В* на основе ГпАв с учетом упорядоченности и напряжений на гетерогранице и радиашюнно-кондуктнвного теплообмена в окрестности фронта кристаллизации ;

- теоретическое исследование поведения собственных примесей в МТР , используя матемаппескин аппарат теории возмущений для процессов очистки и легирования с учетом.влияния структурных дефектов;

- экспериментальная реализация некоторых из предложенных систем с одновременной проверкой уточненных теоретически полученных закономерностей , усовершенствование технических конструкций для процесса ЗПГТ;

- исследование люминесцентных свойств многокомпонентных твердых растворов соединений Л5/?5 на основе 1пА$ .

Научная новизна . Рассчитано распределение упорядоченных мольных долен н влияние их на параметр решетки и коэффициент термического расширения для шестикомпонентных твердых растворов.

На основе парной аппроксимации квазихимического приближения регулярных растворов разработан метод расчета фазовых равновесий с учетом эффекта упорядоченности , возникающих напряжений на гетерогранице , массопереноса , тепловых потоков применительно к условиям выращивания эпитакскальных слоев в поле температурного градиента.

Предложены приближенные методы для анализа термодинамической устойчивости , вычисления ширины запрещенной зоны многокомпонентных твердых растворов соединений А3В5 на основе 1пА$ .

Исследовано перераспределение собственных примесей цинка и теллура при одно и двухпроходнон очистке для четырехкомпонентных твердых растворов , пятикомпонентных твердых растворов и шестикомпонентных на основе 1пАя .

Предложен Метод возмущения , позволяющий получать решения при " сложных изменениях геометрических и термохимических параметров процесса ЗПГТ применительно к задачам очистки и легирования.

Рассмотрена диффузия из легированной подложки в зпитакснальные слон ЧТР, ПТР и ШТР с учетом влияния двумерных структурных дефектов .'

Исследован метод ЗПГТ для получения висмутосодержащих четырехкомпонентных и пятикомпонентных твердых растворов на подложках .арсенида индия.

Научнце положения . »ыносимыс на защиту.

I. Разработанный способ эпитаксии нз жидкой фазы в поле температурного градиента позволяет получать пятикомпонентные твердые

растворы <7(3.иа подложках 1пА$ н с использование« " сэндвича " труднореализуемые гетеросистемы , такие сак / 1пА$ с заданным распределение!! компонент ,

электрофизическими свойствами и повышенным кристаллическим совершенством гетерострухтуры.

2 . Предложенное термодинамическое описание фазового равновесия с учетом эффекта упорядоченности , радиацноино-кондуктнвного теплообмена в окрестности фронта кристаллизации , массопереноса и возникающих напряжений на гегерогранице , основанного на парной аппроксимации квазихимического приближения регулярных растворов , позволяет наиболее полно определить исходные данные для получения' твердых растворов заданного состава в поле температурного градиента .

3. Использование для процесса гомогенизации метода принудительного перемешивания расплава в магнитном поле с учетом тепловых и гидродинамических потоков дает возможность улучшить воспроизводимость многокомпонентных твердых растворов .

4. Применение метода возмушенни для расчета перераспределения собственных примесей и учет влияния структурных двумерных дефектов обеспечивает повышенную точность решения задачи о процессах легирования и очистки опираясь на полученные ранее экспериментальные результаты .

5. При введение шестого компонента ( аллюмпнкя) в ПТР образуется четырехмерное термодинамическое устойчивое пространство , которое включает в себя в пределе все устойчивые области ПТР , ЧТР . ТТР .

Практическое значение работы . Проведенные исследования показывают , что возможно получить высококачественные многокомпонентные полупроводниковые соединения А1 В' на основе 1лА$ для газоанализаторов с одновременно согласованным параметром решетки п КТР на гетерогранние при условии термодинамической устойчивости 311И (аксиально! о слоя Оя1пР5ЬА$/1пА$ . Данное соединение имеет больший диапазон но сравнению с Ч'ГР . Показана возможность получения

методом ЗПГТ труднореализуемых гггс-росгруктур , таких как 1пА^ЬВ|/1пЛ* . Предложенный мегод возмушения для расчета задач легирования и очистки позволяет прогнозировать результаты технологических процессов с большей точностью на основе уже имеющихся и может быть перенесен на другие соединения . Предложенное консфукционно-зехничесхое решение вопросов гомогенизации позволяет улучшить качество получаемых гетероструктур .

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались н обсуждались на семинарах лаборатории физики полупроводников ВИ НГТУ , проблемной лаборатории микроэлектроники ИРГУ , ВНИИ Неорганических материалов , Всероссийской научно-технической конференции с международным участием по актуальным проблемам . твердотельной электроники и микроэлектроники ( г.Таганрог , 1994 г.) , Научной хонференши! ХХ-е Гагаринскне чтения ( г. Москва , 1994 г.) , Втором Российском научно-техническом семинаре " Водород в металлических материалах" ( г. Москва , 1994 г. ) , Российской научно-технической конференции по новым материалам и технологиям ( г. Москва , 1994 г. ), Научной конференции " XXI -е Гагаринскне чтения " ( г.Москва ,

1995 г. ) , Х-конференции по химии высокочистых веществ ( г. Нижний Новгород , 1995 г. ) , Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием по актуальным проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники ( г.Таганрог , 1995 г. ) , Международной научно-практической конференция " Г1ьезотехника-95"( г.Азов , 1995г.) , Российской научно-технической конференции по новым материалам и технологиям ( г.Москва , 1995 г ).

рублихаияи . По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Основные результаты работы получены автором самостоятельно . Л.С. Луниным осуществлены постановка задачи исследования к постоянное обсуждение результатов исследований . И.А.Сысоев оказывал помошь в постановке экспериментов к участвовал в обсуждении работ . Ю.И.Ершов принимал участие в обсуждении математического аппарата , О.Д.Лунина участвовала в обсуждении физико-технических проблем третьей главы. Ф.Г.Решетник , Л.Н.Коновалов , Т.Г.Аскарян участвовали в обсуждении второй главы . Качественный и количественный анализ МТР проведен в ВИМСЕ С.В.Курдкжовым.

Объем работы н ее структура . Диссертация состоит из введения , четырех глав , выводов , содержит 140 страниц машинописного тек па , 161 иллюстрацию , 10 таблиц . Библиография включает 112 наименовании .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы , сформулирована основная цель , представлена научная повита и практическая значимость , изложены основные положения , выносимые на зашнгу.

В первой главе проведен критический анализ многокомпонентных твердых растворов соединений Л3В5 на основе 1пА$ ; обсуждены достоинства и характерные недостатки , возникающие при использовании трех и четырехкомпонентных гетероеиезем . Рассмотрены основные пришиты интерполяционной методики расчета электрофизических параметров многокомпонентных эншакснальных слоев . Рассмотрены вопросы фазовых превращений и зсрмодинамической устойчивости , г-опросм перераспределения собственных примесей .задачи легирования и очистки . Обоснована постановка задачи исследования .

01мечастся , что трехкомпонентные соединения 1пА&5Ь/1пА& , С!а.\&Я1»/1пА5 н четмрехкомнонентные твердые растворы Са1пА$5Ь/1пА5 , 1пР-А*5Ь/1пА$ хорошо изучены и практически реализованы в светодиодах н полевых малошч'мяшнх транзисторах . Пятнкомпонентные гетероснсземы на основе 1пА* исследованы только теоретически .Увеличение числа компонент в соединениях позволяет получать бездефектные структуры при независимом регулировании их параметров ( ширины запрещенной зоны ,

параметра кристаллической решетки , коэффициента термического расширения , показателя преломления ).

Обсуждены методы расчета фазовых диаграмм . Показано , что наиболее приемлемой является модель регулярных растворов парной аппроксимации квазнхнмического приближения , где концентрации бинарных соединений в многокомпонентных твердых растворах принимаются ' равными концентрации пар ближайших соседей , входящих в эти соединения . Данный подход позволяет учитывать влияние эффекта, упорядочения и. возникающие напряжения на гетеропереходе на электрофизические свойства и термодинамическую устойчивость .

Рассмотрена задача о перераспределении собственных примесей в соединениях AlBi , решенная для ТТР . Отмечено , что процессы легирования н очистки , характеризуются сложными геометрическими и физико-химическими изменениями , происходящими при зонной перекристаллизации полупроводинховых гетероструктур в градиенте температур , и требуют более точного физико-математического подхода , основанного на теории возмущений . Анализ литературных данных показал , что диффузионные процессы примесных элементов из подложки с учетом влияния структурных дефектов слоя не были полно рассмотрены .

Легирование многокомпонентных гетероструктур соединений А1В5 висмутом дает возможность реализации узкозонных полупроводников , отвечающих требованиям для решения экологических задач . Получение ЧТР с Ш позволяет управлять шириной запрещенной зоны . Поскольку тяжелый элемент , то в процессе роста слоя может происходить ликвация раствора-расплава по удельной массе , что обуславливает изменение скорости роста слоя.

Во второй главе уточнены параметры для расчета термодинамических функций , проведены расчеты распределения упорядоченных мольных долей с учетом возникающих напряжений на гетеропереходе , рассмотрено влияние упорядоченности на параметр решетки' слоя и коэффициент термического расширения . Предложены приближенные "методы расчета термодинамической устойчивости многокомпонентных систем , а также и классический" метод устойчивости . Получены в. явном виде выражения для спинокдальных изотерм ПТР и ШТР . Рассчитаны фазовые равновесия с учетом массопереноса и радиацнонно-кондуктншюго теплообмена в окрестности фронта кристаллизации , эффекта упорядоченности и возникающих напряжений на гетерогранине .

Дтя расчета фазовых равновесий и других термодинамических параметров в многокомпонентных системах А3В5 в данной главе был развит квазихнмический метод парного взаимодействия для регулярных растворов , где концентрации бинарных соединений принимаются равными концентрациям ближайших пар , входящих, в раствор. Любая физико-математическая модель является лишь определенным приближением к описанию реальных процессов н использует ряд определенных констант , которые хорошо работают в определенной области . Для уточнения термодинамических параметров использовался вариационный принцип отбора возможных решений . Полученные на основе данных поправок

термодинамические функции являются более точной аппроксимацией экспериментальных данных для соединенней на подложке ¡пАв .

Для расчета распределения мольных долей ближайших соседних пар при термодинамическом равновесии производилась минимизация свободной энергии Гельмгольца с учетом .возникающих напряжений на гетеропереходе , что позволило ' уточнить полученные значения упорядоченных мольных

пар.

о.1 о.а о.э о. л о.э Зависимость отношен» ■ от X два А1 »1

у = 0.12.г = 0.05.к = 0.15 Т«эгЗК

хАО хВЕ хСб I--;2---—; 3-—-—~Г.—

хАЕ

*У от у

1 .хАП *У

Ук 0.08. г хВЕ

Ук

(1-х-уЦМ-к]

• о.о5, к = о.15 т = згзк хСв

;э--————

хк

хАЕ хк

(1-х-у1П-г-Ч Рмс.1

На рисунхе I показана зависимость отношений упорядоченных мольных долен х случайным от состава для ШТР . Знание зависимости отношений упорядоченных мольных долей к случайным от изменения количественного состава твердых' растворов н вариации температуры получения позволяет "делать предварительные выводы о возможных трудностях при получении твердых растворов . Были получены нзоконцетрацнонные профили для всевозможных многокомпонентных соединенней А3 В5 на основе 1пАв ( ПТР , ШТР ) . Исходя из условий устойчивости многокомпонентной системы по отношению к бесконечно малым возмущения, с учетом упорядоченности и возникающих напряжений на гетеропереходе были предложены приближенные методы определения устойчивости гетеросистем . Тик же были получены в явном виде уравнения устойчивых облип си твердых растворов ПТР и ШТР, исходя из классического определения устойчивости по отношению к "диффузии " в рамках модели регулярного раствора . Для определения положения спнноидальных изотерм с учетом уравнений Гнббса-ДюгсМма для ШТР достаточно решить уравнение:

+/*чО<| ~ +А^У ~ Ал"« ) + +а.(А22А»-(Л,)2))=о

, где - частные производные химического потенциала мольной пары по мольной доле . Показано , что в случае шестикомпонентных твердых растворов возникает четырехмерное устойчивое пространство. При ПТР - трехмерное . И прямое сравнение величин устойчивых областей ПТР и ШТР некорректно , так как устойчивые пространства шестикомпонентного раствора включают в себя в пределе устойчивые области пятикомпонентного раствора . В устойчивые области пятикомпонентиой гетеросистемы входят устойчивые плоскости четырехкомпонептных систем

ОСиагтк сп«моио»»м«ого раслана черного растнара AlxGey1n1-*>PiSbk Asi -г-k/ InAs ж = 0.05; z = 0.04 при раз*ичмои температуре

1-т = эгзк г-т = югзк з-т = пгз1С p*c.z

На рисунке 2. показаны области спнноидальиого распада твердого раствора AlxGavln(.x.yPzSbi;As|.z.V; при х = 0.05, z = 0.04 в разрезе (к, у) в зависимости от "температуры. С увеличением температуры, как и следовхю ожидать, область неустойчивых значений сужается, но , как и для пятикомпонентного твердого раствора , в начале фазового пространства не происходит сколько-нибудь заметного изменения устойчивого пространства .

Получены уравнения для определения ширины запрещенной зоны с уточненными входными параметрами и учетом эффекта упорядоченности, позволяющие наиболее точно описать изменение Eg для

многокомпонентных твердых растворов соединений Л*В5 на основе InAs . Для шестикомпонентного твердого раствора ширина запрещенной зоны представима в виде:

Efdx,y,:,k) = xAD+ -хАЕ+ Eg4tJ -xAG + EgBB xBD+

+Л(с,й,, • \ВО+ еЛВЕ ■ хВЕ+£лва ■ XПС) +}{сеС0 лС£>+ сВСЕ • д;СЕ+ свсп ■ хСО + +(1 - .V - >)(с,п> •хС0+ сАЫ ■ хСЕ + еЛС{1 ■ хСО) +'

хАЕ + £юс ■ хВЕ■+есх,е ■ хСЕ) +к(сАВг хЛО + £Ш1 ■ лВС+ ес£3 ■ хСО) + +(!--- к)(слоа -хА О +• ся!ю • хВО+ ссйо ■ хСО)

, где Xу -упорядоченные мольные доли £К -параметры нслиненностн для к-

го соединения, ЕК -ширина запрещенной зоны к-го соединения.

Описание процесса кристаллизации полупроводниковых гетеросгруктур в поле градиента температур и расчет фазовых' равновесий далеко не тривиальная задача. Так как сам процесс не является равновесным, и основное правило, которому удовлетворяют равновесные процессы (•гас/Т-О не выполняется. Поэтому решали систему уравнений фазового равновесия с учетом массопереноса и радиационного отвода тепла т жидкой фазы в твердую , эффекта упорядоченности , возникающих напряжений на гетеропереходе . Коэффициенты диффузии отдельных элементов в многокомпонентной среде определялись исходя из значений диффузии данного атома к растворителю зоны и но исходным данным диффузии в бинарных соединениях в определенном температурном интервхче.

В третьей главе рассмотрена одно и двухпроходная очистка ЧТР и ПТР 01 собственных примесей ZI\ и Те . Применен метод возмущения к задачам очистки и легирования . Проведены расчеты диффузии примесных элементов легированной подложки в полупроводниковую гетерострук гуру с учетом влияния двумерных дефектов .

При ЗПГТ неизбежно происходит перераспределение собственных пркмессй , содержащихся в полупроводниковых материалах , используемых в качестве подложки и источника . Получить точное, решение данной задачи не представляется возможным , так как псе величины , входящие в уравнение переноса .имеют достаточно сложную зависимость от геометрии и температуры . Одна нз основных величин , влияющих на процессы легирования и очистки есть коэффициент распределения примеси к(х) , который корректно определен только для бинарных соединении . Исходя и? этого и учитывая , что при ЗПГТ получаются иаризопные структуры ( изменение по координате влечет за собой и изменение концентрации элементов ) , предполагаем , что в малом интервале температур коэффициент распределения для МТР можно аппроксимировать

< г;

следующим образом : к - £ £(*'/•*•/) , где к у- коэффициент распре-

ы л г» и

делений ятя бинарных соединений . При известной концентрации мольных долен по зкеперимешатшым или вычисленным точкам для определения к(х) в промежуточных значениях была использована аппроксимация снлайн-ф>нкииямп . Содержанке примеси а перикрнстадлизованном слое можно наши из следующего выражения : С(х)=к(х)у(х)/(1(х)5(х)) , где Б ,! -поперечное сечение н толщина зоны ( аппроксимируется , исходя из начальных условий процесса ). Содержание примеси в зоне было получено решением интегральных уравнений модифицированным методом Ньютона-

Котеса , что позволило увеличить достоверность решения . Данная методика дала хорошее согласование с экспериментальными данными на примере перераспределения собственных примесей Zn, Те для соединения AlxGaUxAs!GaAs . Концентрационные профили собственных примесей Zn ,Те были рассчитаны для растворов GaxInl_xSbyAsi,y /InAs , GaJi^xSbyP:As)_y_J InAs и Al ,Ga Jnx_^ySb1PkAsx,!_k I InAs

перпендикулярно поверхности подложки при прямом и обратном движении зоны с температурой на разделе слой-зона Т=650 С.

Пергрдспрсаегг-че пр—«*г* Гп ( 1 ) и Тс

дм aJGaiaSbP/-» / JftSs up* np»«c* aa«*ct>n*

MDipBlHUrt Zn Ге (»>•*»»« 3 I

. p»c.3

Ма рисунке 3 . показано отношение получаемой концентрации к исходной собственных примесей Zn ( кривая 1,4) и Те ( кривая 2 . 3) для соединения AlGalnShAsP при возратнопосгупательном движении зоны . Процесс проводили при Т=650°С и L=700 мкм . Покачано , что ЧТР , ПТР , ШТР подвержены более глубокой очистке , что связано с улучшенными параметрами кристаллического совершенства. Причем , з начале слоя раствора I/iGa/USI> /InAv очистка теллура проявляется лучше, чем для InGa/lsSbP/InAs, но к концу очищенного слоя степень очистки ПТР выше, чем у ЧТР. Как говорилось выше , при очистке и легировании происходят достаточно сложные геометрические и термохимические изменение всех параметров, и решение такой задачи обычными методами не дает желаемых результатов . Поэтому был использован аппарат теории возмущении дли выяснения влияния различных изменений на процесс перераспределения примесей . Любое изменение коэффициентов распределения примесей , изменение геометрии процесса S(x) , 1(х), структуры оператора переноса ( его аппроксимация , изменение скорости растворения , скорости движения зоны) интерпретировать как возмущение. И сои решение невозмушенной задачи записать как y(x)=R(X,A)H(x) , то возмущенное решение можно найти ,

исходя из выражения при условии

|<Ц < 1 / |Л(Л. , где 5А - возмущение.

Проделанные расчеты показали , что наибольшее влияние на степень очистки имеют три фактора . Это возмушеиие длины , плошади поперечного сечения зоны и коэффициента распределения для всех соединений Саж]г\_х8Ь>Аь[_у 11пАх , Са11п^,}15ЬуР,Аз1.у.г 11пЛх А1 ,ба >1п1.х.у5Ь1РкАх,.,.к / 1пАз . Установлснно , что при обратном проходе зоны происходит сглаживание влияний возмущений возникающих при прямом проходе . При возмущении отношения и / V скорости испарения летучих элементов к скорости растворимости не меняется характер поведения концентрационных профилей , а только сдвигается вверх или вниз относительно невозмущенного состояния . Уменьшение данного отношения ведет к улучшению процесса очистки . Возмущение плошади поверхности расплава Б . контактирующего с газовой средой , влечет за собой изменение в одну десятую процента концентрации примесного элемента.

Реакция раслрсдеяенмя Zn ря обратного движения »они я AJGeir.SbF'Af; / !г\Ль, когда при прямом походе зоны случайно аоэиущаяась кянцектрацкя лрммес* в зоне с обратной яиплигудан 2 (IJ.5 PJ ,1<>Р1. 30(4) .Ь-иеаоамущгнное ипв»«с

рис.4

На рисунке 4 показана реакция распределения содержания Zn в AlomGuumJ'kwShioys-ASowfaooi IInAs при прямом движении зоны со случайным ■ возмущением концентрации примеси с обратной амплитудой . Как видно по рисунку , обратный проход сглаживает возмущения , все кривые , соответствующие возмущениям , стремятся к невозмушенному решению .Процесс проводился при Т=650°С, ß=0,01 , у=0,5 . Данное возмущение можно интерпретировать как смешенное изменение / , S , S' , u/v . Возмущения программировали функцией псевдослучайных чисел . При обратном проходе решение имеет

устойчивый вид для любых видов возмущений в промежутках ЧТР Те -I , дляПТР Те - 0«5Ь/Ь «¡2,5 гпО^Ь/Ь £2

; для ШТР Те - 0 £ Ь / Ь £ 2,85 2п 0 £ Ь / Ь £ I , что объясняется наиболее сильным влиянием кристаллизационного оттеснения на начальном этапе формирования эпнтаксиальных слоев .

Тонкопленочные полупроводниковые гетеросистемы имеют большое отношение поверхности к объему , градиент состава , структурные дефекты и , как правило , далеки от " идеальной " кристаллической структуры . А диффузия примеси в значительной мере определяется структурными характеристиками материала . Внутренние границы раздела , дефекты служат основными путями для ускоренного протекания диффузии примесных элементов , и пренебрегать влиянием этих факторов нельзя . В литературе не имеется данных по этой проблеме для соединений А1 В5 . Поэтому исходные данные для значения диффузии по структурным дефехтам находились из экспериментальных работ по тройным соединениям , оказалась , что величина диффузии по двумерным дефектам прн температуре 0.6 температуры плавления твердых растворов больше, чем обыкновенная величина диффузии на шесть порядхов.

Концентргцкошше профи«* саСепснион прихес* ¡да AIGtlnChPAi / laAs и Те с учетоив«н»т«_дву*ернц1х веагстав при Сезраэиернои »реме**. Криоые1,Т*- №10 .2.2'- МО ;аЗ: НБЧОГСц.чфрисо шрихом соотаетсауягТе)

Put. 5

Задача о диффузии в тонких пленках сложна и точное решение существует лишь для ограниченного числа идеальных случаев , но уже учет получаемых прн этом поправок дает неплохое приближение к экспериментальным результатам . Предположив , что двумерный дефект представляет собой прямоугольный слой толщиной 0.7 им и расположен перпендикулярно поверхности легированной подложки , были рассчитаны концентрационные профили собственных Zn и Те для ЧТР, ПТР , ШТР . На рисунке 5 изображено поведение концстрационного профиля собственной примеси Zn и Те для AlGalnSbAsP при температуре диффузионного отжига 0.8Тпл слаболегированной подложкой InAs . По оси абсцисс отложен десятичный логарифм средней концентрации , а по оси ординат- отношение координаты к толщине слоя . Поднятие кривых в оконечном слое соответствует иахопленшо примеси и отражающей

способности тыльной стороны образца . Полученные результаты позволяют учитывать влияние двумерных дефектов на диффузию из подложечного материала и более полно представлять процессы легирования и очистки в многокомпонентных твердых растворах .

В четвертой главе приведены и обсуждены результаты работ по получению и исследованию гетероструктур Оа1п5ЬА$/1пА5 Са1пР5ЪА5/1пА$ , 1пАб5ЬВ1/1пА$ , реализованных методом ЗПГТ . Рассмотрено конструкционно-техническое решение процесса гомогенизации . Представлены исследования фоголюмннесценгных свойств полученных эпнтакснальных слоев ; выявлены закономерности по применению теоретических предложений по практической реализации многокомпонентных твердых растворов соединений Л* В5 На основе 1пАб .

Установлены требования , которым должно отвечать оборудование для получения гетероснстсм А>ВЬ методом ЗПГТ . Этим условиям отвечает модернизированная промышленная установка " Радуга " с терморегулятором прецизионным программным РИФ-101 и кассета сдвигового типа , позволяющая совмещать несколько технологических циклов ( гомогенизацию , предварительное насыщение с подложки . смачивание , послеростовой сдвиг ) . Разработанная методика получения МТР и эксперименты показали , что использование многокомпонентной шихты ведет к значительному затруднению гомогенизации расплава . В процессе получения растворов может произойти спонтанная кристаллизация , как результат взаимной несмешиваемости А1 и 1п , А1 и Са . Увеличение температуры процесса гомогенизации ограничено температурой • плавления подложки Поэтому было предложено усовершенствование конструкционного исполнения технологической кассеты , которое позволило в процессе гомогенизации использовать принудительное перемешивание расплава в магнитном поле . На рисунке 6 показано техническое решение данного метода .

1

4

г

Тгхкигзягинии шиш. 1-с7Ышха, 1-есп»а£«, ^-«гтпп&а, 4-игв1]гади, 5-v.ff--.LUn:., С-сзш*а, с;схоях1 гатагеккифвзвг&й рыгшя.

Ряс.Б

Определены оптимальные температурно-временные режимы для полумения твердых растворов GalnPSbAs/InAs , InAsSbBi/lnAs в поле температурного градиента . В качестве источника и подложхн использовались монокристаллы соединений InAs , ориентированных в плоскости {111} , как нелегированных ИМЭП-0 , ИМЭ , так и легированных теллуром и цинком ИМЭТ-1 , ИМДЦ-3 , где концентрация основных носителей заряда при 77 К колебалась в

интервале менее 3-Ю16 и более 1018 с xf3 . Величина температурного градиента варьировалась от 10 до 100 град/см . Толшпна зоны менялась в интервале 500<:|<1000 мкм .

Исследовано распределение компонент в многокомпонентных слоях

GaJt^.P^Sb^A^.,,, I InAs( 0.008<z<0.0!6 , 0.002<х<0.008 , 0.018<у<0.078 ) . InAs,ShfBit_x_r I InAs ( 0.018<х<0.024 , 0.936<x<0.962 ) однородных и

варнюнных по составу . Выявлены основные факторы , влияюшне на степень соответствия рассветных и экспериментальных данных фазовых равновесий . Количественный и качественный анализ получении гетероснстем производился на мнкрорентгеноспектралыюм анализаторе " Camebax ".

Определены закономерности скорости роста данных твердых растворов . Установлено , что существенное влияние для ЧТР И ПТР на скорость роста играет количественное содержание мышьяка и фосфора . Для висмутосодержащих растворов сурьма . Использование конструкции " сэндвича" , ограниченного графитовыми кольцами , снижает испарение летучих компонент н увеличивает скорость роста слоев . Средняя скорость получения гетероснстем для ПТР составляет 1,98 мкм/мнн , для ЧТР 2,13 мхм/мин .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Одна из основных характеристик , присущих многокомпонентным твердым растворам, состоит в том , что отношение упорядоченных

■ мольных пар к случайным стремится к единице с увеличением температуры получения твердого раствора . Наименьшей зависимости от температуры подвержены отношения упорядоченных мольных пар для

шестнкомпонентного твердого раствора . .

2. Изокониентрлцпонные профили ШТР АЮа1пР8ЬА5/1пА$ имеют веерообразную форму в плоскости (г,у).

3. Получены приближенные методы , позволяющие определить в первом приближение устойчивые термодинамические области многокомпонентных твердых растворов на основе 1пА$ , даюшие хорошо согласованные результаты с экспериментальными данными вдоль изопериодических плоскостей в начале фазового пространства . Используя " классическое " определение устойчивости , получены в явном виде уравнения спнноидальных изотерм -с учетом гетеронапряжений и эффекта упорядоченности для МТР на основе 1пА*. При определении устой':: ',:х

областей в МТР необходимо говорить о пространственном определении устойчивости.

4. Рассчитаны фазовые равновесия с учетом массопереноса , тепловых потоков , возникающих напряжений на гегерогранице " слой-подложка " , упорядоченности , что дает более полную картину происходящих процессов при получении МТР методом ЗПГТ.

5. Показано , что с увеличением числа компонент в твердых растворах 1пОаА$5Ь/1пА5 , !пОаА$5ЬР/1пАз , АПпОаАвБЬРЛпАв растет и степень очистки от собственных примесей Тс и 7л к окончанию очищаемого слоя , что связано с улучшением кристаллического совершенства полупроводниковых гетеросистем .

6. Примененный метод возмущения позволяет решать задачи очистки и легирования эпнтакснальнш слоев при сложных геометрических и термодинамических возмущениях , и интерпретировать полученные результаты как возмущения того или иного род а .основываясь на ранее полученных результатах .

7. Найдены значения средней концентрации примесных элементов в полупроводниковом слое соединений А>В> из легированной подложки ¡пАб с учетом влияния двумерных дефектов . Показано , что примеси имеют свойство накапливаться у тыльной стороны слоя и концентрационный профиль Те имеет более резкие очертания в начале слоя .чем цинка.

8. Предложенное конструкционно-техническое решение процесса гомогенизации , используя принцип гидродинамической неустойчивости в жидкой зоне , возникающей в результате взаимодействия пропускаемого тока с поперечным магнитным полем, позволяет уменьшить температуру гомогенизации до температуры процесса ЗПГТ , уменьшить время гомогенизации и качественно улучшить последнюю.

9. Экспериментально реализованы в поле температурного градиента и исследованы соединения Оа1пР5ЬА5/1пА5 , 1пАх$ЬВ1.ЧпА5 на концентрационную зависимость коэффициентов распределения .

Основные результаты опубликованы в работах :

1. Л.С.Лунин , А.Г.Шевченхо Применение метода возмущений для расчета фазовых равновесий в многокомпонентных твердых растворах // Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием , Таганрог, 1994,4.1.,с 13 .

2. В.Н.Лозовский , Л.С.Лунин , В.В.Казаков , А.Г.Шевченко Физико-химические основы технологии многоканальных фотоприемииков на основе пятикомпонентных соединений Л3Л5 // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции " Технологические процессы и материалы приборостроения и микроэлектроники" , Москва, 1994, с .7.

3. Л.С.Лунин , В.В.Казаков , И.А.Сысоев , А.Г.Шевченко Взаиморастворенне А1 »Са в агмосфере чистого водорода при ЗПГТ // Тезисы докладов Второго Российского научко-гехнического семинара "Водород а металлических средах" , Москва , 1994, е.7

4. Л.С.Лунин .А.Г.Шевченко Технология получения многокомпонентных материалов электронной техники из жкдхой фазы в поле температурного градиента II Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции , Москва , 1994 , с 56.

5. Л.С.Лунин .А.Г.Шевченко Получение и исследование

многокомпонентных твердых растворов А3В* методом ЗПГТ для авиакосмической техники // Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции , Москва, 1995, Ч.З , с 13.

6. А.М.Семенцев, А.Г.Шевченко , А.Ю.Смолин , А.Н.Колесников , М.Е.Голубева Повышение надежности и ресурса узлов ЛА посредством лазерной обработки II Тезисы докладов молодежной научно-технической конференции, Москва, 1995 , 4.1 ,с8.

7. Л.С.Лунин , В.А.Овчнннков , А.Г.Шевченко , В.В.Казаков Особенности локальной кристаллизационной очистки многокомпонентных полупроводников методом движущегося растворителя II Тезисы докладов X конференции по химии высокочистых веществ , Нижний Новгород ,1995 ,с.17.

8. Л.С.Лунин , В.А.Овчнннков ,О.Д.Лунина , В.И.Ратушный , А.Г.Шевченко Пятикомпонентнме твердые растворы соединений А1В> -полые материалы электронной техники II Труды докладов Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием , Таганрог, 1995,с 54 .

9. Л.С.Лунин , В.И.Ратушный , А.Г.Шезченк о , В.В.Казаков Пятнкомионенгные твердые растворы // Сборник трудов Международной научно-практической конференции " Пьезотсхннка -95",т1,1995,с46-53.

10. Л.С.Лунин , А.М.Семенцев , В.А.Овчнннков . А.Г.Шевченко Влияние лазерного воздействия на эксплуатационные характеристики материалов // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции "Технологические процессы и материалы приборостроения и микроэлектроники ", Москва, 1995 , с .12.

11. Л.С.Лунин , А.М.Семенцев .Т.Г.Аскарян , А.Г.Шевченко Влияние эффекта упорядочения мольных долен ближзиших в многокомпонентных системах АЗВ5 на основе 1пА* // Тезисы докладов Российской научно-технической конференции "Технологические процессы и материалы приборостроения и микроэлектроники", Москва, 1995, с .9.

Цитирсггкная литература:

!. В.НЛозовсхнй , Л.СЛуннн Патикоыпоненише твердые растворы

соединений А3В1 ( Новые материалы оптоэлектронихн ) Ростов-на-Дону 1992

2. В.В.Кузнецов , П.П.Москвин , В.С.Сорокин Неравновесные явления при жидкофазной гетероэпитаксии полупроводниковых твердых растворов . Москва "Металлургия", 1991.