Введение к работе
Актуальность теми.
Халькогениды свинца и твердые растворы на их основе представляют интерес для ИК-оптоэлектроники и термоэлектричества как материалы для излучателей, фотоприемников и термоэлектрических преобразователей.
Эффективность работы приборов существенно зависит от структурного качества используемых кристаллов и слоев, их химической однородности и от распределения электрофизических свойств. Халькогениды свинца-олова - фазы переменного состава, т.е. на значение концентрации носителей заряда и тип электропроводности влияет отклонение от стехиометрии. Наиболее успешно управление электрофизическими свойствами этих полупроводников осуществляется путем легирования примесями Ш-группы. При легировании этими примесями, особенно In и Ga, обнаружены новые физические эффекты, в том числе стабилизация значения концентрации носителей заряда, изменение уровня шшнинга энергии Ферми при вариации значений температуры, давления и состава, реализация бесщелевого состояния и фазовых переходов типа диэлектрик-полупроводник. Все эти явления представляют большой интерес с научной точки зрения и могут находить применение в приборах, работающих на новых принципах.
В то же время процессы легирования халькогенидов свинца-олова недостаточно изучены. Результаты легирования существенно зависят от технологических условий получения. Требуется разработка специальных локальных методик.
Целью работы являлись получение слоев халькогенидов свинца-олова; разработка методик рентгеноспектрального микроанализа, направленных на расширение возможностей изучения перераспределения примеси п основных компонентов на границах раздела фаз "кристалл - кристалл", "кристалл - расплав" и "кристалл - пар''; проведение экспериментов по межфазному взаимодействию и создание программного обеспечения для решения поставленных задач.
В соответствии с указанной целью в работе решались следующие жщи:
Получение слоев твердых растворов Pbi.xSnxTe методом жидко-фазной эгштакспи при различном уровне легирования исходного расплава - раствора.
Разработка методики получения гетероструктур в системе Pb-Sn-Te.
Анализ условий зародышеобразования и кинетики роста слоев Pb,.xSnxTe.
Развитие рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) на основе модели отношения относительных интенсивностей (ООИ) для четырех-компонентноіі системы Pb-Sn-ln-Te.
Разработка специальных методик РСМА, позволяющих восстанавливать истинный концентрационный профиль с учетом пространственного ограничения электронного зонда.
Создание программного обеспечения для оценки диффузионных параметров.
Проведение изотермических отжигов диффузионных пар и РСМА процессов, протекающих на границе раздела "кристалл-кристалл".
Моделирование процессов сублимации и оценка коэффициентов взаимной диффузии по перераспределению компонентов на поверхности раздела "кристалл-пар".
Изучение механизмов внедрения примеси при гетерофазіюм равновесии "кристалл - расплав".
К новым научным результатам, полученным в работе следует отнести:
-
Результаты по исследованию изменения содержания примеси и основных элементов при легировании раствора-расплава, а также данные но эффективным значенням коэффициентов распределения индия и галлия.
-
Экспериментальный способ оценки функций электронного зонда для различных аналитических линий и результаты восстановления истинного концентрационного профиля.
-
Данные по образованию варнзонпых областей в процессе выращивания гетероструктур в зависимости от технологических условий получения.
-
Развитие модельных представлений метода отношения относительных интенсивностей на четырехкомпоиептные системы и результаты
рентгеноспектрального микроанализа по исследованию системы Pb-Sn-In-Te.
-
Результаты определения эффективных коэффициентов взаимодиффузии по изучению массопереноса в диффузионных парах "кристалл-кристалл" и интерпретация их в рамках модели Даркена.
-
Модель кинетики сублимации, позволяющая прогнозировать изменение состава паровой фазы во времени, и результаты расчета эффективных коэффициентов взаимодиффузнн в приближении сферических зерен.
-
Экспериментальные данные о характере внедрения атомов индия в кристаллическую решетку Pbi.xSnxTe при кристаллизации из раствора -расплава и модель, описывающая поведение индия r зависимости от его концентрации.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Разработан способ определения концентрации примеси рентге-носпектральным микроанализом, заключающийся в статистическом наборе импульсов характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) и отличающийся от ранее известных тем. что с целью исключения случайности попадания зонда в область, содержащую микронеоднородности, набор импульсов осуществляют в режиме медленного сканирования с одновременной регистрацией распределения интенсивности ХРИ по сканируемой поверхности. Способ обеспечивает ранжирование уровней содержания примеси при сохранении преимуществ статистического режима набора импульсов и может быть использован при микроанализе широкого класса полупроводниковых материалов.
-
Разработан способ и создано программное обеспечение для восстановления реального распределения концентрационных профилей с учетом пространственного ограничения алектронно-зондового метода по выбранной аналитической линии. Алгоритм основан на операциях прямого и обратного фурье-преобразования с последовательным нахождением аппаратурной функции и учета её путем процедуры, обратной математической свертке. Программное обеспечение написано на языке C++ и может быть применено для интерпретации результатов различных физических методов.
-
Составлены программы для нахождения по данным распределения состава в диффузионных зонах значений эффективных коэффнциен-
тов взаимной диффузии и анализа этих данных в рамках приближений Матано, независимых потоков с учетом киркендагловского течения и па-хождения парциальных коэффициентов диффузии в приближении Дарке-иа.
-
Разработан экспериментальный способ определения превалирующего характера внедрения примеси в кристаллическую решетку. Способ основан на методе отношения относительных шпепсишюстеп и применим к системам, содержащим элементы с близкими энергетическими параметрами аналитических линий, между которыми отсутствует эффект взаимно!'! флуоресценции. Способ реализован па системе Pb-Sn-In-Te .
-
На основе разработанной модели кинетики сублимации проведена оптимизация процессов подготовки шихты и условий выращивания слоев халькогенидов свинца-олова.
-
Получены образцы узкозоииых полупроводниковых твердых растворов Pb].4SnxTe, легированные элементами Ш-'группы, а также гетеро-структуры на их основе.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Предложенная методика и созданное программное обеспечение для анашта взаимной диффузии в гетероструктурах позволяют определять пространственное ограничение рентгеноспектрального микроанализа для каждой из выбранных аналитических линий характеристического рентгеновского излучения, восстанавливать истинный концентрационный профиль, оценивать диффузионные параметры и ширину варнзонпон области, возникающей в процесее формирования гетероструктуры.
-
Метод отношения относительных (інтенсивностей, предложенный ранее для рентгеноспектрального микроанализа тройных полупроводниковых' твердых растворов, обеспечивает определение химического состава в локальных областях четырехкомпонентных полупроводниковых твердых растворов, содержащих элементы с близкими энергетическими параметрами аналитических линий, и характеризуется простотой расчета и стабильностью аналитических откликов при вариации условий эксперимента.
-
Отношение относительных интенсив постен SnLu и TeLu в твердых растворах системы Pb-Sn-ln-Te не зависит от содержания и характера внедрения индия. Отношение относительных «інтенсивностей РЫ-а и TeLa не зависит от содержания шипя в междоузлиях, но изменяется при внедрении In в металлическую подрешетку. Совокупность установленных
своііств обеспечивает возможность анхшза механизма вхождения индия в халькогениды свинца - олова при изменении технологических условий легирования.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профсссорно-преподавательского состава СПбГЭТУ, семинарах кафедры твердотельной оптоэлектроники СПбГИТМО (ТУ) и лабораторий НПО им. И.И. Ползу-нова.
Публикации: По материалам диссертационной работы опубликована статья и одна статья принята в печать.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения и списка литературы, включающего 178 наименовании. Основная часть работы изложена на 150 страницах машинописного текста. Работа содержит 49 рисунков и 8 таблиц.
