Исследование кристаллогенезиса полупроводников A^III B^V из висмутсодержащих расплавов (На примере InSbBi, AlInSbBi) Баранник Алексей Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы

Современный рост объема информационных, познавательных и управляющих потоков, охватывающий все области науки, техники и повседневной жизни требует создания соответствующей материально-технической базы для обработки кодированных массивов данных. Общеизвестно, что многие практически важные задачи в микроэлектронике, материаловедении и целом ряде других областей решаются при создании новых монокристаллических материалов, например, многокомпонентных твердых растворов (МТР) полупроводников.

В настоящее время в России и за рубежом[1] значительное внимание уделяется изучению МТР A^,nB^v, объемным и низкоразмерным гетероструктурам на их основе, выработке оптимальных технологий их получения и применения, накоплению значительного объема фундаментальных и «практических» статистических данных.

Введение висмута в МТР A^raB^v позволяет эффективно формировать заданную энергетическую структуру кристалла и управлять морфологическими и фотоэлектрическими характеристиками как узкозонных, так и широкозонных МТР[2-4]. Самая высокая подвижность электронов и наименьшая ширина запрещенной зоны антимонида индия (среди бинарных соединений) позволяют значительно повысить пороговую чувствительность и быстродействие фотоприемников, созданных на основе твердых растворов, изопериодных InSb, а также расширить их спектральный диапазон[2].

Из различных технологических методов получения приборов на основе МТР А^ШВ^У в силу ряда преимуществ - относительная простота, многофункциональность, дешевизна - широко распространенными все еще являются методы жидкофазнои эпитаксии (ЖФЭ)[2].

При получении из расплава объемных монокристаллов методами управляемой кристаллизации основной задачей является создание оптимальных технологических режимов, обеспечивающих вероятность зарождения и роста из метастабильного состояния как можно меньшего числа центров кристаллизации во избежание нежелательного роста поликристалла и полиморфизма. Решение данной задачи связано с моделированием кинетики начальных стадий кристаллообразования с участием квантовых объектов, описание

І'ОС ііЛЦЯИНАЛЬНАЯ

БИБЛИОТЕКА С.Петерб; 09 10

^CMtnP6"j0 ,

которых всегда носит вероятностный характер. Таким образом, необходим статистический подход при исследовании и описании кристаллогенезиса. При построении практически применимых моделей кристаллогенезиса в общем необходим разумный баланс теории и эксперимента с учетом существенных свойств описываемых объектов и влияющих на них факторов, так как построение строгой теории кристаллизации при увеличении числа компонентов в многокомпонентном расплаве с учетом всех факторов математически невозможно.

К началу выполнения данной работы в литературе имелась информация о кристаллогенезисе элементарных и бинарных полупроводников, ограниченная для трехкомпонентных твердых растворов (ТТР), разрозненная - для четырех (ЧТР) и пятикомпонентных (ПТР) ТР A^mB^v. Для висмутсодержащих МТР А'ЧЗ*, получаемых из расплавов методами ЖФЭ, подобных сведений нет, поэтому тема данной работы актуальна с научной и прикладной точек зрения.

Цель и задачи исследования

Целью работы является исследование закономерностей процесса роста эпитаксиальных слоев (ЭС) твердых растворов (ГР) InSbBi и AUnSbBi методом градиентной жидкофазной кристаллизации (ГЖК). Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

теоретическое моделирование и экспериментальное исследование закономерностей начальной стадии кристаллизации МТР InSbBi, AUnSbBi из висмутсодержащих расплавов А^ШВ^У;

экспериментальное исследование кинетики роста ЭС гетероструктур при подпитке раствора-расплава твердой и жидкой фазами;

анализ распределения компонентов кристаллизующихся ЭС данных МТР,

исследование структурного совершенства полученных ЭС;

разработка аппаратурно-методического оформления исследования закономерностей роста МТР из многокомпонентных висмутсодержащих расплавов AⁿⁱB^v;

- разработка практических рекомендаций по оптимизации
технологических режимов получения МТР.

Научная новизна

1. Проведено теоретическое моделирование роста кристаллов из

многокомпонентных висмутсодержащих расплавов А^ШВ^У на основании стохастического подхода и экспериментально исследована зависимость кристаллогенезиса в образцах расплавов антимонида индия и некоторых ТР на его основе (InSbBi, AUnSbBi) от различных технологических факторов при ЖФЭ.

2. Экспериментально получены зависимости скорости роста ЭС от
различных факторов в поле температурного градиента.

3. Исследованы технологические особенности метода ГЖК,
разработана технологическая оснастка для исследования кинетики
роста кристаллов из висмутсодержащих расплавов.

Основные научные положения, выносимые на зашиту:

1. Методика, позволяющая исследовать зависимость
кристаллогенезиса висмутсодержащих ТР из расплавов от различных
факторов, основывается на экспериментальном определении функции
распределения времени ожидания появления первого центра
кристаллизации.

1. Кинетика зародышеобразования в висмутсодержащих расплавах А^ШВ^У описывается в зависимости от технологических условий получения разного вида экспоненциальной функцией распределения времени ожидания появления центров кристаллизации.

2. Для указанных систем существует дискретный ряд переохлаждений, при которых наиболее вероятно появление зародыша и начало кристаллизации расплавов: для InSb AT=17.5K;20.5L;25K, которые для InSbBi и AUnSbBi изменяются в зависимости от концентрации висмута и алюминия в жидкой фазе.

3. Добавление висмута увеличивает, а алюминия уменьшает скорость роста ЭС в процессах ГЖК при прочих равных условиях.

4. Оптимальное качество и свойства получаемых ЭС достигаются при содержании висмута в расплаве зоны от 30 до 75%, рост содержания висмута свыше 75% в расплаве жидкой зоны увеличивает дефектность структуры, а менее 30% может не обеспечивать формирование требуемых свойств ЭС.

Практическая значимость

1. В рамках используемого стохастического подхода получены экспериментальные зависимости скорости роста от различных факторов, характеризующие кинетику роста кристаллов InSbBi и AUnSbBi из расплавов.

2. Получены экспериментальные зависимости скорости роста ЭС

висмутсодержащих МТР InSbBi, AIInSbBi от различных факторов в поле температурного градиента.

3. Разработаны рекомендации по оптимизации технологических режимов получения МТР InSbBi и AIInSbBi.

4. Результаты работы могут быть использованы для других вариантов ЖФЭ, например, для метода нормальной кристаллизации.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Восьмой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Дивноморское, ТРТУ, 2002), VIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2002), Международной Научной Конференции «Кристаллизация в наносистемах» (Иваново, 2002), Международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 2002), X Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, РАН, Институт Кристаллографии им. А.В. Шубникова, 2002), межвузовских научно-технических конференциях, а также на конференциях, совещаниях, семинарах лаборатории физики полупроводников ВИ ЮРГТУ и кафедры физики ЮРГТУ.

Достоверность результатов обеспечивается использованием хорошо зарекомендовавших себя аналитических и численных методов математики, физики, физической химии, строгой обоснованностью приближений в моделях, согласием результатов работы с результатами других авторов.

Публикации и вклад автора

Похожие диссертации на Исследование кристаллогенезиса полупроводников A^III B^V из висмутсодержащих расплавов (На примере InSbBi, AlInSbBi)

Разработка технологии пластин полупроводниковых соединений A^III B^V современной точности обработки Мальвинова Ольга Валерьевна

Получение и исследование эпитаксиальных структур "полупроводник-фианит"Бузынин Александр Николаевич

Исследование процессов роста и свойств многокомпонентных полупроводников с заданной субструктурой в системах Ga-Sb-Bi, In-Sb-Bi и Ga-In-As-Sb-BiПодщипков Дмитрий Геннадиевич

Получение и исследование свойств углеродных наноматериалов и нанокристаллов широкозонных полупроводниковБорисенко Дмитрий Николаевич

Рентгенодифракционное исследование приповерхностных слоев кремния и гетероструктур A III B V с градиентом деформацииБарашев Матвей Нестерович

Математическое моделирование роста многокомпонентных твердых растворов A III B VКочковая Наталья Владимировна

Математическое моделирование диффузии в многокомпонентных твердых растворах A III B VЛитвин, Наталья Владимировна

Исследование тонкопленочных нанокомпозитов сегнетоэлектрик-полупроводник для оптоэлектронных примененийФедоров, Константин Александрович

Применение методов математического моделирования к исследованию уравнений электрогидродинамики и переноса зарядов в полупроводникахМеражов, Икром Завкидинович

Применение методов математического моделирования к исследованию гидродинамических моделей сверхтекучей жидкости и переноса заряда в полупроводникахКрымских, Дмитрий Александрович