Получение и свойства гетероструктур на основе многокомпонентных антимонидов А3В5 с низкой термодинамической устойчивостью

• Автор: Когновицкая, Елена Андреевна
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 139 с. : ил.

Глава 1. Получение, основные свойства и применение многокомпонентных твердых

растворов на основе соединений А3В5 (обзор литературы)

1.1. Закономерности изменения основных свойств многокомпонентных твердых

растворов

1.2. Термодинамика многокомпонентных твердых растворов

1.2.1. Особенности термодинамического описания фазовых диаграмм изоморфных

многокомпонентных твердых растворов

1.2.2. Определение границ существования многокомпонентных твердых растворов

® 1.2.3. Межфазная поверхностная энергия границы раздела «жидкость - твердое»

1.3. Геропереходы I и II рода на основе многокомпонентных антимонидов

1.4. Применение гетероструктур на основе изоморфных многокомпонентных твердых

растворов с низкой термодинамической устойчивостью
Выводы к главе
Глава 2. Фазовые превращения при жидкофазной эпитаксии пятерных твердых
растворов с низкой термодинамической устойчивостью
2.1. Проектирование эпитаксиальных гетероструктур на основе многокомпонентных
твердых растворов с заданными свойствами
2.2. Когерентная диаграмма состояния пятерных систем
2.3. Стабилизирующее влияние упругих напряжений на период решетки пятерных
твердых растворов
2.4. Термодинамические ограничения при получении полупроводниковых
изоморфных систем пятерных твердых растворов
Выводы к главе
Глава 3. Особенности кристаллизации многокомпонентных твердых
растворов А3В5
3.1. Анализ фазовых равновесий в системе Са-1п-Р-Аь-8Ь
ф 3.2. Определение температуры ликвидуса пятерных систем на основе соединений
А3В5

3.3. Методы исследования гетероструктур многокомпонентных
антимонидов А3В5
3.4. Жидкофазная гетероэпитаксия многокомпонентных твердых растворов
антимонидов
3.4.1 Получение эпитаксиальных слоев из растворов-расплавов,
обогащенных сурьмой
3.4.2 Получение эпитаксиальных слоев из растворов-расплавов,
обогащенных индием
Вывод к главе
Глава 4. Исследование свойств твердых растворов многокомпонентных
* антимонидов
4.1. Зависимость ширины запрещенной зоны от состава (GalnAsSb)
4.2. Структурное совершенство эпитаксиальных слоев
4.3. Фотолюминесцентные свойства твердых растворов GalnPAsSb, изопериодных
GaSb и InAs
4.4. Электролюминесценция гстероструктур GalnPAsSb/InAs
4.4.1. Электролюминесценция изотопного Р-р гетероперехода
4.4.2. Электролюминесценция изотопного N-n гетероперехода
4.4.3. Электролюминесценция гомо р-n перехода в объеме твердого раствора
4.4.4. Фотоответ roMO-P-N-перехода в объеме твердого раствора
• Выводы к главе
Заключение
Литература
Разработка волоконно-оптических линий связи третьего поколения на основе флюоридных волокон с минимальной дисперсией и минимальными оптическими потерями [1] диктует необходимость освоения средней ИК - области спектра (2-5 мкм). В этой спектральной области располагается большинство линий поглощения промышленных и природных газов, т.е. этот спектральный диапазон становится наиболее перспективным для создания медицинских приборов [2], систем лазерной спектроскопии и локации [3, 4], аппаратуры экспресс-мониторинга окружающей среды [5, 6] и т.д.
Перспективными материалами для разработки оптоэлектронной элементной базы в диапазоне 2 - 5-мкм являются узкозонные твердые растворы (ТР) на основе соединений А3В5. К ним, прежде всего, относятся четырехкомпонентные твердые растворы Са1пА55Ь и ^РАвБЬ. Характерной их особенностью является возможность широкого варьирования фундаментальными, а, следовательно, и функциональными свойствами в зависимости от состава и условий синтеза. Существенно меньше внимания уделяется исследованию и получению пятикомпонентных твердых растворов (ПТР), в частности Оа1пРА55Ь, хотя их несомненное достоинство - возможность независимого изменения трех параметров: ширины запрещенной зоны, периода кристаллической решетки и коэффициента термического расширения - является определяющим при выборе материалов гетеропары для формирования гетероперехода со свойствами идеального контакта.
К началу выполнения настоящей работы в литературе имелась ограниченная информация по ПТР А3В5 в основном теоретического характера. Противоречивы и неполны сведения по термодинамике ПТР, закономерностям изменения их электрофизических свойств. Широкая область термодинамической нестабильности ПТР вносит серьезные ограничения па возможность их синтеза в заданном диапазоне составов. В диссертационной работе установлены взаимосвязи между термодинамическими параметрами компонентов, составляющих твердый раствор, фазовыми границами, условиями синтеза, исследованы закономерности эпитаксиального роста при получении гетероструктур на основе многокомпонентных антимонидов А3В5.
Упругая энергия твердого раствора со структурой сфалерита в расчете на один моль вещества может быть представлена выражением
' 2 )” &(а (2.9)
где а и а5 - период решетки эпитаксиального слоя и подложки, У,„ - мольный объем, определяемый выражением Моа3/4, где N0 - число Авогадро, Я,и - приведенный модуль упругости, определяемый интерполяционным выражением вида:
Я;ы(х,у,г) = Я iki.BE + (Ящ.вс - Я (к1,ВЕ)У + (Я|к|,ВО - Я .и.ВЕ^ + (Я|к1,АВ - Я ;к1,вп)х +
+ (Я-ПЫ.АС - Я ikl.BC - Я 1к1,АЕ + Я 1к1.вн)ху + (Я|Ы,до - Я ikl.Br) - Я 1к1,АЕ + Я 1к1,ВЕ)хг . (2.10)
Приведенные модули упругости бинарных соединений - компонентов системы -рассчитываются с учетом кристаллографической ориентации подложки, а значит и эпитаксиального слоя. При ориентации слоя в кристаллографической плоскости (100) легко получить для приведенного модуля упругости следующее выражение:
Я,оо = С11 + С12-2С122/С11 (2.11)
Для слоя, ориентированного в плоскости (111), выражение принимает вид:
) ... 6Си(Си +2С12)
Сц + 2С12 + 4С14 <2Л2>
Численные значения модулей упругости С44, Сц, С/2, и приведенных модулей упругости Люо и Ащ бинарных соединений А3В5 приведены в [17].
Относительная деформация эпитаксиального слоя в плоскости подложки определяется уравнением:
а-а8

а а
да ( да г да /
(2.13)
где х$, ух, zs и х, у, г - состав подложки и эпитаксиального слоя соответственно; а и а, -период решетки твердого раствора и подложки в свободном (ненапряженном) состоянии.
Упругая деформация вызывает только изменение активностей компонентов в твердой фазе, а функции состояния жидкости остаются неизменными.
Коэффициенты активности бинарных компонентов у у в упругодеформированной среде связаны с парциальной избыточной свободной энергией уравнением: