WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

СЫСОЕВ Игорь Александрович

 

ЭПИТАКСИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ АIIIВV

С МИКРО- И НАНОСТРУКТУРОЙ

В ПОЛЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАДИЕНТА

Специальность: 05.27.06 ­­­ «Технология и оборудование для производства  полупроводников, материалов и приборов электронной техники»

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание  ученой степени

доктора технических наук

Ставрополь ­

2010

Работа выполнена на кафедре физики ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» (Новочеркасский политехнический институт), Волгодонский институт (ф) ЮРГТУ (НПИ).

  Научный консультант –              заслуженный деятель науки

         Российской Федерации,

       доктор физико-математических

       наук, профессор ЛУНИН Леонид Сергеевич

Официальные оппоненты  –  ­­­ доктор технических наук,

  профессор ПАНИЧ Анатолий Евгеньевич

  доктор технических наук,

  профессор ТРИПАЛИН Александр Сергеевич

  доктор химических наук,

  профессор ВАЛЮХОВ Дмитрий Петрович

Ведущая организация  – Физико-технический институт

  имени  А. Ф. Иоффе РАН,

  г. Санкт-Петербург

Защита состоится “26” марта 2010 года в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.03 в ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» (СевКавГТУ) по адресу: 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» (СевКавГТУ).

Автореферат разослан “___” _______ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат химических наук

С. Э. Хорошилова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Прогресс в области микро- и наноэлектроники в значительной степени определяется достижениями физики и технологии полупроводниковых материалов. К перспективным материалам относятся, в частности, полупроводниковые структуры на основе многокомпонентных твердых растворов (МТР) АIIIВV. Интерес к ним вызван возможностью формирования структурно совершенных гетеропереходов за счет одновременного согласования параметров решетки и коэффициентов термического расширения сопрягающихся материалов, а также возможностью формирования наноструктур при создании определенного уровня механических напряжений в получаемых структурах. Применение подобных микро- и наноструктур позволяет значительно улучшить параметры полупроводниковых и, в первую очередь, оптоэлектронных приборов самого различного назначения. Так, возможность получения кристаллических совершенных пленок позволяет увеличить чувствительность фотоэлементов, а получение наноструктур с квантовыми точками повысить КПД солнечных фотопреобразователей.

Направленностью экспериментальных исследований настоящей работы является получение МТР соединений АIIIВV с помощью освоения новых недорогих технологических методов, что очень важно в настоящее время для изготовления полупроводниковых оптоэлектронных приборов с повышенными эксплутационными параметрами.

Существует возможность получения совершенных микро- и наноструктур МТР соединений АIIIВV из жидкой и газовой фазах с помощью градиентной эпитаксии (ГЭ). Особенностью технологии ГЭ, как в жидкой фазе, так и в газовой, при использовании твердого источника, является возможность получения микроструктур твердых растворов соединений АIIIВV с заданным распределением компонентов, а также возможность формирования наноструктур необходимого размера.

К началу выполнения работы в литературе имелась ограниченная информация по технологическим особенностям ГЭ при получении микро- и наноструктур соединений АIIIВV. Сообщений о получении в поле температурного градиента многокомпонентных каскадных и тонкопленочных наноструктур вообще нет. Технологические основы градиентных методов эпитаксии многокомпонентных гетероструктур соединений АIIIВV с единых позиций сформулированы недостаточно, поэтому тема диссертационной работы является актуальной как с научной, так  и с прикладной точек зрения.

Целью настоящей работы является:

  1. разработка основ ГЭ МТР соединений АIIIВV с единых позиций в жидкой и в газовой фазах;
  2. разработка технологической оснастки и цифровых систем управления для получения МТР соединений АIIIВV в поле температурного градиента;
  3. разработка технологии ГЭ МТР соединений АIIIВV с заданным распределением элементов для получения микро- и наноструктур МТР соединений АIIIВV с использованием в высокоэффективных солнечных элементах.

В связи с этим решались следующие задачи:

  1. разработка технологической оснастки и высокоточных цифровых систем управления для получения в поле температурного градиента слоев твердых растворов соединений АIIIВV;
  2. проведение исследований кинетики кристаллизации твердых растворов  AlxGa(1-x)As, AlxGa(1-x)PyAs(1-y), GaxIn(1-x)PyAs(1-y), AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) в поле температурного градиента в зависимости от температуры, температурного градиента, толщины и состава жидкой или газовой зон;
  3. экспериментальные исследования распределения компонентов в эпитаксиальном слое (ЭС) и нахождение зависимости коэффициентов распределения компонентов соединений АIIIВV от состава зоны и температуры процесса эпитаксии;
  4. разработка технологических моделей ГЭ МТР гетероэпитаксиальных слоев твердых растворов AlxGa(1-x)As, AlxGa(1-x)PyAs(1-y), GaxIn(1-x)PyAs(1-y),  AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) на основе эмпирических зависимостей;
  5. экспериментальное исследование процесса перекристаллизации лазерных  структур  на  основе  соединений AlxGa(1-x)As  с  помощью сверхтонких линейных зон;
  6. исследование особенностей технологии ГЭ при формировании микро- и наноструктурных элементов МТР AlxGa(1-x)As, AlxGa(1-x)PyAs(1-y), GaxIn(1-x)PyAs(1-y),  AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) в жидкой и газовой зонах;
  7. исследование электрофизических свойств МТР AlxGa(1-x)As, AlxGa(1-x)PyAs(1-y), GaxIn(1-x)PyAs(1-y), AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) и параметров оптоэлектронных приборов, изготовленных на их основе.

Научная новизна работы

  1. Впервые разработаны технологические основы ГЭ МТР (AlxGa(1-x)As,  AlxGa(1-x)PyAs(1-y), GaxIn(1-x)PyAs(1-y), AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z)), позволяющие с единых позиций описать формирование микро- и наноструктур.
  2. Исследована и обобщена кинетика кристаллизации МТР соединений АIIIВV, и впервые экспериментально обнаружено, что с увеличением концентрации Al и P в пятикомпонентном твердом растворе (ПТР) AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) уменьшается скорость роста слоя, а увеличение концентрации In и Ga повышает скорость роста слоя при ГЭ в жидкой фазе.
  3. Проведены исследования кинетики кристаллизации МТР соединений АIIIВV, полученных методом химических транспортных реакций в условиях близкого переноса компонентов в газовой фазе, и впервые обнаружено уменьшение скорости роста слоя при увеличении ширины запрещенной зоны (Eg)  источника.
  4. Впервые экспериментально обнаружено аномальное поведение зависимости коэффициента распределения Al от концентрации In в жидкой фазе, а именно, резкое снижение его при повышении концентрации In в жидкой фазе более 70 %.
  5. Выявлены условия, обеспечивающие получение бездефектных  варизонных и каскадных микро- и наногетероструктур AlxGa(1-x)As/GaAs, AlxGa(1-x)PyAs(1-y) /GaAs, GaxIn(1-x)PyAs(1-y)/GaAs,  AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z)/GaAs.
  6. Впервые предложен новый метод, основанный на использовании специально подготовленных источников массопереноса – тонкопленочных, многослойных поликристаллических или аморфных композитов для формирования необходимой геометрии эпитаксиальных слоев с заданным распределением компонентов в микро- и наноструктурах.
  7. Разработана технологическая модель ГЭ МТР для получения микро- и наноструктур AlxGa(1-x)As, AlxGa(1-x)PyAs(1-y), GaxIn(1-x)PyAs(1-y), AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z), как в жидкой, так и в газовой зонах на основе эмпирических зависимостей скорости роста ЭС и коэффициентов распределения компонентов.
  8. Исследования структурных и электрофизических параметров ПТР  AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z), полученных с помощью ГЭ, впервые показали улучшение свойств этих микро- и наноструктур по отношению к трех- и четырехкомпонентным, что обеспечило рост характеристик, полученных на их основе фотоэлементов и солнечных фотопреобразователей.

Практическая  значимость

  1. Результаты научной работы, полученные в ходе проведения теоретических и экспериментальных исследований, позволили качественно и количественно описать процессы ГЭ применительно к жидкой и к газовой фазам с единых позиций, что позволило применить математический аппарат описания процессов распределения компонентов в ЭС МТР микро- и наноструктур соединений АIIIВV.
  2. Для реализации возможности проведения ГЭ сконструированы: тепловой узел с заданным распределением температуры в технологической оснастке, технологические графитовые кассеты кругового типа с внутренним и внешним расположением ячеек для раствора-расплава для проведения ГЭ при получении эпитаксиальных микро- и наноструктур соединений АIIIВV. Разработан и апробирован комплекс цифрового управления ГЭ в жидкой и газовой фазах, что позволило управлять температурой и температурным градиентом с точностью ±0,1 K в статическом режиме и ±1 K в переходном режиме. Это позволило улучшить качество и воспроизводимость экспериментальных результатов, при этом значительно сократилось: время исследований, расходные энергетические и материальные ресурсы.
  3. В разработанных технологических кассетах реализованы: метод формирования композиции из двух подложек и раствора-расплава, метод формирования на полупроводниковой подложке системы жидкая зона и твердый источник для перекристаллизации, который позволяет значительно, в десятки раз, уменьшить расход материала и повысить воспроизводимость ГЭ МТР соединений АIIIВV. Определены параметры, необходимые для роста МТР: температура процесса ГЭ в жидкой фазе изменяется от Тмин = 700 °С до Тмах = 900 °С, температурный градиент изменяется от GT = -100 K/см до GT = 100 K/см, концентрация компонентов – 0  CLAl  1 at.%, 0  CLIn  70 at.%, 0  CLP  1 at.%, 0  CLAs  4 at.%. Получены варизонные слои и многослойные структуры AlxGa(1-x)As, AlxGa(1-x)PyAs(1-y), GaxIn(1-x)PyAs(1-y), AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z), толщиной до 50 мкм с заданным изменением Eg, пригодные для изготовления фотодетекторов и солнечных элементов.
  4. Разработана технология перекристаллизации лазерных гетероструктур  AlxGa(1-x)As/GaAs с использованием сверхтонких, свинцовых и висмутовых линейных зон, которые позволяют получать непоглощающие широкозонные оптические окна.
  5. Разработаны технологические маршруты ГЭ МТР: для микроструктур (с использованием жидких зон толщиной 100500 мкм); для наноструктур (при использовании жидких зон толщиной 1÷15 мкм); для газового транспорта в условиях близкого переноса компонентов в поле температурного градиента толщиной зон до 5 мм. Разработан метод ГЭ в газовой фазе для формирования устойчивых наноразмерных структур соединений АIIIВV, имеющих регулярный характер распределения их на поверхности, который отличается простой технологической оснасткой.
  6. Разработана технология получения солнечных элементов на основе твердых растворов Al0,7Ga0,3As с =24,5 %, Al0,,7Ga0,3P0,05As0,95 с =26,6 %, Al0,7Ga0,25In0,05Pz0,1As0,9 с =28,3 %, указывающие на рост эффективности при увеличении числа компонентов в полупроводниковой структуре соединений АIIIВV.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Комплекс технологического оборудования для обеспечения получения МТР соединений АIIIВV в поле температурного градиента со следующими данными: остаточное давление газа в реакционной камере от 1 Па до 2 МПа; температура в рабочей зоне технологической оснастки до Т = 1300 K; осевой температурный градиент от GT = -100 K/см до GT = 100 K/см; радиальный температурный градиент не более GR = 1 K/см.
  2. Разработка цифровой системы автоматического регулирования и программного обеспечения для высокоточного управления температурным режимом ГЭ обеспечивает следующие параметры управления температурным режимом: точность поддержания температуры в статическом режиме не хуже ±0,1 K, точность поддержания температуры в динамическом режиме не хуже ±1 K. Разработка программы для формирования базы экспериментальных данных температурного режима ГЭ с целью использования в вычислительном эксперименте в среде MathCad по расчету распределения компонентов в эпитаксиальном слое.
  3. Эмпирические зависимости скорости роста в жидкой и газовой фазах, коэффициентов распределения в ПТР AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) от состава жидкой фазы и температуры для расчета распределения компонентов в эпитаксиальном слое при ГЭ.
  4. Технология ГЭ для получения варизонных и каскадных микро- и наноструктур ПТР AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) на основе перекристаллизации в жидкой фазе предварительно подготовленных тонкопленочных структур, микро- и наноструктур МТР АIIIВV на основе химического транспорта из близко расположенного источника.
  5. Методика получения сверхтонких линейных зон для перекристаллизации лазерных гетероструктур AlxGa(1-x)As/GaAs при получении непоглощающих широкозонных оптических окон.
  6. Применение микро- и наноструктур МТР AlxGa(1-x)As, AlxGa(1-x)PyAs(1-y), GaxIn(1-x)PyAs(1-y), AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) в высокочувствительных фотоприемных устройствах и высокоэффективных солнечных элементах.

Совокупность перечисленных положений и конкретных результатов исследований составляет основу научно обоснованных технических и технологических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны: технология ГЭ МТР соединений АIIIВV в тонкой плоской ростовой зоне с использованием многокомпонентных источников заданной конфигурации.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена наличием системы калибровки измерительных устройств и подтверждена при отработке методик на известных физических моделях полупроводниковых материалов и структур, а также использованием общепринятых моделей и совпадением экспериментальных и расчетных результатов работы с данными, опубликованными в литературе.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV, V конференциях по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Минск, 1986; Калуга 1990), III совещании по физике и технологии широкозонных полупроводников (Махачкала, 1986), 7 конференции по росту кристаллов (Москва, 1988), I конференции по  физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), EIGHTH INTERNATIONAL CONFERENC ON TERNARY AND MULTINARY COMPAUNDS (Kishinev, 1990), II научной конференции по фотоэлектрическим  явлениям в полупроводниках (Ашхабад, 1991), конференции по электронным материалам (Новосибирск, 1992), Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века», (Севастополь – Донецк, 1998), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-98» (Москва, 1998), Международной конференции по физическим процессам в неупорядоченных полупроводниковых структурах (Ульяновск, 1999), Международной конференции «Оптика полупроводников» (Ульяновск, 2000), Международной конференции по прогрессивным научным технологиям и системам машиностроения (Донецк, 2000), 12-м международном симпозиуме по тонким пленкам в электронике (Харьков, 2001), Международной научной конференции по кристаллизация в наносистемах (Иваново, 2002), 5-й международной конференции молодых ученых и студентов по актуальным проблемам современной науки (Самара, 2004), 9-й международной научно-технической конференции по актуальным проблемам твердотельной электроники и микроэлектроники (Дивноморское – Таганрог, 2004), IV, VI международных научных конференциях «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск – Ставрополь, 2004, 2007), International Scientific Colloquium  Technische Universitat (Ilmenau, 2006), Конференции «Нанотехнологии-производству-2006» (Фрязино, 2006), V международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации, Кристаллизация для нанотехнологий, техники и медицины» (Иваново, 2008), а также на конференциях, совещаниях, семинарах лаборатории физики полупроводников ВИ (ф) ЮРГТУ (НПИ) и  на кафедре физики ЮРГТУ (НПИ).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертации опубликовано 72 работы (из них 13 в журналах, рекомендованных ВАК), в том числе: 35 статей, 34 тезиса докладов, 2 патента и 1 монография, где полностью изложены основные положения диссертации.

ОБЪЕМ РАБОТЫ И ЕЕ СТРУКТУРА. Диссертационная работа состоит из введения и шести глав, заключения, списка литературы; содержит 262 страницы машинописного текста, 320 иллюстраций, 12 таблиц. Библиография включает 148  наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основная цель и задачи исследований, представлена научная новизна и практические результаты работы, изложены научные положения, выносимые на защиту. 

В первой главе  проведен критический анализ основных параметров и свойств  МТР соединений АIIIВV в микро- и нано- исполнении, а также возможности их использования в приборах оптоэлектроники.

Проанализированы способы получения МТР соединений АIIIВV, приведены примеры получения микро- и наноструктур на основе соединений АIIIВV различными способами и технологическими приемами. Рассмотрен вариант жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) с использованием подпитки раствора-расплава из твердого источника, который позволяет расширить пределы управления составом по толщине слоя, а кристаллизацию проводить в изотермических условиях. Вариант ЖФЭ в поле температурного градиента получил название метода зонной перекристаллизации градиентом температуры (ЗПГТ). Используя при ЗПГТ подпитку из твердого источника, можно выращивать как варизонные, так и однородные по составу пленки МТР, а также многослойные каскадные микро- и наноструктуры.

Проанализированы  особенности фазовых равновесий трехкомпонентных и четырехкомпонентных полупроводниковых соединений АIIIВV. Рисунки 1 и 2 иллюстрируют расчетные значения составов твердых растворов AlGaInPAs, изопериодных подложкам GaAs, и зависимость ширины запрещенной зоны твердого раствора AlGaInРAs от состава при различном содержании In, которые являются объектом исследования в данной работе.

Рисунок 1 – Изопараметрические GaAs-поверхности твердого раствора AlGaInPAs как функции состава

Рисунок 2 – Зависимость ширины запрещенной зоны твердого раствора AlGaInРAs от состава при  CSIn = 0 мол.дол.; CSIn = 0,3 мол.дол.;  CSIn = 0,6 мол.дол.; CSIn =0,8 мол.дол.

Показана возможность получения как совершенных кристаллических пленок с минимальными напряжениями на границе раздела, так и твердых растворов с заданным напряжением для синтеза наноразмерных активных структур с расширенным диапазоном спектральной фоточувствительности для фотоэлементов и фотоэлектрических преобразователей. На основе проведенного обзора осуществлена постановка задач исследования.

Вторая глава посвящена технологическим основам ГЭ МТР АIIIВV в жидкой и газовой фазах. Рассматриваются физико-химические особенности ГЭ как в жидкой, так и в газовой фазах применительно к многокомпонентным соединениям АIIIВV. Обсуждаются факторы, влияющие на процесс эпитаксиального роста в поле температурного градиента полупроводниковых МТР АIIIВV из жидкой фазы. Приводятся особенности термодинамического анализа при массопереносе в газовой фазе компонентов МТР АIIIВV в поле температурного градиента. Выявлено влияние состава и структуры источника при перекристаллизации на условия роста и распределение компонентов в твердых растворах АIIIВV. Приводится методика и алгоритм расчета по закономерностям роста эпитаксиальных слоев для МТР соединений АIIIВV. Рассматриваются результаты расчета распределения компонентов в эпитаксиальных слоях при различных технологических режимах.

На базе экспериментальных данных была получена эмпирическая зависимость скорости роста ЭС от толщины жидкой зоны, состава МТР в диапазоне температур от 900 К до 1200 K:

,                        (1)

где l – толщина жидкой зоны (мкм); Fk,  Bk,  Ck,  Dk,  Ek –  эмпирические постоянные, значения которых равны: Fk= 0,02 (с-1); Bk= 0,2; Ck= 0,001; Dk= -0,006 (мкм-1); Ek = 0,5; CSP, CSAl, CSIn – концентрация фосфора, алюминия, индия в твердой фазе (мол.дол.); vK – скорость роста эпитаксиального слоя (мкм/с), R – универсальная газовая постоянная; Т – температура (K).

Получены эмпирические зависимости (2–4) коэффициентов распределения для Al, In и P, которые определяют состав ПТР AlxGayIn1-x-yPzAs1-z.

,

(2)

где CLIn, CLAl – концентрации индия и алюминия в жидкой фазе соответственно (мол.дол.). Значения AAl, BAl, CAl, DAl, EAl, FAl, GAl, HAl, MAl зависят от температуры и имеют следующий вид:

AAl=119·T-89800                BAl=-68,3·T+51500        CAl=0,55·T-251

DAl=-0,44·T+270                EAl=0,4·T-265                FAl=0,44·T-362

GAl=-118·T-88700                HAl=67,4·T-50000                MAl=-1,09·T+819

,

(3)

где CLIn, CLP – концентрации индия и фосфора в жидкой фазе соответственно (мол.дол.). Значения AP, BP, CP, DP, EP, FP, GP, HP, MP зависят от температуры и имеют следующий вид:

AP=6,22·T+5000                BP=5,33·T-4290                CP=-1,02·T+821

DP=-5,2·T+4430                EP=12,8·T-9840                FP=-1,35·T+1010

GP=5,9·T-4700                HP=0,94·T-999                MP=1,85·T-1440

,

(4)

где CLIn – концентрация индия в жидкой фазе (мол.дол.), значения AIn, BIn, CIn, зависят от температуры следующим образом:

AIn=0,00096·T+0,06;        BIn=-0,0007·T-0,085;        CIn=0,00062·T-0,317.

       

       Показано, что приведенные эмпирические зависимости корректно отображают полученные экспериментальные данные для МТР: AlxGayIn1-x-yAs, AlxGa1-xPyAs1-y, AlxGayIn1-x-yPzAs1-z по распределению элементов в ЭС соединений АIIIВV.

       При моделировании процесса ГЭ в жидкой зоне для расчета перераспределения компонентов: 1) не учитывается диффузия в твердой фазе; 2) не учитывается изменение толщины жидкой зоны в процессе ГЭ; 3) полагается, что диффузионные процессы успевают выровнять состав жидкой фазы при ее движении.

       Метод ГЭ в газовой фазе основан на протекании ряда химических реакций в зоне источника и в зоне осаждения. Целью термодинамического анализа данного метода является определение возможных реакций, участвующих в переносе вещества на поверхность подложки, а также определение оптимальных значений температуры, которые должны иметь источник и подложка при проведении этого процесса.

Метод ГЭ в газовой фазе предполагает протекание реакции как в прямом, так и в обратном направлениях при незначительном изменении температуры. Например, при переносе GaP от источника к подложке, из графика зависимости lgKp от температуры (рисунок 3) видно, что этому условию удовлетворяют те реакции, для которых значение Kp близко к единице.

lgKp

Т, К

Рисунок 3 – Расчетные зависимости изменения константы равновесия при синтезе GaP для различных типов химических реакций от температуры реакций:  – (2GaP(TB) + H2O(Г) ↔ Ga2O(Г) + H2(Г) + P2(Г)), - (4GaP(TB) + 2H2O(Г) ↔ 2Ga2O(Г) +P4(Г) + 2H2(Г)), – (2GaP(TB) + H2O(Г) ↔ Ga2O(ТВ) + H2(Г) + P2(Г)), – (4GaP(TB) + 2H2O(Г) ↔ 2Ga2O(ТВ) +P4(Г) + 2H2(Г))

Расчеты показывают, что в зоне источника при соответствующей температуре происходит накопление газообразных продуктов этих реакций. Возникает градиент концентрации этих продуктов, который стимулирует диффузионный перенос их к подложке. В зоне подложки при температуре меньше соответствующей равновесной реакция смещается в сторону исходных веществ, идет синтез соединения, сопровождающийся освобождением воды-транспортера. Как показывает анализ, процесс градиентной эпитаксии в газовой фазе соединений GaP, GaAs, InP, InAs следует проводить при температурах в интервале от 600 до 1200 К.

Третья глава содержит описание технологических аспектов ГЭ МТР в плоской тонкой жидкой и газовой зонах с использованием источников заданной конфигурации. Сформулированы требования к оборудованию для выращивания полупроводниковых МТР, в том числе с наноструктурными элементами. Основные аспекты методики – особенности программного обеспечения системы управления процессом градиентной жидкофазной и газофазной эпитаксий, использование многосекционных кассет, позволяющих производить как перекристаллизацию твердых источников при однократном проходе жидких зон, так и формирование заданных концентрационных профилей путем возвратно-поступательного движения зон. 

На рисунке 4 показан тепловой узел с технологической кассетой. Здесь же указан шток, с помощью которого производится воздействие на поршни и на верхний диск для его вращения. Это позволяет производить отдельно гомогенизацию раствора-расплава и смачивание им сэндвича.

                               а)                                                        б)

Рисунок 4 – Тепловой узел с расположенными технологической кассетой и штоком (а) и тепловой узел в сборе с технологической оснасткой (б)

Для формирования необходимого температурного профиля в технологической оснастке было предложено использовать дополнительные внутренние тепловые экраны. Согласно приведенным результатам расчетов и экспериментальным данным распределения температуры в тепловом узле использование двух дополнительных графитовых экранов позволило уменьшить разницу температур между серединой технологической кассеты и ее краем до  2,1 K. Таким образом, радиальный температурный градиент составил около 0,26 K/см, что в 12,5 раз меньше, чем без экранов.

Разработанное технологическое оборудование позволило выращивать совершенные кристаллические полупроводниковые слои с помощью ГЭ как в жидкой, так и газовой фазе.

Были разработаны технологические кассеты (рисунки 5 и 6) для проведения жидкостной градиентной эпитаксии.

а)

б)

Рисунок 5 – Технологическая кассета с внутренним расположением ячеек для раствора-расплава: а) схематический разрез: 1 – крепежные болты, 2 – средний диск с ячейками под расплав, 3 – поршень, 4 – гайка для фиксации дисков, 5 – графитовый диск, 6 – ось крепления дисков, 7 – раствор-расплав, 8 – нижний диск, 9 – нижняя подложка, 10 – верхняя подложка; б) фотография кассеты, состоящей из трех дисков

Рисунок 6 – Схематический разрез технологической кассеты с наружным расположением ячеек для раствора-расплава: 1 – графитовый диск, 2  –  верхняя подложка, 3 – нижняя подложка, 4 – нижний диск, 5 – осевой болт для скрепления дисков, 6 – средний диск, 7 – верхний диск, 8 – графитовое кольцо с ячейками под расплав, 9 – ячейки для раствора-расплава, 10 – поршень, 11 – раствор-расплав

Для получения эпитаксиальных слоев методом химического транспорта из монокристаллического близко расположенного источника в поле температурного градиента был разработан ряд конструкций технологических кассет, одна из которых изображена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Конструкция технологической кассеты для выращивания ЭС методом близкого переноса из монокристаллического источника: 1 – нижний диск, 2 – верхний диск, 3 – полупроводниковая подложка,  4 – монокристаллический источник, 5 – отверстие входа реагента-транспортера,  6 – отверстие выхода реагента-транспортера

Для получения наноразмерных структур соединений АIIIВV установка ГЭ оснащена комплексом автоматизированного управления температурными режимами с применением ПК. В состав аппаратной части входят следующие блоки: 1 – блок измерения сигналов, 2 – блок управления нагревателями, 3 – блок управления комплексом.

Программная часть микроконтроллера обеспечивает функционирование всех узлов устройства: получение сигнала с термопар и датчика комнатной температуры, преобразование в числовое значение температуры, получение сигнала с датчика давления и системы охлаждения, вывод на индикацию, посылку на ПК, приём информации с ПК, вывод управляющего воздействия на ЦАП нагревателей.

В результате проведенной работы были разработаны и реализованы:

– УСПД (устройство сбора/передачи данных), способное обеспечить сбор показаний с трех термопар и управление двумя нагревателями установки, согласно выбранному закону регулирования;

– оснащение программы графическим интерфейсом, что обеспечивает максимальную информативность при проведении исследований и точное динамическое отображение состояния процесса;

– возможность сохранения полученных данных в ПЗУ компьютера для обеспечения гарантированной сохранности данных и необходимости защиты от вероятных аварийных ситуаций и сбоев;

– условия формирования наноструктур с помощью разработанного программного управления.

В четвертой главе обсуждаются принципы перекристаллизации тонкопленочных многокомпонентных гетероструктур соединений АIIIВV в поле температурного градиента через тонкую жидкую зону. Проведены расчеты и показана возможность получения непоглощающих окон при перекристаллизации двойных гетероструктур (ДГС). Рассмотрены особенности формирования жидких сверхтонких зон для перекристаллизации полупроводниковых пленок соединений АIIIВV. Проведены исследования технологических особенностей получения каскадных гетероструктур с помощью перекристаллизации предварительно подготовленных многокомпонентных пленок соединений АIIIВV. Для расчетов использовали полученную нами эмпирическую формулу:

,

(5)

где  An,  Bn,  Cn,  Dn,  En,  Mn – некоторые постоянные, значения которых  равны:  An=350; Bn=2,81 (K); Cn=6; Dn=2 (K-1); En=85; Mn=0,07 (K-1).

На рисунке 8 приведены результаты расчета распределения ширины запрещенной зоны в перекристаллизированной лазерной гетероструктуре при  температуре Т=1073 K и различной толщине жидкой  зоны. Расчет показывает, что с помощью градиентной эпитаксии в жидкой фазе возможно получение гетероструктуры с заданным распределением Eg. Изменяя такие технологические параметры, как температура (Т) и толщина жидкой зоны (l), можно добиться такого распределения Eg в активной области лазерной гетероструктуры, которое необходимо для эффективной работы полупроводникового лазера.

Eg, эВ

h, мкм

Рисунок 8 – Зависимость ширины запрещенной зоны в ДГС после перекристаллизации при Т=1073 K: 1 – ширина запрещенной зоны GaAs, 2 – прямой оптический переход, 3 – непрямой оптический переход, 4 – Eg в исходной лазерной ДГС

Можно отметить, что во всех рассмотренных случаях распределение ширины запрещенной зоны расположено симметрично, что сохраняет волноводную структуру лазера.

Формирование жидких зон из раствора-расплава определенной формы  является важной стадией процесса градиентной эпитаксии. Поиск наиболее подходящего метода смачивания и получения жидких зон с контролируемой толщиной (l) привел к способу втягивания раствора-расплава между двумя подложками с помощью капиллярных сил (рисунок 9). При этом торцы подложек с ДГС шлифовались, и тогда смачивание происходит стабильно.

Рисунок 9 – Схематическое изображение смачивания  подложки с обработанными торцевыми поверхностями

На торцовом сколе представлена исходная лазерная гетероструктура (1) и гетероструктура, перекристаллизованная жидкой висмутовой зоной (2) в прямом направлении (рисунок 10). 

Рисунок 10 – Микрофотография скола с исходной ДГС (1) и с перекристаллизированной ДГС (2)

На рисунке 11 приведена микрофотография поперечного скола лазерной  ДГС, перекристаллизированной как в прямом, так и в обратном направлениях.

Рисунок 11 – Микрофотография лазерной ДГС, полученной перекристаллизацией висмутовой зоной: цифрами обозначены точки измерения состава (см. рисунок 12)

На рисунке 12 приведены значения концентрации алюминия  в перекристаллизированной структуре в различных областях. 

Рисунок 12 – Распределение алюминия в твердом растворе AlxGa1-xAs после перекристаллизации свинцовой жидкой зоной

Таким образом, показана возможность получения гетероструктуры на основе соединений AlxGa1-xAs с заданными физико-оптическими свойствами методом перекристаллизации в поле температурного градиента с целью улучшения параметров  полупроводниковых лазеров.

Анализ показал, что для формирования субмикронных слоев необходимо использовать жидкие сверхтонкие зоны порядка нескольких микрометров, получение которых крайне затруднено известными способами смачивания. Предлагается способ, где вначале с помощью предварительного напыления слоев создается многослойная композиция, которая образует в процессе градиентной эпитаксии жидкую зону и соответствующий источник перекристаллизации. Процесс перекристаллизации проводится до тех пор, пока не будет полностью использован твердый источник.

В качестве одного из примеров на рисунке 13 представлены результаты расчета распределения компонентов и Eg при использовании двухслойного твердого источника.

Ci,

мол.

дол.

Eg,

Эв

h, мкм

h, мкм

                       а)                                                        б)

Рисунок 13 – Каскадная гетероструктура, полученная при Т=1123 K и l=50 мкм, а) 1-й источник Al0,15Ga0,35In0,1P0,001As0,999, 2-й источник Al0,3Ga0,6In0,1P0,001As0,999  (–Al, –Ga, –As – слева, –In, –P – справа), б) распределение Eg: – Eg GaAs, – прямой оптический переход, – непрямой оптический переход

Рассмотренный метод получения твердого раствора AlxGayIn1-x-yPzAs1-z позволяет формировать каскадные гетероструктуры с увеличивающей концентрацией элемента к поверхности ЭС.

Такие гетероструктуры можно применять в качестве основы в высокоэффективных фотоэлектрических преобразователях, а также в сверхчувствительных фотоэлементах.

Пятая глава  посвящена получению МТР соединений АIIIВV ГЭ через тонкую газовую зону. Обсуждаются возможности получения различных микро- и наноструктур соединений АIIIВV для нужд оптоэлектроники с помощью градиентной эпитаксии через газовую зону, имеющую толщину до 5 мм. Поскольку процесс диффузии в газовой области существенно интенсивнее, чем в жидкой фазе, изменение состава и соответственно изменение параметров твердых растворов соединений АIIIВV при изменении состава твердого источника происходят быстрее, чем в жидкой зоне. Таким образом, можно получать гетероструктуры с более резким изменением параметров в области границ между твердыми растворами или соединениями.

               Рассмотрено влияние различных технологических параметров (температура, температурный градиент, толщина зазора между источником и подложкой и т. д.) на свойства получаемых гетероструктур. Прежде всего, в зависимости от задачи, выполняемой полупроводниковой структурой, необходимо получать или ненапряженные ЭС, или, напротив напряженные ЭС при соответствующих толщинах слоев для формирования наноструктур.

       В процессе переноса бинарных соединений АIIIВV были получены экспериментальные зависимости скорости роста слоя от температуры, температурного градиента и толщины газовой зоны. На рисунке 14 приведены графики зависимости скорости роста эпитаксиальных слоев бинарных соединений АIIIВV от температуры в поле температурного градиента GT = 100 К/см и толщины зоны между источником и подложкой l = 1000 мкм.

vij,

мкм

ч

Т, K

Рисунок 14 – Зависимость скорости роста эпитаксиальных слоев соединений АIIIВV от температуры в поле температурного градиента GT = 100 K/см при толщине зоны между источником и подложкой l = 1000 мкм (точками указаны экспериментальные данные: – GaP, – GaAs, – InP, – InAs)

       Согласно проведенному анализу экспериментальных данных, эмпирические зависимости скорости роста слоя могут быть аппроксимированы следующими функциями:

;                        (6)

;                 (7)

;                (8)

.                        (9)

       

       На рисунке 15 показана расчетная зависимость ширины запрещенной зоны от толщины ЭС при использовании в качестве источника бинарного соединения InP для различной толщины зазора между подложкой и источником.

Eg,

эВ

h, мкм

Рисунок 15 – Зависимость ширины запрещенной зоны от толщины ЭС гетероструктуры GaInPAs/GaAs при составе источника InP для GT = 100 K/см, Т = 1123 K: – l = 200 мкм, – l = 500 мкм, – l = 1000 мкм

Рассмотрена возможность получения каскадных структур на основе порошкообразного источника с минимальными напряжениями в ЭС. Результаты расчетов распределения результирующих и критических напряжений в ЭС твердого раствора GaxIn1-xPyAs1-y представлены на рисунке 16. В результате предложенной каскадной структуры на основе твердого раствора GaxIn1-xPyAs1-y координатная зависимость ширины запрещенной зоны в эпитаксиальном слое имеет вид, представленный на рисунке 17.

Таким образом, используя порошкообразный источник различного состава, можно получать бездефектные гетероструктуры при заданном распределении ширины запрещенной зоны. Таким условием является сохранение величины напряжений в слое на уровне ниже критического значения, при достижении которого начинается генерация дислокаций.

,

Н

м2

h, мкм

Рисунок 16 – Распределение результирующих рез и критических кр механических напряжений в эпитаксиальном слое гетероструктуры GaInPAs/GaAs при использовании порошкообразного источника для GT=100 К/см, Т = 1123 K:  – l= 200 мкм, – l = 500 мкм, – l = 1000 мкм

Eg,эВ

h, мкм

Рисунок 17 – Зависимость ширины запрещенной зоны от толщины  эпитаксиального слоя гетероструктуры GaInPAs/GaAs при использовании порошкообразного источника для GT = 100 К/см, Т = 1123 K: – l = 200 мкм,  – l = 500 мкм,  – l = 1000 мкм,  – Eg GaAs

               Проведен анализ зависимости размера квантовых точек от состава слоя, так на рисунок 18 (а) показано изменение диаметра квантовых точек в твердом растворе GaPxAs1-x при увеличении концентрации фосфора от CP = 0,1 до CP = 0,5 мол.дол. На рисунке 18 (б) показан результат исследования морфологии поверхности твердого раствора GaPxAs1-x, полученного при сканировании на атомно-силовом микроскопе «Solver HV». Видно корректное соответствие расчетных и экспериментальных данных.

               При использовании градиентной эпитаксии в газовом зазоре происходит обусловленное перераспределение концентрации компонентов, что и является особенностью ГЭ при получении полупроводниковых наноструктур соединений АIIIВV. Учитывая эту специфику градиентных методов эпитаксии, можно формировать квантовые точки в широком диапазоне размеров.

dКТ,

нм

CP, мол.дол.

а)

б)

Рисунок 18 – Зависимость диаметра основания квантовой точки dКТ от состава квантовых точек – GaPxAs1-x на подложке арсенида галлия (а). Микрофотография поверхности с квантовыми точками состава GaP0,96As0.04, полученная на атомно-силовом микроскопе «Solver HV» (б)

               В шестой главе представлены результаты исследования параметров гетероструктур соединений АIIIВV, полученных с помощью ГЭ.

               Основным требованием к материалу, который преобразует солнечное излучение в электрический ток, является хорошее качество перехода и достаточно большая диффузионная длина неосновных носителей заряда. Эффективность преобразования фотоэлектрического элемента связана с расширением спектральной чувствительности. Улучшение качества перехода в гетероструктуре и расширение спектральной  чувствительности для солнечных элементов является актуальной проблемой в связи с возможностью увеличения коэффициента полезного действия. Применение пятикомпонентных твердых растворов AlGaInPAs, выращиваемых на подложке GaAs, позволяет получить практически идеальный переход. Одновременно этот твердый раствор расширяет спектральную чувствительность фотопреобразователя в коротковолновой части электромагнитного спектра. При использование метода ГЭ можно создать качественные кристаллические пленки, полученные на монокристаллической подложке.

               Результаты исследований многокомпонентных гетероструктур соединений АIIIВV наглядно показывают улучшение характеристик при увеличении числа компонентов в твердом растворе. Так, увеличивается интенсивность фотолюминесценции при переходе от тройных соединений к пятерным соединениям (рисунок 19 а) и расширяется область спектральной чувствительности фотоэлементов, полученных на подложке GaAs  (рисунок 19 б).

а)                                                б)

Рисунок 19 – Параметры пятикомпонентных гетероструктур соединений АIIIВV:

а) спектр фотолюминесценции ПТР AlxGayIn1-x-yPzAs1-z (кривым 1 соответствует ПТР Al0,18Ga0,77In0,01P0,03As0,97, а кривым 2 соответствует твердый раствор  Al0,33Ga0,656In0,014P0,05As0,95), б) токовая чувствительность фотоэлемента на основе ПТР в зависимости от длины волны излучения и состава ПТР (1 – Al0,1Ga0,9As,  2 – Al0,,32Ga0,68P0,01As0,99,  3 – Al0,3Ga0,66In0,04Pz0,09As0,91)

Кристаллическое совершенство гетероструктур является одним из важнейших  факторов,  определяющих  пригодность  пятикомпонентных твердых растворов при применении их в солнечных элементах. Известно, что при гетероэпитаксии большую роль в дефектообразовании играют такие факторы, как: рассогласование периода решетки сопрягающихся материалов; различие в  коэффициентах термического расширения; возможность наследования при росте эпитаксиального слоя дефектов подложки, а также влияние градиента состава твердого раствора от толщины слоя. На рисунке 20 приведены результаты исследований  зависимости  количества дислокаций  от  состава  твердого раствора AlGaInPAs.

Рисунок 20 – Зависимость количества дислокаций от состава пятикомпонентного твердого раствора AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) (маркерами обозначены экспериментальные данные): 1 – Al0,3Ga0,7In0P0As1; 2 – Al0,36Ga0,59In0,05P0As1; 3 – Al0,32Ga0,68In0P0,01As0,99; 4 и 5 – Al0,3Ga0,66In0,04P0,09As0,91

               Хорошо видно, что добавление компонентов в соответствующий трех- или  четырехкомпонентный твердый раствор уменьшает количество дислокаций,  возникающих вследствие релаксации напряжений на гетерогранице. В случае  получения ненапряженных ЭС пятикомпонентного твердого раствора желательно использовать подпитку фосфора для компенсации механических напряжений, согласованные по параметру решетки и коэффициенту термического расширения по всей толщине эпитаксиального слоя. При получении «идеальной» гетерокомпозиции основной вклад в дефектообразование в гетероструктурах вносит наследование дефектов из подложки.

Для выбора оптимальной толщины фоточувствительного слоя были проведены исследования, методика которых заключалась в химическом травлении  части слоя в каждом образце. На рисунке 21 приведена зависимость токовой чувствительности солнечного элемента от длины волны и толщины  эпитаксиального  слоя.  Из приведенных зависимостей видно, что с уменьшением толщины слоя область фоточувствительности сдвигается в коротковолновую часть спектра. Отметим также, что толщина слоя влияет и на абсолютную величину тока, снимаемого с фотоэлемента, которая увеличивается при уменьшении толщины слоя.

Рисунок 21 – Зависимость токовой чувствительности фотоэлемента от длины волны падающего излучения и толщины эпитаксиального слоя: 1 – 14 мкм; 2 – 11 мкм; 3 – 8 мкм; 4 – 6 мкм; 5 – 5 мкм; 6 – 3 мкм; 7 – 0,5 мкм

               Были проведены исследования возможности применения недорогих контактных материалов для эффективного собирания носителей заряда с поверхности гетероструктуры. Наилучшие показатели имеются для двух контактов на p-AlGaAs- слое, а  именно:  хрома  и  меди  (Gr-Cu),  а также никеля и меди (Ni-Cu), где контактное сопротивление не превышает 0,23 Ом. Для n-GaAs  наименьшее значение контактного сопротивления дает комбинация из двух металлов - ванадия и алюминия (V-Al), где оно равно 0,105 Ом.

               Исследования параметров фотоэлектрических преобразователей (рисунок 22, а), полученных на основе МТР гетероструктур АIIIВV, показали, что при увеличении количества компонентов в твердом растворе улучшается эффективность преобразования солнечной энергии (рисунок 22, б).

I, мА

U, В

а)

б)

                                               

Рисунок 22 – Внешний вид и параметры солнечного элемента, полученного при использовании МТР соединений АIIIВV:

а) фотографическое изображение солнечного элемента (20х20 мм),

б) вольтамперная характеристика солнечного элемента при АМ 1,5 в зависимости от состава слоя: 1 – Al0,7Ga0,3As (=24,5 %, FF=0,61); 2 – Al0,,7Ga0,3P0,05As0,95 (=26,6 %, FF=0,68); 3 – Al0,7Ga0,25In0,05Pz0,1As0,9 (=28,3 %, FF=0,71)

Из полученных данных видно, что для четырехкомпонентного твердого  раствора AlGaPAs Uхх, Iкз и FF имеют повышенные параметры, в сравнении с этими же параметрами для трехкомпонентного твердого раствора AlGaAs. Величина напряжения холостого хода для AlGaInPAs несколько выше, чем для AlGaPAs. Значения КПД, измеренных солнечных элементов на основе многокомпонентных  твердых  растворов АIIIВV, указаны на рисунке 22 б.

       Результаты, представленные в настоящем разделе, демонстрируют возможности использования пятикомпонентных гетероструктур  AlxGayIn1-x-yPzAs1-z, полученных в поле температурного градиента, для использования в высокоэффективных солнечных элементах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

  1. Впервые сформулированы с единых позиций технологические основы градиентных методов эпитаксии многокомпонентных гетероструктур соединений AIIIBV, где основной движущей силой кристаллизации ЭС МТР является температурный градиент в плоской ростовой зоне. Так, вводится понятие приведенного коэффициента распределения компонентов в газовой фазе, что позволяет использовать математический аппарат зонной перекристаллизации, как в жидкой, так и в газовой зонах.
  2. В результате анализа требований к технологическим условиям проведения процесса ГЭ были разработаны:

а) технологическая оснастка,  сконструированы и изготовлены графитовые кассеты кругового типа для получения эпитаксиальных гетеро – и наногетероструктур соединений AIIIBV;

б) высокоточная цифровая система управления (точность управления температурой и температурным градиентом в статическом режиме составляет  ±0,1 K, в переходном режиме ±1 K) для получения в поле температурного градиента слоев твердых растворов соединений AIIIBV.

  1. Экспериментально исследована кинетика кристаллизации твердых растворов AlxGa(1-x)As, AlxGa(1-x)PyAs(1-y), GaxIn(1-x)PyAs(1-y), AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) в зависимости от температуры, температурного градиента, толщины зоны между подложкой и источником, составами зон (жидкой или газовой) в результате было обнаружено: 

а) уменьшение скорости роста слоя при повышении концентрации Al и P в ПТР AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) во всем интервале исследуемых толщин зон, а повышение концентрации In и Ga увеличивает скорость роста слоя при ГЭ в жидкой фазе;

б) рост скорости ЭС до 80 мкм/ч для всех исследуемых составов МТР при увеличении толщины жидкой зоны (l) до 300 мкм, и уменьшение скорости роста при дальнейшем увеличении толщины жидкой зоны до 4 мкм/ч при l = 450 мкм;

в) уменьшение скорости роста слоя с увеличением Eg источника многокомпонентных твердых растворов соединений АIIIВV, полученных методом химических транспортных реакций в условиях близкого переноса компонентов в газовой фазе;

г) максимальное значение скорости (до 20–30 мкм/ч) переноса веществ бинарных соединений для ГЭ из близко расположенного твердого источника при температуре Т=1040 К для InAs, Т=1055 К для InP, Т=1120 К для GaAs и Т=1170 К для GaP.

  1. Впервые получено заданное распределение компонентов в твердых растворах AlxGa(1-x)As, AlxGa(1-x)PyAs(1-y), GaxIn(1-x)PyAs(1-y), AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) при подпитке раствора-расплава из специально подготовленных источников массопереноса, где была проведена следующая работа:

а) разработан метод формирования жидкой зоны с источником, уменьшающий расход материала и повышающий воспроизводимость получения ЭС, в котором используются специально подготовленные источники – тонкопленочные, многослойные составы для формирования необходимого распределения компонентов в микро- и наноструктурах;

б) экспериментально исследованы зависимости коэффициентов распределения компонентов соединений АIIIВV от состава жидкой зоны и температуры процесса эпитаксии, так было обнаружено снижение значения коэффициента распределения Al вплоть до 0 при повышении концентрации In в жидкой фазе более 70 ат.%, что отличается от теоретических расчетов.

  1. Выявлены условия, при которых получаются бездефектные варизонные и каскадные гетероструктуры, и указаны факторы, обеспечивающие формирование заданного размера наноструктур в гетероэпитаксиальных слоях:

а) для формирования материалов с наноструктурами в условиях градиентной жидкофазной эпитаксии необходимо использование сверхтонких жидких зон (толщиной 1÷5 мкм);

б) в условиях газового транспорта в поле температурного градиента толщина зоны может быть значительно больше (до 5 мм) при формировании наноструктур.

  1. Разработана физико-математическая модель ГЭ многокомпонентных гетероэпитаксиальных слоев твердых растворов AlxGa(1-x)As, AlxGa(1-x)PyAs(1-y),  GaxIn(1-x)PyAs(1-y), AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) на основе эмпирических зависимостей скорости роста эпитаксиальных слоев, коэффициентов распределения компонентов от состава зоны и температуры.
  2. Впервые теоретически обоснована и практически реализована перекристаллизация лазерных гетероструктур в поле температурного градиента с заданным распределением алюминия в активной области твердого раствора AlxGa1-xAs, при этом была проведена следующая работа:

а) разработана методика получения сверхтонких линейных жидких зон;

б) исследованы металлы-растворители, с помощью которых реализован процесс перекристаллизации при температуре, не превышающей 1023 K  и толщине жидкой зоны не более 15 мкм (в качестве растворителя использовался висмут).

  1. С помощью технологии ГЭ в жидкой и газовой средах получены:

а) гетероструктуры на подложке GaAs ориентации (100) AlxGa1-xAs/GaAs c x ≤ 0,7; AlxGa1-xPyAs1-y/GaAs с х ≤ 0,35; y ≤ 0,15;  AlxGayIn1-x-yPzAs1-z/GaAs с х ≤ 0,35; y ≤ 0,9 и z ≤ 0,12, которые можно использовать в качестве фоточувствительных элементов оптоэлектронных устройств в диапазоне 0,8 ÷ 1,4 мкм;

б) наноструктуры твердых растворов GaPxAs(1-x), GaxIn(1-x)PyAs(1-y),  AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) в поле температурного градиента в жидкой и газовой зонах, размеры (20300 нм) которых соответствуют расчетным данным.

  1. Получены солнечные элементы на основе твердых растворов Al0,7Ga0,3As  с =24,5 %, Al0,,7Ga0,3P0,05As0,95 с =26,6 %, Al0,7Ga0,25In0,05Pz0,1As0,9 с =28,3 %, подтверждающие рост эффективности при увеличении числа компонентов в полупроводниковом материале соединений АIIIВV.

Основные положения и выводы диссертации достаточно полно отражены в следующих  работах автора:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

  1. Многокомпонентные гетероструктуры АIIIВV на Si-подложках / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Электронная техника. Сер. Материалы. – 1991.  Вып. 3 (275). – С. 19 – 21.
  2. Пат. 2032776 RU: МКИ C 30 B 19/04, 29/40. Способ получения широкозонного окна в лазерной гетероструктуре на основе соединений АIIIВV и их твердых растворов / Л. С. Лунин, Г. Т. Пак, М. Ш. Кобякова, И. А. Сысоев. Заявл. 03.04.1992 ; опубл. 10.04.1995, Бюл. №10.
  3. Пат. 2064541 RU: МПК C 30 B 19/04, 29/40. Способ получения гетероструктур на основе полупроводниковых соединений / В. Н. Лозовский, Л. С.  Лунин, И. А. Сысоев. Заявл. 04.08.91 ; опубл. 07.27.96.
  4. Исследование возможности получения непоглощающих окон в двойных гетероструктурах методом ЗПГТ / Л. С. Лунин, А. В.  Благин, И. А. Сысоев [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 1999. – № 1. – С. 61 – 66.
  5. Твердые растворы GaP<Bi> и GaAsP<Bi>, полученные в поле температурного градиента / Д. Л. Алфимова, А. В. Благин, Л. С. Лунин, И. А. Сысоев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 1999. – № 4. – С. 62 – 63.
  6. Особенности кристаллизации и морфология эпитаксиальных пленок GaInSbBi / Д. Л. Алфимова, А. В. Благин, Л. В. Благина, И. А. Сысоев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2001. – № 3. – С. 82 – 85.
  7. Совершенствование технологических условий жидкофазной эпитаксии многокомпонентных гетероструктур электронной техники / И. А. Сысоев [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2003. – Спецвыпуск. – С. 51 – 52.
  8. Новые возможности ионно-лучевых технологий в задачах получения оптоэлектронных устройств на основе многокомпонентных соединений АIIIВV /  Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2003. – Спецвыпуск. – С. 53 – 54.
  9. Сысоев, И. А. Влияние состава жидкой фазы и температуры на коэффициенты распределения в твердых растворах AlGaInPAs, полученных методом зонной перекристаллизации градиентом температуры / И. А. Сысоев  // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2004. – Спецвыпуск. – С. 58 – 60.
  10. Программная реализация ПИД-регулятора для управления процессом ЗПГТ / И. А. Сысоев [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2005. – Спецвыпуск: Математическое моделирование и компьютерные технологии. – С. 19 – 21.
  11. Физика кристаллизации эпитаксиальных пленок GaInAs<Bi>/InAs в поле температурного градиента и исследование их поверхности / А. В. Благин, В. В. Кодин, Л. С. Лунин, М. Л. Лунина, И. А. Сысоев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. – 2008. – № 6. – С. 32 – 36.
  12. Техника градиентной эпитаксии полупроводниковых гетероструктур электронной техники : монография / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.]. – Ростов н/Д : Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ, 2008. – 160 с.
  13. Сысоев И. А. Солнечные батареи на основе каскадных фотоэлектрических преобразователей, полученные с помощью градиентной кристаллизацией из жидкой фазы / И. А. Сысоев // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2008. – № 6. – С. 32 – 36.

Прочие публикации

  1. Лунин, Л. С. Исследование дефектов в варизонных гетероструктурах GaSb-AlxGa(1-x)Sb, GaSb-AlxGa(1-x)SbyAs(1-y), выращенных методом зонной перекристаллизации градиентом  температуры / Л. С. Лунин, Т. А. Аскарян, И. А. Сысоев // Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах / Тезисы докладов IV конференции. Ч. I. – Минск, 1986. – С. 144.
  2. Свойства широкозонных твердых растворов соединений АIIIВV,  полученных методом зонной перекристаллизации градиентом температуры / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, В. И. Ратушный, Т. А. Аскарян, И. А. Сысоев // Физика и технологии широкозонных полупроводников / Тезисы докладов III совещания. – Махачкала, 1986. – С. 201.
  3. Особенности роста пятикомпонентных твердых растворов  AlxGayIn(1-x-y)PzAs(1-z) на подложках арсинида галлия из раствора-расплава с  подпиткой / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, И. А. Сысоев, Ю. И. Алексенко //  Рост кристаллов / Тезисы  докладов  7  конференции. Т. II. – М., 1988. – С. 334 – 335.
  4. Кристаллическое совершенство и оптические свойства многослойных  пятикомпонентных гетероструктур соединений АIIIВV / Л. С. Лунин, О. Д. Лунина, В. А. Овчинников, В. И. Ратушный, И. А. Сысоев //  Физические основы твердотельной электроники / Тезисы докладов I конференции. Т. А. – Ленинград, 1989. – С. 210 – 211.
  5. Разработка способа выращивания и исследования гетероструктур  многокомпонентных  твердых  растворов АIIIВV / Л. С. Лунин, О. Д. Лунина, И. А. Сысоев [и др.] // Отчет о НИР N 4170. – Новочеркасск, 1989. – 144 c.
  6. Фазовые равновесия в пятикомпонентной гетеросистеме GaAs/InxAlyGa(1-x-y)PzAs(1-z), моделирование и эксперимент / Л. С.  Лунин, Т. А. Аскарян, И. А. Сысоев [и др.] // Физико-химические свойства многокомпонентных полупроводниковых систем. Эксперимент и моделирование / Тезисы докладов семинара. – Одесса, 1990. – С. 36 – 38.
  7. Стабилизация шестикомпонентных полупроводников АIIIВV COMPAUNDS / L. S.  Lunin, O. D. Lunina, V. A. Ovchinnikov, E. P. Kravchenko, I. A. Sysoev // EIGHTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON TERNARY AND MULTINARY COMPAUNDS. – Kishinev, 1990. – P. 121.
  8. Многокомпонентные гетероструктуры АIIIВV на  Si-подложках / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах / Тезисы  докладов  V конференции. Т. II. – Калуга, 1990. – С. 41 – 42.
  9. Пятикомпонентные  твердые  растворы соединений  АIIIВV в фотоэлектронике / Л. С. Лунин, О. Д. Лунина, И. А. Сысоев [и др.] // Фотоэлектрические явления в полупроводниках / Тезисы докладов II научной конференции. – Ашхабад, 1991. – C. 196 – 197.
  10. Исследование возможности создания непоглощающих  окон (зеркал)  в  ДГС  методом  зонной  перекристаллизации  градиентом  температуры / Л. С. Лунин, О. Д Лунина, В. И. Ратушный, Т. А. Аскарян, В. А. Овчинников, И.  А. Сысоев //  Отчет  о  НИР N 4447/410. – Новочеркасск, 1991. – 56 c.
  11. Выращивание пяти- и шестикомпонентных твердых растворов АIIIВV в поле температурного градиента / В. Н. Лозовский, Л.  С.  Лунин, О.  Д.  Лунина, В.  А.  Овчинников, И. А.  Сысоев, Т. А. Аскарян // Электронные материалы / Тезисы докладов  конференции. – Новосибирск, 1992. – С. 103 – 104.
  12. Сысоев, И. А. Получение эпитаксиальных твердых растворов AlGaAs,  GaInAs,  AlGaSb,  InAsSb, GaAsSb, GaInSb на подложках GaAs,  GaSb, InAs методом ЗПГТ / И. А. Сысоев, А. Г. Шевченко, А. Ю. Смолин // Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века / Материалы междунар. науч.-техн. конф. 8 – 11 сентября 1998 г. Т. 3. Вып. 6. – Севастополь – Донецк, 1998. – С. 271 – 274.
  13. Сысоев, И. А. Получение методом ЗПГТ варизонных слоев SixGe(1-х) для производства многослойных солнечных элементов на кремниевых подложках / И. А. Сысоев, А. Ю. Смолин // Новые материалы и технологии  НМТ-98 / Тез.  докл. Всерос.  науч.-техн. конф. Москва, 7 – 18 ноября 1998 г. – М. : ЛАТ МЭТ, 1998. – С. 294.
  14. Кинетика роста многокомпонентных твердых растворов соединений АIIIВV на основе арсенида галлия / В. И. Ратушный, И. А. Сысоев [и др.] // Физические процессы в неупорядоченных полупроводниковых структурах / Междунар. конф. – Ульяновск : Изд-во УлГУ, 1999. – С. 22.
  15. Сысоев, И. А. Получение эпитаксиальных слоев GaAs на Ge-подложках методом близкого переноса / И. А. Сысоев, А. Ю. Смолин // Оптика полупроводников / Междунар. конф. – Ульяновск : Изд-во УлГУ, 2000. – С. 163.
  16. Сысоев, И. А. Применение ионно лучевой технологии для  получения тонкопленочных солнечных элементов / И. А. Сысоев, А. Ю. Смолин, Э. В. Олива // Тонкие пленки в электронике : сб. докл. 12-го Междунар. симп. – Харьков : ИПЦ «Контраст», 2001. – С. 363 – 366.
  17. Сысоев, И. А. Перспективы получения наноструктур методом ионно-локального осаждения / И. А. Сысоев, А. А. Марченко, М. В. Письменский // Кристаллизация в наносистемах : сб. тез. Междунар. науч. конф. – Иваново, 2002. – С. 57.
  18. Сысоев, И. А. Измерение сигналов с термопар и резистивных мостовых датчиков и представление их в цифровой форме / И. А. Сысоев, Р. П. Велиев // Сборник научных трудов ВИ ЮРГТУ. – Новочеркасск : ЮРГТУ, 2003. – С. 34 – 37.
  19. Система управления температурным режимом технологического процесса получения полупроводниковых материалов методом градиентной жидкофазной кристаллизации / И. А. Сысоев [и др.] // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники / Девятая междунар. науч.-техн. конф. Дивноморское, Россия. 12 – 17 сентября 2004 г. Ч. 1. – Таганрог, 2004. – С. 10 – 13.
  20. Особенности технологии получения солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaPAs/GaAs с использованием метода ГЖК / И. А. Сысоев [и др.] // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники / Девятая междунар. науч.-техн. конф. Дивноморское, Россия. 12 – 17 сентября 2004 г. Ч. 1. – Таганрог, 2004. – С. 247 – 248.
  21. Сысоев, И. А. Моделирование получения наноразмерных гетероструктур на основе АIIIВV / И. А. Сысоев, А. А. Марченко // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии / IV Междунар. науч. конф. Кисловодск, Россия. 19 – 24 сентября 2004 г. – Ставрополь : СевКавГТУ, 2004. – С. 209 – 211.
  22. Obtaining features of photo diodes and solar elements on the basis of AlGaAs/GaAs nanostructures by a zone temperature gradient recrystallization method = Особенности формирования фотодиодов и солнечных элементов на основе наноструктур AlGaAs/GaAs методом зонной перекристаллизации градиентом температуры / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // International Scientific Colloquium. – 11 – 15 September 2006. – Ilmenau : Technische Universitat Ilmenau. – P. 301 – 302.
  23. Формирование непоглащающих окон в двойных лазерных гетероструктурах методом градиентной жидкофазной кристаллизации / И. А. Сысоев [и др.] // Нанотехнологии-производству – 2006 : тез. докл. конф. Фрязино. 29 – 30 ноября – М. : ЯНУС – К, 2006. – С. 151 – 152.
  24. Фотопреобразователи на основе субмикронных слоев AlGaPAs/GaAs, полученных методом градиентной жидкофазной кристаллизации / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии : тез. докл. VII междунар. научн. конфер. 17 – 22 сентября 2007 г. – Кисловодск – Ставрополь : СевКавГТУ, 2007. – C. 144 – 145.
  25. Рост и морфология тонких эпитаксиальных пленок GaInAs<Bi>/InAs, выращенных в поле температурного градиента / Л. С. Лунин, И. А. Сысоев [и др.] // Кинетика механизм кристаллизации. Кристаллизация для нанотехнологий, техники и медицины / Тез. докл. V междунар. научн. конфер. 23 – 26 сентября 2008 г. – Иваново, 2008. – C. 154.
  26. Изопараметрические линии пятикомпонентного твердого раствора AlGaInAsP/GaAs / И. А. Сысоев [и др.] // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. ISSN 1991-3087, подписн. индекс 42457. – 2009. № 2, февраль.





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.