Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Исследование напряжений и деформаций в гетероструктурах (Литературный обзор).
1.1. Методы исследования напряжений и деформаций в гетероструктурах 16
I. I. I Причины деформации гетерокомпозиций 16
1.1.2. Методы определения упругих налряжений в гетеро-структурах 17
1.1.3. Методы исследования пластической деформации в гетероструктурах 22
1.2. Электронно-зондовые исследования деформированного
состояния гетероструктур 25
1.2.1. Применение метода Косселя для исследования кристаллического совершенства гетероструктур 25
1.2.2. Методы визуализации дефектов полупроводниковых гетероструктур в электронно-зондовом приборе.. 28
1.3. Результаты исследования упруго-пластической деформации в гетероструктурах на основе соединений
I.3I. Теоретические модели релаксации упругих напряжений в гетероструктурах . 29
1.3.2. Экспериментальные исследования аккомодации несоответствия постоянных решетки в гетероструктурах на основе соединений АВ 32
1.4. Выводы и постановка задачи 36
Глава 2. Комплекс методов исследования деформированного состояния в приборе .
2.1. Особенности деформированного состояния гетероструктур 40
2.2. Модели деформированного состояния гетерокомпозипий 42
2.3. Применение метода ШРП для определения параметров деформированного состояния гетероструктур 47
2.3.1. Выбор метода рентгеноструктурных исследований 47
2.3.2. Определение величины НПР методом ШРП 49
2.3.3. Точность метода определения величины несоответствия постоянных решетки 56
2.3.4. Определение параметров деформированного состояния ГС методом ШРП 62
2.3.5. Оцределение НРП свободного (недеформированного ) эпитаксиального слоя и подложки 69
2.3.6. Реализация метода ШРП в электронно-зондовом приборе и его экспериментальная проверка 70
2.4. Определение параметров деформированного состояния ГС в широком интервале температур 75
2.4.1. Определение различия КТР, термических напряжений и деформаций в ГС 77
2.4.2. Реализация метода ШРП в широком интервале температур в электронно-зондовом приборе 79
2.5. Рентгенотопографические исследования методом ШРП 81
2.6. Оцределение распределения постоянной решетки по толщине ГС методом ШРП 85
2.7. Заключение и выводы 88
Глава 3. Определение некоторых основных параметров материалов гетероструктур на основе соединений khb .
3.1. Основные кристаллографические параметры материалов полупроводниковых ГС 90
3.2. Определение постоянной решетки и КЕР твердых растворов Mx&ai-xP (0^2^1) 92
3.3. Определение концентрационной зависимости постоянной решетки твердых растворов MJhhlx
3.3.1. Экспериментальные результаты 100
3.3.2. Теоретическая модель . 104
3.4. Определение КГР материалов полупроводниковых гетероструктур 108
Глава 4. Определение параметров деформированного состояния полупроводниковых гетероструктур на основе соединений
4.1. Основные задачи исследований деформированного состояния полупроводниковых ГС 115
4.2. Типы деформированного состояния ГС 117
4.3. Результаты исследований деформированного состояния полупроводниковых ГС 119
4.3.1. Гетероструктуры, имеющие только напряжения несоответствия 119
4.3.2. Гетероструктуры в системах АЕВ5- GalP 124
4.3.3. Гетероструктуры на основе многокомпонентных твердых растворов 131
4.4. Соотношение упругой и пластической деформации в гетеро структурах на основе соединений А^ и их твердых растворов 136
4.5. Влияние термических напряжений на совершенство полупроводниковых ГС 147
Глава 5. Влияние деформированного состояния на люминесцентные свойства гетеростржгур на основе соединений
5.1. Механизмы рекомбинации носителей заряда в полупроводниковых гетероструктурах 149
5.2. Влияние деформированного состояния на квантовый выход излучательной рекомбинации в ГС на основе соединений
5.2.1. Внутренний квантовый выход в ДГС 151
5.2.2. Внешний квантовый выход и пороговые плотности тока лазеров в ДГС InP-falnAsP 156
5.3. Изучение рекомбинационной активности дислокаций несоответствия в ГС методом МЮІ 160
5.3.1. Существующие модели 160
5.3.2. Распределение интенсивности сигнала катодолюминесценции вблизи дислокации несоответствия 162
5.3.3. Зависимость контраста на дислокации от уровня возбуждения 166
5.4. Влияние упругой деформации на люминесцентные свойства ГС 170
Заключение 174
Список литературы
- Методы определения упругих налряжений в гетеро-структурах
- Применение метода ШРП для определения параметров деформированного состояния гетероструктур
- Определение концентрационной зависимости постоянной решетки твердых растворов MJhhlx
- Гетероструктуры, имеющие только напряжения несоответствия
Введение к работе
Актуальность и степень разработанности проблемы исследования. В последние десятилетия в педагогике одной из приоритетных тенденций становится экологическое воспитание. Экологизация воспитательно-образовательного процесса связана прежде всего с созданием условий для активного и творческого усвоения учащимися основ экологической культуры. Формирование экологической культуры включает много аспектов, имеющих отношение как к мировоззренческой подготовке учащихся, так и к формированию, исходя из современной ситуации развития общества, наиболее значимых компонентов экологической культуры личности.
Необходимость нового подхода продиктована обострением взаимоотношений между человечеством и природой. По мнению И. Д, Зверева, научно-техническая революция и мировое производство не приобрели еще экологическую ориентацию и по-прежнему развертываются без учета возможностей и ограничений природы [73]. В этой связи педагог-культур о лог Э. С. Маркарян указывает, что «сила воздействия людей на среду их обитания достигла пороговой степени, и стихийный характер развития культуры совершенно неприемлем сегодня» [146].
Поскольку природные объекты, в первую очередь местные, глубже других воспринимаются учащимися, краеведческий подход исключительно благоприятен в осознании учащимися остроты экологической ситуации, что позволяет в дальнейшем соизмерять их профессиональную деятельность с региональными проблемами.
Степень разработанности проблемы.
В современных научных трудах и публикациях Г. Н. Абаголь, С. Д. Дерябо, А. Н. Захлебного, И. Д. Зверева, Н. Э. Касаткиной, В, С. Кукуши-на, Э. С. Маркаряна, Б. П. Невзорова, Т. Б. Невзорова, В. А, Рассыпнова, И. Т. Суравегиной и др. предложены концепции экологического воспитания,
а также проанализированы традиционные и инновационные педагогические технологии развития экологической культуры.
Понятие «экологическая культура» рассматривается в работах Д. С. Лихачева, Э. С. Маркаряна, И. Т. Суравегиной и др. В противовес технократическому мышлению, сформированному научно-технической революцией, перечисленные авторы полагают, что под «экологической культурой» надо понимать совокупность культурных явлений, обусловленных процессами взаимодействия общества с природной средой.
В настоящее время глобальные экологические проблемы (энергии, ресурсов, генофонда, биосферы, демографии, здоровья человека) осложняют развитие цивилизации [123].
Исторический опыт показывает: переход на новый уровень развития всегда сопровождается пересмотром и последующим обновлением системы образования. Интенсивно развиваться экологическое воспитание стало в последние 30-35 лет, после конференции ООН в Стокгольме (1972), положившей начало программе ООН по окружающей среде (ЮНЕП), и конференции в Белграде (1975) по международной программе экологического воспитания. ЮНЕСКО и ЮНЕП провели в 1977 г. в Тбилиси межправительственное совещание по вопросам экологического воспитания, а в 1987 г. в Москве - конференцию по поддержке стратегии экологического воспитания. В 1992 году состоялась международная конференция ООН в Рио-де-Жанейро, иа которой также обсуждались перспективы экологического воспитания.
Такое пристальное внимание мирового сообщества к экологическому воспитанию вызвано тем, что последнее получило международное признание как важнейшее средство решения глобальных и региональных экологических проблем.
Одним из условий успешного формирования экологической культуры учащихся профессиональных училищ является ее соответствие уровню развития учащихся. При этом формирование экологической культуры
учащихся не проводится стихийно. Необходимы отбор и разработка специальных форм и методов по развитию целостного представления о природе и человеке, чтобы постепенно развивать творческую личность, умеющую объяснять различные явления природы и прогнозировать результаты своей профессиональной деятельности в системе «природа - человек». При этом включенность в сложное культурное пространство помогает подростку в выработке демократических норм общения - гибкости мышления, терпимости к другим культурам, а также формирует широкий круг культурных знаний и интересов [87].
Формирование экологической культуры - сложный процесс, который обеспечивается согласованными влияниями политики, права, науки, производства, искусства, образования и просвещения [73]. По большей части становление и развитие экологической культуры определяется активной деятельностью ученых, изучающих состояние и перспективы отношений человека и природы. Поэтому есть все основания утверждать, что процесс формирования экологической культуры обусловлен изменениями современных тенденций в науке.
Поскольку наука, техника и производство выступают в качестве важнейших источников формирования содержания общего и профессионального образования, необходимо рассмотреть основные особенности их взаимосвязи на современном этапе исторического развития как объективной основы дидактической интеграции. С целью вычленения объективного содержания профессионального образования следует учитывать общие тенденции развития материального производства в условиях научно-технической революции, определяющих как современный уровень требований, предъявляемых к содержанию труда рабочих, так и направленность их изменений [26].
На место работника, непосредственно включающего свои трудовые усилия в технологический цикл производства, приходит работник нового типа, управляющий производственным процессом, в определенной степе-
6 ни выполняющий функции программиста, наладчика, оператора, технолога, инженера [87, 234] и вместе с тем понимающий всю степень ответственности за потребительский характер нашей цивилизации.
Таким образом, перед профессиональным училищем поставлены ответственные задачи: заблаговременно и планомерно обучать квалифицированных рабочих, уровень подготовки которых отвечал бы требованию научно-технического прогресса, широким техническим и экономическим знаниям [146, 238].
В научной литературе проблемы профессионального образования были предметом анализа таких выдающихся педагогов, как О. Г. Анкист, СБ. Гейсинович, Р. Г. Лемберг, Ф. В. Ленгник, М. Н. Покровский, Г. Н. Роганов, В. Я. Струменский, и др. В настоящее время наиболее значимые результаты в этой области связаны с исследованиями Г. И. Ажикина, И. В. Барановой, А. П. Беляевой, Н. Ф. Борисенко, В. Ф. Боярчука, Г. В. Воробьева, Р. С. Гуревича, Г. С. Гуторова, Е. С. Дубинчук, И. Д. Клочкова, М. И. Махмутова, П. Н. Новикова, В. И. Паламарчук, В. А. Полякова, Ф. И. Потапова, Ю. С. Тюнникова, Л. Д. Хромовой, А. 3. Шаркирзянова, Г, И. Ше-линского, А. Е. Шильниковой, В. Е. Чахоянца и др. авторов. В их работах показано значение совершенствования отдельных аспектов воспитательно-образовательного процесса в профессиональных училищах.
Подходя к формированию экологической культуры учащихся профессиональных училищ, следует учитывать ряд современных тенденций этого процесса:
- по стратегии воспитательной и образовательной работы - разработка и введение отдельного предмета экология; экологизация всех изучаемых предметов;
по ориентации воспитательной и образовательной работы -первая тенденция характеризуется ориентацией на формирование системы экологических представлений; вторая - на формирование подструктуры
отношений; третья - на формирование подструктуры стратегий и технологий.
Появление альтернативных учебников и программ для образовательных учреждений дает возможность выбора преподавателями современных приемов и методов обучения.
Анализ изучения данной проблемы показывает, что, несмотря на определенный уровень ее теоретической и практической разработанности, недостаточно рассмотрены особенности формирования экологической культуры учащихся системы начального профессионального образования.
В настоящее время в науке, с одной стороны, созданы предпосылки, необходимые для ее решения, с другой, педагогическое осмысление проблемы свидетельствует о наличии ряда противоречий между:
социальным запросом общества на формирование личности с соответствующей экологической культурой в условиях профессиональной подготовки учащихся и недостаточной педагогической разработанностью данной проблемы;
возрастающими тенденциями использования потенциала межпредметного обучения в экологическом воспитании учащихся профессиональных училищ и отсутствием научно обоснованной модели формирования их экологической культуры в этих условиях;
возрастанием у учащихся уровня теоретических знаний по экологии и ограничением практической реализации этих знаний в результате отсутствия синтеза последних с профессиональными навыками.
Выявленные противоречия, свидетельствующие об актуальности обозначенной проблемы, обусловили выбор темы диссертации «Формирование экологической культуры учащихся профессионального училища».
Объект исследования: учебно-воспитательный процесс формирование экологической культуры учащихся профессионального училища,
Предмет исследования: педагогические условия формирования экологической культуры учащихся профессионального училища.
Цель исследования: обоснование и апробация педагогических условий формирования экологической культуры учащихся профессионального училища.
В ходе исследования нами была выдвинута гипотеза: формирование экологической культуры учащихся профессионального училища будет успешным, если:
воспитательно-образовательный процесс в профессиональном училище определяется принципами экологического образования (в соответствии с обще дидактическими принципами - междисциплинарным, систематичности и непрерывности, единства теории и практики);
формирование экологической культуры строится на основе личностного, деятельностного, культурологического, антропологического и краеведческого подходов в организации занятий;
реализуются основные педагогические условия формирования экологической культуры учащихся профессионального училища (положительная мотивация, экологическое содержание интегрированного предмета «Биология с основами экологии и ОБЖ» и спецкурса «Экологическое краеведение», организация эколого-образовательной работы учащихся профессионального училища);
учитываются особенности включения учащихся профессионального училища в процесс формирования экологической культуры (представление профессионального училища в качестве центра культуры, определение позиции педагога в соответствии с принципами демократизации и гуманизации воспитательно-образовательного процесса; выделение содержательной основы учебной дисциплины «Биология с основами экологии и ОБЖ» и спецкурса «Экологическое краеведение» как базы для формирования экологической культуры учащихся).
Для достижения цели с учетом выявленных противоречий и сформулированной гипотезы определены задачи исследования:
Провести анализ теоретических исследований по проблемам экологического образования, уточнить понятие «экологическая культура» и определить место экологической культуры в системе общей культуры человека.
Рассмотреть принципы экологического образования в соответствии с общедидактическими (междисциплинарным, систематичности и непрерывности, единства теории и практики).
Определить теоретические подходы к формированию экологической культуры учащихся профессионального училища.
Обосновать педагогические условия формирования экологической культуры учащихся профессионального училища.
Выявить педагогические особенности формирования экологической культуры учащихся профессионального училища.
Разработать методические рекомендации по формированию экологической культуры учащихся профессионального училища.
Методологическую основу исследования составляют идеи гуманизации и демократизации образования (Ш. А. Амонашвили, В. А. Ситаров); научные концепции профессиональной подготовки кадров (С. Я. Ба-тышев, М. Н. Берулава); научные концепции экологического воспитания и образования (С. Д. Дерябо, И. Д. Зверев, Б. П. Невзоров, И. Т. Суравегина); принципы личностного (М. Н. Скаткин, В. А. Сластенин), деятельностного (Л. С. Выготский, А. Н. Леонтьев, А. С. Макаренко, С. Л. Рубинштейн, С. Т. Шацкий), антропологического (В. А. Сухом линский, К. Д. Ушинский, Д. Б, Эльконин), культурологического (Н. С. Козлов, М. М. Мамардашвили, Э. С, Маркарян, В. И. Матис) подходов, позволяющих обосновать сущность и содержание процесса формирования экологической культуры учащихся профессионального училища.
Для решения поставленных задач и подтверждения гипотезы использованы следующие методы исследования:
теоретические методы (анализ философской, педагогической, психологической, социологической и научно-методической литературы, послужившей исходной позицией исследования);
экспериментальные методы (констатирующий и формирующий этапы педагогического эксперимента по внедрению спецкурсов, педагогические наблюдения, изучение и анализ результатов деятельности учащихся, методы опроса (анкетирование, беседа), тестирование, методы статистической обработки полученной информации и другие).
База исследования: профессиональное училище № 18 г. Томска. Исследованием было охвачено 192 учащихся.
В исследовании нами выделены следующие этапы:
На первом этапе (1999-2001 гг.) определены цели и задач научного исследования, проведен анализ литературы по проблеме формирования экологической культуры учащихся, определены основные направления по созданию спецкурсов и комплексных программ.
На втором этапе (2001-2003 гг.) разработаны программы для комплексной экологической подготовки учащихся профессиональных училищ, развернута работа по их апробации.
На третьем этапе (2003-2006 гг.) завершена экспериментальная работа, проведены обработка и анализ полученных данных и определены перспективы формирования экологической культуры учащихся профессиональных училищ, проведено литературное оформление работы.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Определенна возможность использования теоретических подходов к
формированию экологической культуры учащихся в профессиональном
училище.
2, Обоснованы педагогические условия формирования экологической
культуры учащихся профессионального училища:
положительная мотивация формирования экологической культуры учащихся профессионального училища;
экологическое содержание интегрированного предмета «Биология с основами экологии и ОБЖ» и спецкурса «Экологическое краеведение»;
- организация эколого-воспитательной и эколого-образовательнои
работы учащихся профессионального училища.
Определена структура экологической культуры, выявлены ее компоненты, перечислены уровни сформированности экологической культуры учащихся профессионального училища.
Экспериментально доказана возможность использования программ ин-тегративного предмета «Биология с основами экологии и ОБЖ» и спецкурса «Экологическое краеведение», нацеленных на формирование экологической культуры учащихся в профессиональном училище.
Теоретическая значимость исследования состоит в уточнении понятийного аппарата по проблеме формирования экологической культуры; выявлении теоретических предпосылок к исследованию актуальной педагогической и социальной проблемы формирования экологической культуры учащихся в профессиональном училище; в определении необходимых педагогических условий успешности формирования экологической культуры учащихся в профессиональном училище (на материале изучения экологии, ОБЖ, биологии).
Практическая значимость исследования состоит в разработке, апробации и внедрении интегрированного предмета по ОБЖ, биологии, экологии и спецкурса по экологическому краеведению для учащихся профессионального училища, ориентированных иа формирование экологической культуры.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Формирование экологической культуры учащихся профессионального училища мы рассматриваем как воспитательно-образовательный
процесс, проходящий с учетом теоретических подходов: личностного, дея-тельностного, культурологического, антропологического и краеведческого.
В комплекс педагогических условий формирования экологической культуры учащихся входят воспитательно-образовательный процесс, ориентированный в содержательном плане на экологическую программу интегрированного предмета «Биология с основами экологии и ОБЖ» и спецкурса «Экологическое краеведение», построенные с учетом критериев готовности учащихся к творческой и исследовательской деятельности.
Педагогическими особенностями формирования экологической культуры учащихся профессионального училища являются: профессиональное училище как центр культуры и позиция педагога в соответствии с принципами демократизации и гуманизации воспитательно-образовательного процесса.
Обоснованность и достоверность результатов исследования обеспечивается исходными теоретическими положениями, сочетанием теоретических и эмпирических методов исследования, адекватных объекту, целям и задачам исследования, этапным характером опытно-экспериментальной работы, проверкой выводов, сделанных в исследовании на практике.
Апробация и внедрение результатов исследования. Теоретические выводы и практические результаты исследования получили отражение в методических рекомендациях, учебно-методическом пособии и статьях автора диссертационного исследования.
Основные теоретические положения диссертационного исследования докладывались на конференциях: международной научно-практической конференции «Гуманитарные исследования и их роль в развитии педагогического образования» (г. Томск, 2002г.), IV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы безопасности, здоровья при занятиях спортом и физической культурой» (г. Томск, 2003г.), VII международной научно-практической конференции «Качество
управления образовательным пространством в регионе» (г. Новосибирск, 2003г., стендовый доклад), межрегиональной научно-практической конференции «Личностно-ориентированное обучение в современной школе» (г. Северск, 1997г.), межрегиональной научно-практической конференции «Пути модернизации региональной системы повышения квалификации работников образования» (г. Томск, 2003г.), WU межрегиональной научно-практической конференции «Научное творчество молодежи» (г. Анжеро-Судженск, 2003г., стендовый доклад), региональной научно-практической конференции «Непрерывное экологическое образование в содержании регионального образовательного пространства» (г. Томск, 2002г.).
По теме исследования опубликовано 11 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 247 страницах машинописного текста и состоит из введения, двух глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа иллюстрирована 5 таблицами и 6 рисунками.
Методы определения упругих налряжений в гетеро-структурах
Все используемые методы определения упругих напряжений в эпитаксиальных слоях ГС могут быть разделены на прямые и косвенные. Прямые методы основаны на определении межплоскостных расстояний в кристаллической решетке путем дифракции рентгеновских лучей или пучка электронов на различных системах плоскостей в кристалле, напряжения и деформации могут быть затем определены в соответствии с принятой моделью деформированного состояния.
Косвенные методы основаны на вторичных эффектах, возникающих вследствие деформации ГС:
1. Изгиб гетероструктуры. В этом случае определение радиуса кривизны структуры в принципе позволяет рассчитать упругие напряжения в эпитаксиальном слое и подложке. Для измерения радиуса кривизны используются как рентгеновские методики /42,46, 110,113/, так и методики оптической интерферометрии /47,57/, оптической микроскопии /21/, используются также измерения индуктивности и емкости /23,105/.
2. Изменение зонной структуры материалов ГС вследствие деформации. Так, для определения упругих напряжений использовались расщепление экситонных линий фотолюминесценции / 63/,сдвиг края поглощения /131/, совсем недавно была продемонстрирована возможность определения упругих напряжений в эпитаксиальных пленках ГС путем измерения степени поляризации фото- или электролюминесценции /12/. Однако, эти методы не являются универсальными, т.е. могут быть применены к ГС определенного типа, кроме того, в большинстве случаев они требуют калибровки с помощью независимого метода определения напряжений.
В большинстве экспериментальных работ используются методы измерения напряжений и деформаций по радиусу кривизны гетеро-комлозиции и прямые методы определения межплоскостных расстояний в деформированных слоях ГС, в связи с чем представляется необходимым рассмотреть их более подробно.
Метод измерения радиуса кривизны гетерокомпозиции основан на соотношении теории упругости для изотропного эпитаксиального слоя толщиной їс и подложки толщиной in /42/: где 6"tf - напряжение в эпитаксиальном слое; Е , V - модуль Юнга и коэффицеент Пуассона, Я - радиус кривизны системы слой-подложка. Напряжения в подложке вблизи гетерограницы выражаются в этом случае:
Эти выражения неоднократно модифицировались для применения их к многослойным гетерокомпозициям /103/, к слоям переменного состава /116/, однако всем этим методам присущи недостатки, связанные, во-первых, с невысокой точностью определения напряжений по формулам типа (1.2) вследствие ошибок в определении толщин тонких эпитаксиальных слоев (в реальных гетероструктурах толщина слоя может меняться по площади исследуемого образца), а во-вторых, с ошибками, возникающими из-за неучета реальной дислокационной структуры гетерокомпозиций. Как показано Тхориком на изгиб системы существенным образом может влиять пластическая деформация нак эпитаксиального слоя, так и подложки /45/. В работе /114/ показано, что при наличии на гетерогранице однонаправленного ряда ДН изгиб может быть не сферическим, а цилиндрическим. Очевидно, возможны и некоторые промежуточные случаи. Таким образом, определение упругих напряжений в гетероструктурах по измерениям радиуса кривизны нельзя считать полностью надеж І ным.
Применение метода ШРП для определения параметров деформированного состояния гетероструктур
Как показано в Главе I применение метода Косселя и его разновидности метода ШРП для исследования полупроводниковых гетероструктур к началу данной работы носили крайне ограниченный характер. При выборе метода рентгеноструктурных исследований мы руководствовались следующими соображениями:
а) Применение истинно-косселевского метода для исследования ГС затруднено, поскольку материалы гетерокомпозиций имеют сложный химический состав, что приводит с одной стороны к уменьшению интенсивности используемого для дифракции характеристического рентгеновского излучения, а с другой, к появлению в спектре большого числа длин волн различных элементов, что существенно усложняет дифракционную картину. При этом истинно-косселев ский метод не позволяет варьировать длину волны излучения, что необходимо для выбора оптимальных рефлексов.
б) Эти недостатки в какой-то степени устраняет псевдо-косселев ский метод, однако его применение связано со специальной под готовкой образцов - напылением или приклеиванием фольг, что не позволяет использовать образцы для других исследований. Оба эти метода обладают весьма малым соотношением сигнал/ фон, а в случае съемки на отражение требуют использования фильтров или отклоняющих систем для отраженных электронов, что значительно усложняет аппаратуру.
в) По-видимому, оптимальным для реализации в электронно-зондовом приборе является метод ШРП на отражение, который характеризу ется достоинствами: 1. Высокая интенсивность используемого характеристического рентгеновского излучения и хорошее соотношение сигнал/фон (имеется возможность использования фильтров тормозного спектра). 2. Возможность варьирования используемого характеристического излучения. 3. При исследовании ГС отпадает необходимость специальной подготовки образцов. 4. Как будет показано ниже локальность метода ШРП при исследовании ГС не уступает локальности истинно- и псевдокосселевского методов, при этом информация может быть получена одновременно от большого числа точек гетероструктуры или даже от нескольких ГС.
Схема дифракции ШРП рентгеновских лучей на монокристалле представлена на рисунке 2.2. Точечный источник рентгеновского излучения длиной волны Я расположен на расстоянии Н от образца. Пусть имеет место дифракция рентгеновских лучей на системе плоскостей (h к 1} , составляющих угол у с поверхностью образца и имеющих межплоскостное расстояние d , Уравнение дифракционной линии, полученной в плоскости регистрации на расстоянии п от источника, параллельной поверхности образца, в полярных координатах имеет вид /18/: где i - радиус вектор точки на дифракционной картине, начало которого находится в месте пересечения оси, проходящей через ис точник и плоскости регистрации, в = arcs in - _ угол Брэг га, р - текущий угол в плоскости регистрации. Преобразуя (2.12) в декартовы координаты, получим:
В отличии от уравнений дифракционных линий в истиннно-и псевдо-косселевском методах, которые описывают конические сечения (урав нения 2-го порядка), в случае метода ШРП уравнения дифракционных линий описывают кривые 4-го порядка: при у В - так называемые псевдоэллипсы , а при у В - псевдогиперболы. Поскольку на практике, как правило, у В , рассмотрим более подробно этот случай. Для большой полуоси псевдоэллипса из (2.12), получаем соотношение
Определение концентрационной зависимости постоянной решетки твердых растворов MJhhlx
На точность определения величины НПР методом ШРП по вышеизложенной методике влияют следующие погрешности: Погрешность измерений величины (!) на рентгенограмме. Положение дифракционной линии определяется на компараторе с некоторой среднеквадратичной ошибкой р . Тогда, очевидно, относительная ошибка определения отношения двух расстояний имеет вид:
Воспользовавшись формулами (2.14), (2.16) для случая к- о , можно получить погрешность определения величины НПР: Оценим погрешность измерений для симметричного случая у- о :
Как правило, для реальных ГС величина У находится в диапазоне 0 1о/ 3 . В этом случае для достижения точности определения НПР угол дифракции должен лежать в ди
Вид функции Jff/J для отражений: I) подложка GaA& (100), излучение Ті К ,рефлекс (400). 2) подложка GaAs (Ш), излучение СиК , рефлекс (711). (а) - точный расчёт, (б) - линейная апроксимация функцией апазоне 65 # 85 (при р » + 3 мкм), Н = 10 15 мм). Расчет на ЭВМ показывает, что эти выводы справедливы и для антисимметричного случая (у 0 ), если соблюдается соотношение
Таким образом, абсолютная погрешность определения различия межплоскостных расстояний в эпитаксиальном слое и подложке составляет, как правило, &(&d) =: + 0,00002 0,00004 нм, что не уступает точности измерения межплоскостных расстояний на ди-фрактометре /67,53/.
Дифракционные картины от слоя и подложки формируются в областях кристалла, расстояния которых от источника излучения различаются на толщину слоя tc . В этом случае систематическая ошибка определения НПР имеет вид: JV И i + t tf/ifQ H l i+tfQ/tffJ (2.23) Максимальная ошибка имеет место при у =0 : bfi Н (2.24) и при используемых углах дифракции 65 8 85 и расстояниях Н =I0rI5 мм не превышает погрешность измерений при е 5 мкм. При больших толщинах слоя эта систематическая ошибка может быть учтена в результатах измерений. . Погрешности, связанные с нарушением геометрии экспери мента.
Для практической реализации метода ШРП в электронно-зон-довых приборах необходимо выполнить два основных требования: а) Поверхность исследуемого объекта должна быть параллельна плоскости регистрации. б) Для антисимметричного случая ( f± 0 ) источник излучения должен находиться в плоскости регистрации. Рассмотрим погрешности, возникающие при неточном соблюдении геометрических условий эксперимента. а) Пусть поверхность ГС составляет малый угол с плос костью регистрации. Тогда выражение для большой полуости псевдо эллипса имеет вид: в последнем члене соответствуют различным концам полуоси. Возникающую при измерениях относительную погрешность можно получить в виде: построена на рисунке 2.6(a) и, как следует из рисунка, в диапазоне углов у +10 В 85 Q (В, у) 5Q. Тогда в наиболее неблагоприятном случае ( У — З, Д Л =2,5 -Ю"3 относительная погрешность измерений не превышает 1%% если угол d не больше 1,5 2, что легко достигается в эксперименте. б) Пусть источник сдвинут от плоскости регистрации на не которое малое расстояние k . Возникающая в этом случае относи тельная погрешность имеет вид:
Гетероструктуры, имеющие только напряжения несоответствия
При разработке оптоэлектронных и микроэлектронных приборов на основе полупроводниковых ГС необходимо иметь информацию о следующих основных кристаллографических параметрах используемых материалов: 1. Постоянные решетки и КТР бинарных соединений. 2. Концентрационные зависимости постоянных решетки и КТР твердых растворов на основе этих соединений.
Потенциальная важность соединений А-\В для создания полупроводниковых приборов вызвали в конце 50-х, начале 60-х годов стремительный рост числа публикаций, посвященных исследованию их 3 5 свойств. В настоящее время для большинства соединений А В хорошо установлены как электрофизические, так и основные кристаллографические параметры, за исключением значений КТР, по которым часто встречаются противоречивые данные (см. таблицу 3.1). йн 3 5 тенсивное изучение свойств твердых растворов соединений А В также позволило установить концентрационные зависимовти ширины запрещенной зоны, постоянной решетки и других параметров для большинства используемых на практике материалов ГС /30/.
В то же время, некоторые трудности возникают при определении кристаллографических постоянных соединений А В , которые не могут быть получены в виде монокристалла при комнатной температуре и быстро разлагаются в присутствии кислорода. Это относится прежде всего к соединениям №J\s и MP . Сяздание и широкое применение ГС в системе GaAs -MX&QJ.XAS позволило исследовать свойства твердых растворов ktx .xh вплоть до х = 0,9, что дало возможность с помощью экстраполяции определить постоянную решетки klks /SI/. Однако, тот факт, что эпитаксиальные пленки ГС находятся в деформированном состоянии, в ряде работ не учитывался, что приводило к существенным ошибкам при определении постоянной решетки Mhs (см., например, /29/).
Как показано в Главе 2, для определения постоянной решетки и КТР материалов, выращенных в виде тонкой эпитаксиальной пленки на подложке необходимо учитывать ее деформированную кристаллическую структуру.
Мы использовали разработанные выше методики определения параметров деформированного состояния методом ШПР в электронно--зондовом приборе для определения основных кристаллографических постоянных ряда полупроводниковых материалов, данные о которых в известной нам литературе либо отсутствовали, либо имели существенный разброс. Основные результаты данной главы опубликованы в работах /7й,8й,9й,10й,IIй,13й,14й,19й/.
В настоящее время использование твердых растворов кіх а Р выращенных на подложке &&Р представляет значительный интерес для создания оптоэлектронных приборов (светодиодов, фотоприемников) в ультрафиолетовой области спектра /8/. Совершенство струк - 93 тур, изготовленных на основе такого твердого раствора в первую очередь определяется соответствием постоянных и КТР бинарных соединений GaP и АІР .
К началу настоящей работы литературные данные по постоянной решетки АІР были весьма противоречивы, а информация о КТР А19 практически отсутствовала. Наблюдался также существенный разброс значений КТР 6пР /28,89/. Согласно работе /50/постоянная решетки АІР близка к GaP и составляет 0,54-51 нм, в то же время в работах /72,128/ получены значения CLA(p = 0,54-62 нм /72/ и dm- 0,5467 /128/. В известных обзорных работах /30,32/, посвя Ъ 5 щенных свойствам полупроводников А В приводятся данные самой ранней работы /50/.
Исследования параметров элементарной ячейки эпитаксиальных слоев AtSaP, выращенных на подложке GaP /ІЗ/ показало, что они существенно различаются, однако величина постоянной решетки твердого раствора ошибочно была определена без учета деформированного состояния слоя.
Для проведения измерений нами использовались ГС GaP- MSaP выращенные методом кидкофазной эпитаксии на подложке ft-GaP Т7 -7) (100) ( /I = 5-10і см ). Толщина слоев составляла 2 -І- 3 микрона, а подложки tn = 400 мкм. Концентрация носителей в эпитак то _-z спальных пленках не превышала-I01 см .
