WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

При температуре подложки T = 650C скорость роста Высокое значение пересыщения, рассчитанное для определяется по формуле (18) с t0, равным температур 600-750Cпо (19), дает разумные значения потоков зародышей. С другой стороны, количество моt0 =, (22) 1/3 лекул GaN в критическом зародыше iGaN, вычисляемое D02/3s Ns по формуле [4] где D0 — коэффициент диффузии, определяемый по форs муле (13). Оценки показали, что в этом случае t0 106 s. iGaN = a/ ln2( + 1), (23) Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Механизм и кинетика начальных стадий роста пленки GaN близки к нулю. В многокомпонентных системах, из которых образуются кристаллические зародыши стехиометрического состава, пересыщение физически имеет иной смысл, чем пересыщение в однокомпонентных системах. В однокомпонентных системах пересыщение есть разность между средней концентрацией в паре и равновесной концентрацией пара одного и того же состава (20). В многокомпонентной системе оно определяется как разность между произведением концентрации паров веществ, не являющихся паром того же состава, что и островок, и константой равновесия образования зародыша. В однокомпонентных системах при образовании зародышей новой фазы величина пересыщения, как правило, меньше 1, т. е. <1. При больших значениях система заходит в область метастабильности и начинается спинодальный распад [4]. Высокое значение при образовании зародышей GaN можно объяснить, введя понятие о переходном слое Ga-N между твердым зародышем GaN и газовой фазой. В результате химической реакции между Ga и N, происходящей на поверхности зародыша, образуется переходной слой Ga-N со свойствами, отличными от свойств твердой фазы GaN.

В общем случае этот слой может образоваться и на поверхности подложки, на которой растут зародыши, при Рис. 3. Зависимости функции распределения f (R, t) зародышей GaN по размерам на стадии зарождения от времени при трех различных температурах: a — 600, b — 650, c — 700C.

при том же значении пересыщения приводит к очень низкому значению числа молекул. В формуле (23) a =(s /kBT )2s/h, st h, st — поверхностное натяжение на единицу длины цилиндрического островка. Если пересыщение будет меньше, то мы получаем разумные значения числа Рис. 4. Зависимости изменения плотности N(t) островмолекул в критическом зародыше, но потоки зародыков GaN от времени при двух различных температурах:

шей во всем интервале температур при этом будут a — 600, b — 700C.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1342 С.А. Кукушкин, В.Н. Бессолов, А.В. Осипов, А.В. Лукьянов этом величина поверхностного натяжения между GaN и Ga-N должна быть меньше величины обычного поверхностного натяжения GaN, взятого из [9]. Именно свойства слоя Ga-N и определяют скорость роста зародыша. При образовании переходного слоя становится меньше единицы и величина размера критического зародыша GaN будет иметь разумное значение. Итак, в общем случае величины, используемые в литературе, требуют коррекции с учетом переходного слоя Ga-N.

В наших оценках высокое значение при зародышеобразовании GaN (T < 700C) фактически занижается наличием переходного слоя Ga-N и дает правильные результаты для величины потока зародышей.

На рис. 2–4 представлены зависимости потока зародышей I(t), их плотности N(t) и функции распределения зародышей по размерам f (R, t) от времени при различных температурах. Отметим, что при T > 700C происходит возникновение зародышей в широком диапазоне размеров (рис. 3, c), в то время как при T < 600C условия возникновения зародышей одного (10-15 nm) размера предпочтительнее (рис. 3, a). Изменение температуры от 600 до 700C приводит к существенному спаду потока I (рис. 2, a, b) и уменьшению плотности зародышей на подложке N(t) (рис. 4, a, b).

2. Оствальдовское созревание в ансамбле островков GaN Оствальдовское созревание, или, как еще называют эту стадию, переконденсация, является поздней стадией фазового перехода первого рода. При наличии постоянного во времени потока поступающих на подложРис. 5. Фазовые диаграммы состояния островковых плеку атомов при механизме роста с k = 1/2 процесс нок GaN при различных температурах T : a — 480, b — 850, оствальдовского созревания не может реализоваться.

c — 1000C.

Оствальдовское созревание может быть реализовано, только если внешний источник атомов азота и галлия изменяется со временем по закону gi(t) =g0intn-1, где g0i — источник атомов N и Ga в начальный момент концентрации C0, входящие в s, будут отличаться от времени, n — показатель убывания источника. Условия, равновесных концентраций, определяемых по данным необходимые для протекания этой стадии, подробно испарения не взаимодействующих друг с другом веизложены в работах [4.5]. Поскольку мы нашли, что ществ. Согласно [5], эти концентрации можно найти из k = 1/2, средний, критический радиусы и высота остров- решения следующей системы уравнений:

ков должны изменяться по законам [4,5], описываемым Q0Ga = C0Ga + JGa + JGaN, формулами R3(t) = R3 + A3t, (24) Q0N = C0N + JGaN, h3(t) = h3 + A3t, (25) s 1 1 1 K где R0 и h0 — соответственно средний радиус и средняя 1- JGaN 1- JGaN - JGa =, Q0N Q0Ga Q0Ga Q0NQ0Ga высота в ансамбле островков к моменту начала процесса (27) созревания, а s s C0Ga = kGa, A3 =, (26) 2kBT где Q0N и Q0Ga — полные начальные относительные где s определяется из выражения (12). количества азота и галлия на подложке и в зародышах Мы показали [3], что помимо островков GaN на новой фазы к моменту начала стадии созревания, JGa поверхности подложки могут присутствовать островки и JGaN — количество вещества в зародышах жидкожидкого Ga. Это приведет к тому, что равновесные го Ga и GaN к моменту окончания стадии созревания, Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Механизм и кинетика начальных стадий роста пленки GaN s K — константа диссоциации GaN на поверхности под- [5] С.А. Кукушкин, В.В. Слезов. Дисперсионные системы на поверхности твердых тел. Наука, СПб. (1996). 304 с.

ложки, kGa формально заменяет константу химической [6] F. Widmann, B. Daudin, G. Feuillet, Y. Samson, J.L. Rouviere, реакции для однокомпонентных соединений.

N. Pelekanov. J. Appl. Phys. 83, 7618 (1998).

Если теперь, следуя методике [5], в системе уравне[7] S.W. King, E.P. Carlson, R.J. Therrien, J.A. Christman, R.J. Neний (27) положить вначале JGa равным нулю и решить manich, R.F. Davis. J. Appl. Phys. 86, 5584 (1999).

систему (27), то получим линию, разделяющую плос[8] R.S.Q. Fareed, J.W. Yang, J. Zhang, V. Adivarahan, V. Chaкость фазовой диаграммы в координатах Q0N и Q0Ga turvedi, M.A. Khan. Appl. Phys. Lett. 77, 2343 (2000).

на две части. Выше этой линии островки будут при[9] J. Neugebauer, T. Zywietz, M. Scheffer, J. Northrup. Appl. Surf.

сутствовать, ниже — отсутствовать. Для определения Sci. 159–160, 355 (2000).

области существования GaN следует положить равным нулю JGaN и решать систему (27), выражая JGaN через Q0N и Q0Ga. При этом, учитывая физически разумные значения корней для JGaN, получим Q0N + Q0Ga s JGaN = - (Q0N - Q0Ga)2 + 4K. (28) 2 Диаграммы состояния островковых пленок GaN, реализующихся на стадии оствальдовского созревания (рис. 5), показывают, что повышение температуры изменяет области существования фаз. Отметим, что диаграмма отражает лишь термодинамическую тенденцию процесса, причем в той области, где присутствуют Ga и GaN одновременно, не обязательно будут существовать жидкие островки чистого Ga, вполне возможно, что Ga будет содержать примеси GaN.

В случае если Q0N = Q0Ga, удельный граничный поток s можно представить в виде 1/sNsGaKs s =. (29) 4(sN + 0Ga) Оценим теперь значения константы A3 для GaN.

Если Q0Ga = Q0N, при T = 650C A3 10-33 m3s-1, при T = 850C A3 10-29 m3s-1 и, наконец, при T = 1000C A3 10-28 m3s-1. Отсюда видно, что скорость роста островков GaN существенно зависит от температуры.

Таким образом, в работе показано, что: 1) при высоких температурах (T > 700C) рост островков контролируется химической реакцией образования молекул нитрида галлия, и в этом случае происходит возникновение зародышей разных размеров; 2) при низких температурах (T < 600C) рост островков контролируется поверхностной диффузией атомов азота, и в этом случае зарождающиеся островки имеют практически одинаковые размеры; 3) при температурах 600-700C рост островков происходит по смешанному механизму.

Список литературы [1] S.C. Jain, M. Willander, J. Narayan, R. Van Overstraeten.

J. Appl. Phys. 87, 968 (2000).

[2] M. Hiroki, H. Asahi, H. Tampo, K. Asami, S. Gonda. J. Cryst.

Growth 209, 387 (2000).

[3] С.А. Кукушкин, В.Н. Бессолов, А.В. Осипов, А.В. Лукьянов.

ФТТ 43, 2135 (2001).

[4] С.А. Кукушкин, А.В. Осипов. УФН 168, 1083 (1998).

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып.

Pages:     | 1 ||



© 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.