Академия наук республики узбекистан

Апробация работы:
Результаты работы были апробированы на Международной научной конференции “Физика и физическое образование”, Бишкек, 7-9 сентября 2006 г., 1^ой Национальной конференции “Рост кристаллов”, Ургенч, октябрь, 1997 г., II-Республиканской конференции по проблемам физики Термез – 2004, Международной конференции по фотоэлектрическим свойствам полупроводников, Ташкент, 2004, Международной конференции посвященная 90- летию С.А. Азимова, Ташкент, 2004., Международной конференции “Год физика 2005”, Ташкент, октябрь 2005 г., Международной конференции “Актуальные вопросы физики полупроводников”, Андижан, декабрь 2005 г. и других международных и республиканских, а также на семинарах полупроводникового направления ФТИ НПО “ Физика- Солнце” АН РУз и семинарах кафедры физики УрГУ.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 13 научных работ, в том числе 2 статьи в зарубежных научных журналах и 2 статьи в республиканских журналах.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, отражающего общую характеристику работы, четырех глав, заключения, содержащего основные выводы, списка цитируемой литературы, включающего 113 наименований. Она содержит 129 страниц машинописного текста, 27 рисунков и 4 таблиц.


ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. 
   Выращивание и свойства эпитаксиальных слоев твердых растворов
   

Как известно, в последние годы проявляется большой интерес к твердым растворам на основе элементарных полупроводников , и соединений и , так как в таких системах имеются огромные возможности получения материалов с такими свойствами, которые необходимы в полупроводниковом приборостроении [1-3].

Гомогенные сплавы и материалы, относящиеся к такому классу, были получены еще в 1960 году, путем закалки стехиометрических растворов – расплавов [4]. В дальнейшем авторами работ [5-7] были получены твердые растворы в системе во всем интервале концентраций методом бездиффузной кристаллизации, а также зависимость периода решетки образованных твердых растворов от состава. Однако такие материалы не являются истинными твердыми растворами замещения, поскольку такие гомогенные сплавы сохраняют элементы структуры ближнего порядка жидкой фазы [6].
Одной из первых работ посвященных структуре кристаллических решеток твердых растворов типа , является работа [7]. В ней исследуются твердые растворы системы , , полученные методом бездиффузионной кристаллизации во всем интервале концентраций. В этой работе рентгенографическим методом исследован характер изменения периода решетки в зависимости от состава исследуемых материалов. На основе полученных данных делается вывод, что твердые растворы и являются метастабильными твердыми растворами. Причем обращает на себя внимание тот факт, что у всех твердых растворов на основе германия наблюдается значительное отклонение от закона Вегарда. Причиной данного отклонения авторы считают диссоциацию соединений в расплавах по мере увеличения их содержания.
В литературе имеются также сведения о получении ограниченных твердых растворов [8], а также непрерывных твердых растворов , из газовой фазы в интервале [10,11]. Однако, исследования их структурных, физико-химических и физических свойств почти не проводились. Более перспективным для поучения твердых растворов оказался эпитаксиальный метод. В работе [9] методам пиролитичского синтеза впервые получены эпитаксиальные структуры твердых растворов замещения во всем интервале концентраций компонентов, подложками в которых служили и .
Основными рабочими предпосылками для образования твердых растворов, принятыми в работе [9], являлись: химическое подобие структур алмаза и сфалерита; прочность ковалентных связей и , сравнимых по энергиям с соответствующими связями и ; существование пар с близкими тетраэдрическими связями атомов входящих в них элементов . Кроме того, жидкофазный метод дает возможность проведения эпитаксии при существенно низких температурах, чем температура плавления кристаллизующихся веществ, при которых можно рассчитывать на торможение миграционных процессов как в объеме, так и на поверхности растущих кристаллов, что является необходимым условием получения и существования таких твердых растворов в метастабильном состоянии.
В работе [9] отмечается, что основным условием образования метастабильных фаз является создание на фронте кристаллизации достаточно высоких пересыщений по каждому из компонентов твердого раствора, обеспечивающих, во-первых, термодинамическую возможность его появления в системе, во – вторых, равную практическую вероятность закрепления атомов взаимозаменяющих элементов в соответствующих им узлах поверхностного слоя кристалла. Также в данной работе отмечено, что эти требования, и в особенности второе из них, трудно выполнимы, если процесс кристаллизации протекает с участием обратимой химической реакции.
Эпитаксиальные слои, полученные в [9], были однородны по составу. Их однородность можно было регулировать отношением парциальных давлений и в водороде, слои имели зеркальную поверхность во всем интервале составов. Приведено распределение компонентов по толщине слоев. Определена зависимость постоянных решеток в гетероструктурах от состава, которая показала отклонение от закона Вегарада. Измерением оптического пропускания материала оценена зависимость ширины запрещенной зоны твердого раствора от состава. Показано также, что начиная с структура зоны твердого раствора переходит от прямого к непрямому. Изучен ближний и дальний порядок кристаллов твердого раствора.
Отличительная особенность систем связана с возможностью существования рядов непрерывных твердых растворов между компонентами, обладающими различными типами кристаллической структуры (алмаз - сфалерит). Для интерпретации полученных результатов крайне важно определить концентрационные области существования структурных типов сфалерита и алмаза в твердых растворах. Явление структурного фазового перехода сфалерит – алмаз можно представлять как такое изменение дальнего порядка кристалла, при которым становится равновероятным появление атомов сорта А и В во второй и последующих координационных сферах любого атома в решетке твердого раствора . При этом должны исчезать различия химического состава кристалла в обеих подрешетках и связанная с ним полярность плоскостей , характерная для бинарных соединений и твердых растворов со структурой сфалерита. В результате кристаллы приобретают инверсионную симметрию подобно кристаллам твердых растворов элементов IV группы .
Основываясь на малой вероятности появления связей и в решетке , авторы в работе [9] сводят задачу со структурным фазовым переходом к определению области существование бесконечного трехмерного кластера , обеспечивающего преимущественное разделение атомов А и В по различным подрешеткам кристалла. Однако в работе [9] также отмечается, что, определяя положение структурного фазового перехода в твердых растворах , необходимо иметь в виду, что такой переход не связан с некоторым однозначно определенным критическим составом, поскольку последний зависит от способа взаимного замещения атомов и в решетке кристалла. Так как в зависимости от условий кристаллизации и последующей термообработки в гомогенных твердых растворах одного и того же состава может в разной степени проявляться тенденция к преимущественной координации атомов и вплоть до образования твердого раствора, соответствующего квазимолекулярному замещению , предполагающему обязательное существование пар и или более сложных ассоциантов в решетке кристаллов при любых значениях .
Понимаемое таким образом упорядочение твердого раствора может характеризоваться концентрацией избыточных по отношению к условиям атомарного замещения парных контактов и в решетке кристалла. Степень упорядоченности твердых растворов в основном определяется технологическими параметрами (температура роста, температура термообработки, продолжительность термообработки).
Некоторые электрофизические, люминесцентные свойства твердых растворов в зависимости от состава были изучены в работе [1]. Эпитаксиальные слои твердого раствора были получены на подложках полуизолируюшего GaAs (100). Толщина слоев составляла 1 – 5 мкм. Было показано, что с ростом содержания германия растворы из электронного типа проводимости переходят в дырочный тип. Причем для твердых растворов с составами близкими к переходной области, характерно уменьшение концентрации носителей и возрастание их подвижностей. Варьирование условиями получения твердых растворов показало, что значения состава, отвечающего конверсии типа проводимости определяется главным образом температурой выращивания.
Повышение температуры сдвигает в сторону меньших концентраций германия. Например, эффект конверсии типа проводимости имеет место в твердых растворах, полученных при температуре в пределах и в при .
Известно, что легирование соединений элементами IV группы приводит к получению материала как n – типа, так и p - типа проводимости в зависимости от характера нарушения стехиометрического соотношения между , возникающего в результате преимущественного замещения в решетке кристалла атомов одного из этих элементов атомами . Неизменность структуры ближнего порядка при переходе от к [9] позволяет считать, что во всем интервале составов твердых растворов их тип проводимости определяется характером отклонения от стехиометрии по галлию и мышьяку. Рассматриваемые твердые растворы получены в условиях избытка над в газовой фазе. В аналогичных условиях легирование германием эпитаксиальных слоев приводит к электронной проводимости с концентрацией n = . Поэтому можно предполагать, что проводимость n – типа твердых растворов на основе также вызвана незначительным избытком в галлиевой подрешетке кристалла.
Исследование спектров фотолюминесценции твердых растворов показало [12], что c ростом содержания Ge широкая полоса излучения с полушириной , на которой иногда проявляются менее интенсивные полосы, трансформируется в одну полосу с полушириной . Из зависимости максимума основной полосы излучения и полос, проявляющихся на ее высокоэнергетическом спаде, от состава твердых растворов [12], видно, что максимум энергии излучения совпадает с шириной запрещенной зоны, определенной по оптическим измерениям, только для составов, близких к 50% .
В работе [13] предложена простейшая модель твердого раствора, в которой единственное ограничение на расположение атомов состоит в отсутствии пар ближайших соседей типа . В этой модели описание фазового перехода сводится к задаче узлов теории протекания. На основе анализа различных возможностей, расположения атомов твердого раствора в зависимости от “x” предложена модель. В приближении виртуального потенциала оценена зависимость ширины запрещенной зоны от “x”. Показано, что ширина запрещенной зоны твердого раствора до состава остается постоянной на уровне 0.8 эВ, после чего следует возрастание.
В работе [14] рассчитана зонная структура твердого раствора вариационным методом ЛКАО с учетом неупорядоченности и отличием параметров ЛКАО раствора от параметров чистых веществ. Расчет выполнен в трех приближениях. Твердые растворы методом жидкофазной эпитаксии впервые были получены в работе [15]. В качества жидкой фазы был использован свинцовой раствор-расплав. Рост осуществлялся в температурном интервале , и в качестве подложек были использованы пластины германия и арсенида галлия. Слои имели дырочный тип проводимости, а толщина их изменялась в интервале в зависимости от продолжительности роста. Исследованием распределения компонентов по толщине при помощи микроанализатора “CAMECA” было показано, что содержание GaAs увеличивается вдоль оси роста, достигая 90% на поверхности, а характер распределения изменяется при замене подложек на .
Структурные совершенства границы раздела изучены анализом растровых картин сколов структур, снятых на характеристических рентгеновских излучениях .
Твердые растворы из висмутового раствора расплава были получены в работе [16]. В работе [17] изучена температурная зависимость Холловской подвижности дырок в твердом растворе при различных составах. Было показано, что с ростом “x” величина подвижности дырок увеличивается.
Метод жидкофазной эпитаксии оказался перспективным также для получения других твердых растворов рассматриваемого типа. Так в работе [18] были выращены эпитаксиальные слои твердых растворов из оловянного раствора-расплава при температуре . Полученные слои имели электронный тип проводимости, а толщина изменялась в интервале . Были изучены распределения компонентов по толщине слоев, которые показали, что содержание кремния уменьшается вдоль направления роста.
В работе [19] были получены непрерывные твердые растворы и методом жидкофазной эпитаксии и исследованы некоторые их свойства. Твердые растворы были выращены из оловянного раствора расплава соответственно в интервале температур 700-850⁰ C и 750-900⁰ С. Предварительно изучены растворимости GaP, GaAs и Si в олове. Подложками при этом служили шайба Si n - и p – типов проводимости.