автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Зонная перекристаллизация градиентом температуры в многокомпонентных системах на основе антимонида индия

^ о?

Министерство общего и профессионального образования РФ

Новочеркасский государственный технический университет

ЕЛАГИН Анатолий Вячеславович

УДК 621.315.592:548.

ЗОННАЯ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ГРА Г' ТЕМПЕРАТУРЫ В МНОГОКОМПОК СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ АНТИМОНИДА ИНДИЯ

05.27.06 - "Технология полупроводников и материалов электронной техники"

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОЧЕРКАССК 1996

Работа выполнена в лабаратории физики полупроводников Волгодонского Института Новочеркасского государственного технического университета.

Научный руководитель Оффициальные оппоненты

- доктор физико-математических наук, профессор ЛУНИН Л.С.

- доктор технических наук, профессор ПОПОВ В.П.

- кандидат физико-математических наук, С.И.С. КЛЕВЦОВ АЛ.

Ведущая организация

Г

• Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится " ¿<у " к^^ъЬ?Л 1996 года в /О часов на заседании специализированного Йовета К 063 30.10 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Новочеркасском государственном университете по адресу: 346400, г. Новочеркасск Ростовской области, ГСП -1, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан О'^тиХ рг*- 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент

С. А. ГОРШКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие электронной техники в настоящее время связано с разработкой эффективных технологий получения совершенных полупроводниковых материалов и приборов на их основе, а также способов изменения их оптических и электрофизических свойств.

В оптоэлектронике заметную роль играют многокомпонентные твердые растворы (МТР) на основе соединений А3В5 [1]. Использование прямозонных полупроводников на основе антимонида индия 1п5Ь позволяет значительно повысить чувствительность и быстродействие фотоприемников. Гетероструктуры 1пАз5Ь, 1пАз5ЪВ1, изопериодные с подложкой ЬтЗЬ, привлекают все большее внимание в качестве оптоэлектронных устройств дальней ИК области спектра ( Л > 8 мкм)[2]. Однако при их практической реализации не решается проблема одновременного согласования параметров решетки слоя и подложки (а) и коэффициента термического расширения (КТР). Наличие пяти компонентов в растворе позволяет управлять тремя параметрами полупроводникового кристалла: энергией запрещенной зоны (Еь), параметром решетки и КТР. С этой точки зрения интерес представляют пятикомпонентные твердые растворы (ПТР) 1пОаА55ЬВ!/1п5Ь, на основе которых можно получать более совершенные гетероструктуры с минимальным количеством дефектов на гетерогранице, что делает их наиболее перспективными материалами и позволяет существенно улучшить электрофизические свойства приборов на их основе. К началу настоящей работы в литературе имелась ограниченная информация по исследованию и реализации гетероструктур ГпАзЗЬВШпЭЬ, полученных методами жидкофазной эпитаксии. Сообщений о получении МТР ЫОаАзБЪ, 1пАз8ЬВ1 и 1пОаАз5ЬВ1, изопериодных антимониду индия, методом зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ) не было. Метод ЗПГТ характеризуется малым пересыщением на фронте кристаллизации, высокой изотермичностью и низкими значениями концентрационного переохлаждения, что позволяет выращивать совершенные эпитаксиальные слои, как варизонные, так и однородные по составу[3]. Поэтому тема диссертационной работы является актуальной с научно-исследовательской и с практической точек зрения.

Цель работы. Целью работы является исследование многокомпонентных гетероструктур на основе антнмонида индия, полученных из жидкой фазы в поле температурного градиента для улучшения параметров и характеристик оптоэлектронных приборов. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ фазовых равновесий многокомпонентных гетеросистем с учетом неравновесных явлений на фронте кристаллизации;

- исследование атомно-молекулярных процессов кристаллизации многокомпонентных полупроводников на основе ЬгёЬ;

- выбор и разработка технологии выращивания гетероструктур на подложках антимонида индия;

- экспериментальные исследования кинетики роста эпитаксиальных слоев (ЭС);

- анализ распределения компонентов в многокомпонентных твердых растворах;

- исследование возможностей получения варизонных и однородных по составу слоев методом ЗПГТ;

- исследование структурного совершенства полученных гетероструктур;

- экспериментальное исследование фотошоминесцентных свойств многокомпонентных полупроводников, изопериодных 1п5Ь.

Научная новизна работы.

- Проведен термодинамический расчет физико-химических равновесий в исследуемых гетеросиетемах, позволяющий определить изопериодные составы существующих жидкой и твердой фаз.

- Впервые исследован метод ЗПГТ применительно к четырех- и пятикомпонентным твердым растворам ГпОаАзБЬЯпЗЬ, 1пАз8ЬВШп5Ь и ¡пОаАБЗЬВШпЗЬ.

- Теоретически и экспериментально исследованы закономерности роста ЭС пятикомпонентных твердых растворов ТпОаАзЗЬВь Определено влияние состава подложки-источника, величины градиента температуры, толщины жидкой зоны на процесс кристаллизации исследуемых полупроводниковых слоев.

- Проанализированы процессы зарождения многокомпонентных ЭС на основе 1пЗЬ, определена функция распределения индукционного периода многокомпонентных твердых растворов, проведено сравнение расчетных и экспериментальных результатов по структуре и морфологии поверхности слоев.

- Разработана термодинамическая модель ЗПГТ многокомпонентных антимонидов с учетом диффузионного и конвективного массопереноса, позволяющая описывать взаимодействие фаз и определять температурно-временное поле процесса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная термодинамическая модель описания фазовых равновесий на основе метода парной аппроксимации регулярных растворов для твердой и частично ассоциированных растворов для жидкой фазы дает возможность определять состав исходных материалов для получения многокомпонентных твердых растворов с заданными свойствами.

2. Разработанный способ перекристаллизации твердого источника в поле температурного градиента позволяет получать ПТР 1пОаА5$ЬВ1, изопериодные 1п5Ь, с требуемым распределением компонентов и высоким кристаллическим совершенством.

3. Предложенная модель механизма зародышеобразования описывает начальные стадии роста многокомпонентных кристаллов. Индукционный период (время пребывания раствора-расплава в метастабильном состоянии) исследуемых систем зависит от состава жидкой фазы, величины переохлаждения ДТ и температурного градиента.

4. Скорость роста ЭС InGaAsSbBi на подложках антимонида индия возрастает во всем исследуемом интервале толщин зон при увеличении содержания висмута в жидкой фазе за счет уменьшения теплопроводности расплава.

5. Введение пятого компонента (галлия) в твердый раствор InAsSbBi уменьшает термические напряжения на гетерогранице. Увеличение содержания галлия в жидкой фазе позволяет снизить коэффициент распределения мышьяка, что снимает определенные трудности технологического цикла.

Практические результаты:

- Получены варизонные слои JnAsSb, InAsSbBi и InGaAsSbBi с убывающим содержанием мышьяка толщиной до 175 мкм, а также однородные слои ПТР InGaAsSbBi толщиной до 120 мкм;

- Разработаны рекомендации по управляемой технологии выращивания гетероструктур InGaAsSbB№iSb из жидкой фазы в поле температурного градиента; сконструирована кассета поршневого типа для получения исследуемых твердых растворов;

- Разработана и реализована принимающая гетероструктура InGaAsSbBi/InSb. Длина волны принимаемого излучения - 9.85 мкм, максимум пороговой чувствительности - 10-" Вт при соотношении сигнал/шум = 10, время спада импульса фотоответа (от 0.9 до 0.1 Imax) - 3.5 нс при подаче отрицательного смещения 3 - 5 В. Фотоприемники установлены на параллельной линии контроля качества металлообрабатывающего модуля приборостроительного завода.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции (Набережные Челны, 1996 г.) Второй и Третьей Всероссийских конференциях с международным участием, "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники"(Таганрог,1995 и 1996 г.), VII Международном семинаре по физике сегнетоэлектриков-полупроводников IMFS-7 ( Ростов-на-Дону, 1996 г.), Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения'^ Севастополь, 1996 г.), межвузовских научно-технических конференциях, а также на конференциях, совещаниях, семинарах лабаратории физики полупроводников ВИ НГТУ и кафедры физики НГТУ. Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в которых в полном объеме изложены ее основные положения.

Объем работы и ее структура. Настоящая работа состоит из введения и четырех глав,

общих выводов, списка литературы и приложений, содержит ^"страниц мапшнописного текста, -¿иллюстраций. @ таблиц. Библиография включает наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована основная цель, представлена научная новизна и практическая цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ данных печати по свойствам и методам технологии получения твердых растворов на основе 1п8Ь, рассматриваются основные теоретические и модельные представления расчета термодинамического равновесия между жидкой и твердой фазами многокомпонентных полупроводников; приведены основы кинетики роста ЭС; обосновывается постановка задачи. В теории существуют различные подходы к расчету фазовых равновесий многокомпонентных твердых растворов соединений А3В5. Причинами расхождения результатов .моделирования и эксперимента являются как методические погрешности той или иной модели, так и неточность параметров взаимодействия, используемых в расчетах. Это обстоятельство требует поиска оптимального метода анализа фазовых диаграмм и корректировки термодинамических параметров по экспериментальным данным.

Интерес представляет исследование висмутсодержащих соединений, поскольку роль висмута, обладающего переходными свойствами "металл - неметалл", весьма неоднозначна.

Вторая глава посвящена анализу фазовой диаграммы пятикомпонентной гетеросистемы 1пОаАзЗЬВШп5Ь. В настоящее время для расчета термодинамических равновесий чаще всего используются методы регулярных и квазирегулярных растворов. Однако они не позволяют описать достаточно сложный в ряде случаев ход изотерм ликвидуса уже в таких системах, как 1п - Аэ - ЯЬ и Оа - А^ - БЬ. В качестве основы предложенного метода расчета жидкой фазы использовалась модель частично ассоциированных растворов[4]. Точность расчета обеспечивает учет членов третьего порядка в вириальном разложении термодинамического потенциала Гиббса. Для моделирования многокомпонентного твердого раствора использовалась парная аппроксимация в квазихимическом приближении регулярных растворов.

Параметр решетки, КТР и ширина запрещенной зоны рассчитывались по известной интерполяционной методике. На основе критерия устойчивости многокомпонентного твердого раствора по отношению к диффузии проанализирована устойчивость ПТР ЫСаАвЗЬВ! к спннодальному распаду.

Исследования показали, что в гетеросистемах Тп А^ЬВ1 и 1пОаА5ЯЬВ1 твердые растворы подвержены спинодальному распаду в определенных областях изопериодных составов при температуре эпитаксии. При этом склонность к распаду растет по мере удаления от точки, соответствующей бинарной подложке.

Были рассчитаны следующие области существования ПТР 1п1.гСа2 А5|-х-у5ЬхВ1у:

0.62 < х < 1 0 £ у < 0.08 (1)

0 < г < 0.34

При определении ширины запрещенной зоны ПТР 1пОаА55ЬВ1 проводились расчеты для трех основных энергетических зазоров - между потолком валентной зоны и тремя минимумами (Г, X, Ь) зоны проводимости. Величина Е6 приравнивается наименьшему зазору, причем, для прямозонных составов минимальным является зазор между валентной зоной и Г-минимумом зоны проводимости. Использование висмута в рабочих слоях гетероструктур является эффективным способом уменьшения ширины запрещенной зоны и смещения максимума фоточувствителыюсти в длинноволновую область спектра[2]. Введение галлия ведет к некоторому уменьшению Ее по сравнению с ЧТР ГпАбЭЬВ^ На основе известной из литературных данных зависимости Е5 от х для тройног о раствора 1пА51-х 8Ьх,

Е8° = 0.228 х2 - 0.036 ( 1 - х) + 0.404 ( 1 - х у эВ (2)

путем линейной интерполяции по примесным уровням В1 в 1п5Ь, 1пА5, СаЭЬ и ваЛв, методом теории возмущений была определена поправка <УЕг к твердого раствора ГпАяЗЬЛпвЬ :

=у [-0.55 (1-х)-6.94х)] +4.62г*-0.014 (1-г)* эВ (3)

Расчетные значения Ец пятикомпонентной гетсросистемы 1пОаА58ЬВ! находятся в пределах от 0.11 до 0.19 эВ.

Коэффициенты распределения индия и висмута слабо зависят от содержания других компонентов в расплаве и кристалле. Для температурного диапазона 663 < Т < 733 К Кь близок к единице, Ка принимает значения от 0.012 до 0.02, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Повышение содержания галлия в жидкой фазе привело к уменьшению коэффициента распределения мышьяка ( Км = 10.5 при ХЧ;« = 0.004 мол.дол. до Км = 5.36 при ХЧи = 0.017).

В третьей главе проводится исследование роста эпитаксиальных слоев. Было проведено моделирование начальных стадий роста ГпАзЭЬВШпБЬ и 1пСаА5ЙЬВ;/Гп8Ь методом клеточных автоматов на уровне образования и роста критических зародышей с учетом структуры равновесной поверхности раздела расплав-кристалл, что позволило качественно выяснить характер рельефа поверхности растущих слоев, время образования

первого сплошного слоя при гетсроэпитаксии, распределение эгштаксиальных центров по размерам в зависимости от времени смачивания подложки. Был определен параметр а, характеризующий структуру поверхности раздела подложка-расплав. Согласно работам Джексона, если а > 2, то это означает, что поверхность раздела должна быть атомно-гладкой, что соответствует минимуму свободной энергии; при этом заполнены либо все состояния на поверхности подложки, либо очень малое их число. Если а меньше двух, то поверхность раздела является атомно-шероховатой, что соответствует заполнению примерно половины позиций. Для системы 1пАк1-х-у8ЬхВ1уЯп8Ь (111) параметр а оказался равным 1.8, а для 1п1-20а2Аз1-х-у8ЬхВ1у/1п8Ь - 1.3 . Характер зарастания слоя виден из рис.1.

Рис.1. Поверхность растущего кристалла InGaAsSbBi/InSb.

Расчетное значение энергии активации процесса кристаллизации для системы InAsSbBi оказалось равным 28.8 ккал/моль, а для системы InGaAsSbBi - 13.5 - ккал/моль. Число атомов в критическом зародыше изменялось от 580 при Т = 723 К до 920 при Т = 693 К. Моделирование показало, что основным типом роста граней является разрастание первичных островков.

Согласно расчетам, критическое значение скорости охлаждения составляет около 4.5 град/мин. Если рабочая зона реакции остывает быстрее, развивается термогидродинамическая неустойчивость фронта кристаллизации, одним из следствий которой является фасетирование поверхности растущего кристалла. На рис.2 приводятся результаты моделирования (2,а) и микрофотография участка поверхности (2,6) при

(а) (б)

Рис. 2. Фасетирование поверхности ПТР 1пОаА55ЬВШп5Ь при ЛТ/Л1 = 5 К/мин. а) - моделирование б) - микрофотография (ув. х200)

скорости охлаждения 5 град/мин.

Время пребывания растворов в метастабилыюм состоянии (индукционный период) является многофакторной величиной. Появление зародыша в метастабштьной системе есть случайное событие и продолжительность индукционного периода можно рассматривать как случайную величину, функция распределения которой зависит от конкретных управляемых условий кристаллизации. Знание функции распределения дает возможность получить вероятностную оценку ширины области метастабильности системы и, таким образом, откорректировать температурно-временной режим.

Были проведены эксперименты по взаимодействию фаз для систем 1п-А5-8Ь/1п5Ь и 1п-Оа-Л5-ЯЬ-В1/Тп5Ъ (111) при 723 К. По разности температур ликвидуса до и после смачивания подложки в зависимости как от времени контакта, так и от состава исходной жидкой фазы определялось контактное переохлаждение. Фиксировалось время появления первого видимого зародыша в растворе, отсчитываемое с начала охлаждения рабочей зоны процесса. Оказалось, что кристаллизация начинается уже в режиме переохлаждения, до установления температуры ЗПГТ. По измеренным индукционным периодам были построены зависимости распределения при различных значениях величин переохлаждения и температурного градиента (рис. 3). Методом наименьших квадратов было получено уравнение сглаживающей кривой:

/С г) = И5 (4)

где к к (3 7.5)х10-3 мин-1.

Значение 5 оказалось различным для тройного и пятикомпонентного твердых растворов, 81-64 « 3/2 (Гп-Ав-ЭЬ, кривые 1 - 4 ) и б5, 56 ~ 2 (1п-Оа-Аз-5Ь-ВШп5Ъ, кривые 5,6).

по

0.4

0.2

0 5 10 15 г, мин

Рис. 3. Зависимости распределения

индукционного периода для МТР ГпАзБЬЛпБЬ (кривые 1-4) при Т = 693 К. ГпОаАзЗЬВШпБЬ (кривые 5,6) при Т = 723 К. Значения ДТ = 9.5 (1; 2), 11,5 (3; 5) и 12(4; 6)К 0 = 30 (1; 2), 35 (3 -6 ) град/см

Г(1)

1

0.5

о 5 10 15 г, мин

Рис. 4. Общий вид функций распределения для гетеросистем - ЬтА^Ь - 1пБЬ (1) и 1пОаАз8ЬВ1 - 1пйЬ (2) при Т = 693 К, ДТ = 9.5 К

Функция распределения индукционного периода определялась по методике[5]. Ее аналитическое выражение

в математической статистике соответствует закону распределения Вейбулла -Гнеденко. Значение у = 5/2 для твердых растворов InAsSb/InSb, а для ПТР InGaAsSbBi/InSb у = 3. Значение ß, при температурных условиях эксперимента, находилось в пределах (1.2 ч- 4.5)х Ю-1 с-1.

Вид функции распеределения указан на рис. 4. Вероятно, рост числа компонентов в растворе ведет к увеличению показателя распределения у и, соответственно, к уменьшению средней величины индукционного периода. Такое предположение можно объяснить уменьшением "времени ожидания" центрами кристаллитов заполнения валентных связей. Среднее значение г составляет 5-7 мин при 8 < AT < 12 К и 30 < G < 40 град/см. Знание среднего индукционного периода позволяет корректнее определить время, требуемое для переохлаждения расплава .

Необходимо отметить, что образование ряда комплексов различной степени сложности, вплоть до атомных "полуплоскостей" (т.е., плоскостей с вакантными участками при наличии связанных атомов в следующей плоскости) происходит в кристаллизационной среде в пересыщенном состоянии, т.е., до начала процесса ЗПГТ. Устойчивого роста можно достичь, повышая точность контроля температуры, поскольку ее флуктуации увеличивают время пребывания системы в метастабильном состоянии.

Главной особенностью технологии выращивания МТР на основе InSb является низкая температура плавления антимонида индия , что ухудшает процесс гомогенизации расплава, когда выращивание кристалла осуществляется в едином технологическом цикле. Оказалось целесообразным разделить этапы гомогенизации и ЗПГТ. Первый этап проводился при Т = 850-950 К в отсутствие подложек InSb, рабочий диапазон температур 2-го этапа - роста эпитаксиальных слоев (680-723 К) был определен на основе визуального наблюдения процесса растворения кристаллов в слитке шихты. Еще одна особенность кристаллизации твердых растворов InAsSbBi и InGaAsSbBi на подложке InSb определяется высоким коэффициентом распределения мышьяка (до значений Kas = 95), что затрудняет введение его в твердую фазу. Эксперименты показали, что повышение содержания галлия в жидкой фазе в ПТР InGaAsSbBi приводит к уменьшению Kasäo значений 4.5 - 5.5.

Были рассмотрены некоторые аспекты программированного управления процессом ЗПГТ. Задача управления ставилась следующим образом. IIa основе заданного состава твердой фазы, температурных зависимостей коэффициентов распределения и скорости

роста, общий ход которых определялся экспериментально, рассчитать такой управляющий режим процесса ЗПГТ, чтобы в образующемся твердом растворе относительная погрешность элементного содержания компонентов с малыми концентрациями (Аб, В1) не превышала 0.5%. В результате численного решения соответствующих дифференциальных уравнений было определено температурно-временное поле процесса ЗПГТ. Показан выбор режимов для различных технологических процессов получения четырех- и пятикомпонентных твердых растворов, способных обеспечить воспроизводимость результатов. Решена задача подбора состава источника и температурного градиента для получения требуемых профилей распределения компонентов; исследуются особенности кинетики роста . На рис.5 показана зависимость скорости роста пятикомпонентного твердого раствора 1пОаАз5ЬВ1 от толщины жидкой зоны при изменении содержания висмута в расплаве (содержание 1п, О а и Ав поддерживалось постоянным). С ростом ХЦ| скорость кристаллизации увеличивалась. При ХЦ, =0.1 мол.дол. максимальная скорость составила 42 мкм/час при Ь = 160 мкм, тогда как для Х1^ = 0.35 молдол. Ук =82 мкм/час при Ь = 200 мкм и для Х^ = 0.55 мол.дол. Ук = 95 мкм/час при Ь = 270 мкм.

Таким образом, увеличение содержания висмута в жидкой фазе повышает скорость роста слоя, что можно объяснить дополнительным увеличением температурного градиента в рабочей зоне вследствие низкой теплопроводности В1 и повышением устойчивости фронта кристаллизации. Зависимость Ук от температуры можно охарактеризовать как монотонную (слабый рост, ДУк / ДТ = 1 мкм/(час- К)).

Рис. 5. Зависимость скорости роста ПТР ГпОаАяЗЪВЩпЗЬ от толщины жидкой зоны. Значения ХЧл (мол. дол.) указаны на кривых.

В четвертой главе исследуются свойства эпитаксиальных слоев четырех- и пятикомпонентных твердых растворов на основе 1п8Ь. Результаты исследования совершенства гетероструктур 1пАз8ЬВ1 показали, что на гетерогранице плотность дислокаций выше, чем в подложке и слое. Такой характер распределения плотности дислокаций означает, что гетеропереход испытывает одновременно напряжения несоответствия и термические деформации. Уменьшение плотности дислокаций возможно при подпитке из источника по мышьяку. В ПТР влияние термических напряжений заметно уменьшает галлий.

Для исследования оптических свойств полученных твердых растворов были были определены их фотолюминесцентные характеристики. Максимум спектральной фоточувствительности принимающей гетероструктуры ТпСаАвЗЬВ! составил 0.48 А/Вт при 9.75 < X < 9.92 мкм ( расчетное значение длины волны 10.5 мкм). Исследования фотолюминесцентных характеристик показали, что неоднородность состава по толщине слоя приводит к расширению полосы фоточувствителыюсти.

Разработаны практические рекомендации по применению метода ЗПГТ для получения МТР, изопериодных антимониду индия. Метод ЗПГТ экономичен, так как не требует больших количеств исходных материалов (расход индия и галлия не превышает 0.5 г на 1 см2 подложки 1п5Ь) за счет сравнительно небольших толщин зон и неоднократного использования одного и того же расплава. Кроме того, гомогенизация проводится отдельно от процесса перекристаллизации, поэтому существенно сокращается длительность полного технологического цикла.

Важнейшим преимуществом метода зонной перекристаллизации является возможность осуществлять подпитку по компонентам с высокими коэффициентами распределения, что позволяет выращивать как варизонные, так и однородные по составу слои.

Известно, что потери мощности фототока внутри полупроводниковой структуры ~ V/ 8, где V - обьем, а 8 - площадь полной поверхности диода. Конструкционного увеличения поглощательной способности фотоприемников можно достичь двумя путями:

1) применением лабиринтной топологии [б]. При заданных площади детектора, ширине и толщине полоски полупроводника вольтваттная чувствительность и обнаружительная способность резистивпого детектора с лабиринтной топологией пропорциональны соответственно длине полупроводника и коршо квадратному из его длины.

2) полусферическим исполнением. Мощность фототока можно увеличить в несколько раз, если принимающую гетеростружтуру выполнить в виде выпуклой линзы (рис. 6)

Р - п переход может быть создан вплавлением контакта 1п : Те = 9 : 1 в центральной части образца. Для этого необходимо иметь однородные эпитакеиальные слои толщиной не менее 100 мкм, что обеспечивается методом ЗПГТ. Таким образом, в поле температурного градиента можно при определенных условиях получать слои с требуемым распределением компонентов, на основе которых могут быть получены приборные структуры с высокими эксплуатационными характеристиками. С точки зрения промышленной технологии преимущество метода ЗПГТ заключается в том, что его аппаратурное обеспечение может быть легко трансформировано к требованиям производства. Узлы и камеры стандартных промышленных установок, за исключением нагревательного устройства и кассеты, практически без реконструкции пригодны для описанной технологии. Высокая производительность процесса ЗПГТ достигается за счет применения многокомпозиционного устройства градиентной печи, позволяющей в едином цикле получать до 8 образцов в лабараторном и до 50 - в промышленном вариантах конструкции.

Линия автоматизированного управления, описанная в III главе, может быть усовершенствована таким образом, чтобы обеспечивать контроль температурно -временного режима на нескольких установках. Такое оборудование потребует использования мультипроцессорного компьютера с общим терминалом, поскольку каждый реактор и процессы перекристаллизации в нем имеют индивидуальную динамику и управляющие сигналы не могут быть скоррелированы.

Следует отметить особенности выращивания ЭС на основе 1п8Ь. Процесс необходимо проводить в 2 этапа, осуществляя высокотемпературную гомогенизацию расплава в отсутствие подложек. Для визуального наблюдения за состоянием гстерокомпозиций камера должна иметь оптический вывод ( патрубок с двумя кварцевыми стеклами). Величина переохлаждения должна составлять 9.5 - 12 К, скорость охлаждения рабочей зоны не должна превышать 4.5 К/мин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана модель частично ассоциированных растворов для расчета фазовых равновесий применительно к ЧТР и ПТР на основе 1п5Ь. Определены области термодинамической устойчивасти исследуемых гетеросистем. Существование твердых

Рис. 6. Фотоприемное устройство на монокристаллической "линзе ".

растворов в этих областях подтверждено экспериментально.

2. Метод ЗПГТ позволяет получать однородные и варизонные ЭС на основе ПТР InGaAsSbBi/InSb заданного состава. Исследована степень совершенства выращенных эпитаксиальных слоев. Показано, что ЭС монокристалличны, имеют низкую плотность дислокаций несоответствия, Nd 5 Зх 104 см-2 .

3. Исследованы процессы кристаллообразования многокомпонентных висмутсодержащих твердых растворов. Выявлены особенности процесса зародышеобразования. Использование висмута позволяет уменьшить ширину запрещенной зоны твердого раствора и несколько повысить скорость роста ЭС.

4. Введение галлия в ЧТР InAsSbBi позволяет уменьшить термические напряжения на гетерогранице и таким образом, улучшить качество ЭС. Однако при этом увеличивается область спинодального распада твердого раствора Ini.2GazAsi.x-ySbxBiy. Рекомендованы составы х > 0.65, 0 < у < 0.03, z < 0.3.

5. Экспериментально установлено,что увеличение содержания Ga в ПТР уменьшает коэффициент распределения мышьяка, что позволяет снять технологические трудности практической реализации.

6. Исследованы электрофизические характеристики ПТР InGaAsSbBi. Изучены спектры фоточувствительности ЭС ПТР при Т = 300 К. На их основе получена принимающая гетероструктура . Даны практические рекомендации по использованию метода ЗПГТ для получения МТР на подложке InSb, пригодных к эксплуатации в дальней ИК области спектра ( X >9 мкм) в условиях серийного промышленного производства.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Благин A.B..Мельникова Н.В., Симонов A.B. Возможность получения солнечных элементов для энергетических установок летательных аппаратов// XXI Гагаринские чтения. Сб.тез. докл.конф.,4.2. Москва,1995,- С.58-59.

2. Лунин Л.С.,Ратушный В.И.,Благин A.B.,Казаков В.В. Гетероэпитаксиальные структуры InGaAsP/InP и фотодиоды на их основе//Труды докладов Второй Всероссийской конференции с международным участием, Таганрог, 1995, с.70.

3. Овчинников В.А.,Благин A.B..Разумовский П.И.,Буданов В.А. Получение высокоэффективной элементной базы для инжекционных излучателей/АГезисы докладов Международной научно-технической конференции,т. 1, Набережные Челны,1996,с.96.

4. Ратушный В.И.Благин A.B.,Казаков В.В. Твердые растворы GalnAsSb/InSb и использование фотоприемников на их основе в оптоэдектронных автоматических системах. Там же, с.268.

5. Ратушный В.И.,Благим A.B. Фотоприемники дальней ИК области на основе гетероструктур InGaAsSbBi/InSb, полученных из жидкой фазы в поле температурного градиента//Труды докладов Третьей Всероссийской конференции с международным участием, Таганрог, /996. С.26.

6. Лунин Л.С.,Овчинников В.А.,Аскарян Т.А.,Бдагин А.В.,Мустафинов Э.Н. Пятикомпонентные полупроводники АЗВ5 - новые материалы оптоэлектроники//Труды VII Международного семинара по физике сегнетоэлектриков-полупроводников IMFS-7, Ростов-на-Дону, 1996.С.34.

7. Лунин Л.С.,Овчинников В.А.,Елагин A.B..Константинов П.А. Особенности технологии получения материалов электронной техники методом зонной перекристаллизации градиентом температуры//Труды докладов Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс", Донецк,1996. С. 144.

8. Благин A.B., Казаков В.В. ,Шевченко А.Г. Моделирование роста многокомпонентных слоев твердых растворов соединений АЗВ5, получаемых методом ЗППУ/ Межвузовский сб. науч. тр. "Кристаллизация и свойства кристаллов", Новочеркасск, 1996. С.3-7.

9. Лунин Л.С.,Овчинников В.А.,Благин A.B..Константинов П.А. Получение и исследование пятикомпонентных гетероструктур InGaAsSbBi/InSb на подложках антимонида индия// Там же, с. 30-34.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Долгинов Л.М., Елисеев П.Г., Исмаилов И. Инжекциониые излучательные приборы на основе многокомпонентных полупроводниковых твердых растворов. - М.: Итоги науки и техники, серия Радиотехника, 1980. - С. 3-116.

2. Акчурин Р.Х., Сахарова Т.В., Жегалин В.А. Исследование условий формирования гетероструктур InAsi.,,-ySb„Bi)flnSb методом ЖФЭ. Неорганические материалы. М., 1995. -Т.31,№ 11.-С. 1431-1436.

3. Лозовский В.Н., Лунин Л.С., Попов В.П. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов. М.:Металлургия, 1987. 232 с.

4. Литвак А.М., Чарыков H.A. Новый термодинамический метод расчета фазовых диаграмм двойных и тройных систем, содержащих In, Ga, As и Sb. Неорганические материалы. М„ 1991. - Т.27, № 2. - С. 225-230.

5. Рогачева Э.Д., Розенблюм A.A., Варламова Г.Б., Бормотова Л.И. Статистическое исследование зародышеобразования эпсомита при нестационарных условиях кристаллизации. Межвузовский сб. науч. тр. "Кристаллизация и свойства кристаллов", Новочеркасск,!975. С.32-35.

6. Падалко А.Г., Перри Ф.С., Лазарев В.Б. Фотоэлектрические свойства неохлаждаемых детекторов на основе тонких слоев антимонида индия. Неорганические материалы. М, 1994. -T.30,N2 .С.156 - 163.

Подписано к печати 09.10.1996 объем 1.0 п. л. тираж 100 экз. заказ № 884

Типография НГТУ ул. Просвещения, 132