Академия наук республики узбекистан

ГЛАВА II


МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ



ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Оценка возможности образования твердых растворов на основе элементов четвертой группы и соединений с помощью правил растворимости многокомпонентных систем.

Благодаря своим уникальным физическим свойствам твердые растворы в настоящее время находят более широкое применение в современной микро- и оптоэлектронике. Поэтому весьма перспективным является исследование возможности выращивания соединений и эпитаксиальных слоев их твердых растворов на более дешевых подложках, таких как моно – и поликристаллический кремний с использованием метода жидкофазной эпитаксии. Соединения и их твердые растворы являются самыми приемлемыми материалами в полупроводниковом приборостроении. Эти материалы используется при изготовлении солнечных элементов, инжекционных лазеров и фотопреобразавателей (ФП) с высоким КПД. Область применения этих полупроводников можно значительно расширить, используя их твердые растворы , благодаря возможности контролируемого изменения ширины запрещенной зоны, а также отдельных свойств, сохраняя при этом другие.

Возможности практического применения твердых растворов на основе элементов IV группы и соединений , их гетероструктур еще полностью не выявлены и требуют дальнейшего поиска, связанного с повышением чистоты материалов и выяснением поведения примесей, а также с достижением высокого кристаллического качества. В связи с этим проведение систематических теоретических и экспериментальных исследований условий выращивания эпитаксиальных слоев широкозонных твердых растворов и получение на их основе гетероструктур с заданными свойствами является актуальной задачей.
Как показали лабораторные исследования, фотопреобразователи на основе более устойчивы к электронному и протонному воздействию, чем ФП из традиционных полупроводников. Кроме того, подобные ФП обладают рядом дополнительных преимуществ: радиационные дефекты в отжигаются при температуре , а при инжекции неосновных носителей заряда прямым смещением радиационная деградация уменьшается с ростом концентрации легирующей примеси в р – базе [55, 56]. Поэтому инжекционные ФП из - весьма перспективны для применения в космосе и представляют несомненный интерес. Важно выяснить условия выращивания на подложках , так как параметры решетки и значительно различаются.
Очевидно, что экспериментальный поиск получения возможных новых твердых растворов методом проб и ошибок требует больших материальных и энергетических затрат. Поэтому, необходимо сузить круг компонентов, между которыми могут образоваться твердые растворы с удовлетворительным структурным совершенством.
Правила растворимости многокомпонентных систем, предложенные авторами работ [57], являются хорошей отправной точкой для поиска новых твердых растворов.
Для растворимости многокомпонентных систем в работе [54] была предложена формула
(2.1)
которая для двухкомпонентных систем (когда ), имеет вид
(2.2)
где
(2.3)
в (1) – (3), и - мольные доли фаз и ; - валентность, ковалентный радиус атомов компоненты ; постоянная Больцмана; абсолютная температура, и - некоторые константы, определяемые экспериментально; индекс - относится к растворителю.
Согласно (2.2), чем меньше разности и , тем больше растворимость компонента 1. Если компонентами системы являются двойные соединения типа (А, В - элементы IV группы, и ), то
(2.4)
(2.5)
Обобщая экспериментальные данные, согласно которым непрерывный ряд твердых растворов образуется на основе теории элементарных металлов [58] и двойных полупроводниковых соединений [59], и если их компоненты имеют одинаковые типы кристаллических решеткок и химических связей, а разность радиусов их атомов или молекула не превышает 15%, используя (2.4) и (2.5), автор работы [57] предлагает следующие условия образования непрерывных твердых растворов замещения двойных соединений:


(2.6)
(2.7)
Как было указано выше, чем меньше разность между раствораобразующими компонентами, тем перспективнее данная пара в смысле образования совершенных твердых растворов в широком интервале концентраций.

На основе формул (2.1) - (2.7) нами составлена таблица 2.1, из которой можно сделать вывод о перспективности получения того или иного твердого раствора класса .

В таблице 2.1 также представлены некоторые сведения для соединений типа и , т.е. значения их запрещенных зон , суммы радиусов атомов элементов , а также величины удовлетворяющие условию (2.7). Как видно из табл. 2.1, могут образовывать непрерывный ряд твердых растворов с соединениями приблизительно в 14 случаях.

Таблица 2.1.

Параметры компонентов гипотетических твердых растворов с содержанием и .

	A2, AB
	Eg, eV	Eg, eV		0,67		1,08		<1,08
		RA+RB, Å RC+RD, Ǻ		2,44		2,34		2,39
	2,42	2,36		0,08		-0,02		0,03
	2,25	2,36		0,08		-0,02		0,03
	1,34	2,54		-0,10		-0,20		-0,15
	2,16	2,44		0,0		-0,10		0,05
	1,45	2,44		0,0		-0,10		-0,05
	1,60	2,62		-0,18		-		0,23
	0,79	2,62		-0,18		-		0,23
	0,18	2,80		-		-		-
	3,54	2,35		0,09		-0,01		0,04
	2,80	2,45		-0,01		-0,11		-0,06
	2,30	2,63		-0,19		-		-
	2,48	2,52		-0,08		-0,18		-0,13
	1,85	2,62		-0,18		-		-
	1,47	2,80		-		-		-

Как видно из таблицы 2.1, кристаллически-совершенные твердые растворы могут быть образованы между германием и фосфидами, германием и арсенидами, в то время как образование твердых растворов между кремнием и некоторыми соединениями незначительны.
Отметим что, система так же входит к числу перспективных пар в смысле образования твердого раствора.