1   2   3
Ім'я файлу: 02VYITRZ.RTF
Розширення: rtf
Розмір: 315кб.
Дата: 25.04.2021
скачати
Пов'язані файли:
Актуальність.docx
Анотація.docx
Гра брейн-ринг «Це моя Україна! Це моя Батьківщина!».docx

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

ВИКЛЮК

Ярослав Ігорович

УДК 621.315.592

Зонна структура, хімічний зв’язок та оптичні властивості напівпровідникових твердих розчинів заміщення GaxIn1-xP, InAsxSb1-x, InSb1-хВіх

01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків


АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Чернівці – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі напівпровідникової мікроелектроніки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича,Міністерство освіти і науки України
Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук,доцент Дейбук Віталій Григорович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, доцент кафедри напівпровідникової мікроелектроніки
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Небола Іван Іванович, Ужгородський національний університет, професор кафедри прикладної фізики;

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Паранчич Степан Юрійович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, професор кафедри фізичної електроніки і нетрадиційної енергетики
Провідна установа: Інститут фізики НАН України, відділ теоретичної фізики


Захист відбудеться 29 жовтня 2002 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.01 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м.Чернівці, вул. Коцюбинського, 2
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (вул. Лесі Українки, 23).
Автореферат розісланий 27 вересня 2002 р.
Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Курганецький М.В.
Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Потрійні тверді розчини заміщення на основі сполук АІІІВV є перспективними матеріалами для твердотільної електроніки. Зокрема, сплави GaxIn1-xP викликають підвищений інтерес у зв'язку з їхнім використанням у світловипромінюючих діодах, напівпровідникових інжекційних лазерах, біполярних транзисторах на гетеропереходах і транзисторах з високою електронною рухливістю, які показують кращі характеристики в порівнянні з GaAs [1]. Вузькощілинні тверді розчини заміщення InAsxSb1-x мають найменшу ширину забороненої зони серед усіх АIIIВV напівпровідників та їх сплавів. Вони широко використовуються в оптоелектронних приладах середнього інфрачервоного діапазону при створенні інфрачервоних детекторів, низькошумних фільтрів систем зв’язку та лазерів з плавною перебудовою довжини хвилі [2]. Однак цей сплав не дає можливості розширити хвильовий діапазон за межу 7.5 мкм. Одним зі шляхів подолання цієї проблеми є використання потрійного розчину заміщення InSb1-хВіх, в якому при збільшенні концентрації Ві відбувається перехід від вузькощілинного напівпровідника до нульщілинного. На сьогодні ще не вдалося експериментально [3, 4] отримати більше 10% Ві як в об’ємному сплаві, так і в тонкій плівці.

Як показують експериментальні дослідження, вищевказані сплави мають структуру цинкової обманки, причому підгратка, що містить атоми двох типів, структурно близька до віртуального кристала і задовольняє закон Вегарда, а інша підгратка, що містить атоми одного типу, сильно деформована, так, що відстані до найближчих сусідніх атомів сильно залежать від складу розчину. Виникаючі при цьому локальні внутрішні напруги можуть стати причиною фазових перетворень, а саме: розпаду і, з іншого боку, формування суперструктур. Крім цього, синтез кристалів відбувається в умовах, відмінних від термодинамічної рівноваги, що зумовлює появу різного роду дефектів, які часто приводять до оптичної активності в напівпровідниках.

Уміння розраховувати електронну структуру, зарядову густину та оптичні характеристики напівпровідникових сплавів є важливою передумовою аналізу фізичних явищ, що спостерігаються як у вказаних матеріалах, так і в приладах на їх основі. Так, еволюція зарядової густини верхніх валентних зон, полярності та поперечного ефективного заряду зі зміною складу твердих розчинів може дати реальну картину впливу різноманітних сплавних ефектів на характер хімічного зв’язку, а відтак і на пружні властивості кристалів.

Не зважаючи на великий практичний інтерес, базисні фізичні характеристики вищевказаних твердих розчинів ще не достатньо вивчені. Тому актуальне вивчення впливу внутрішніх локальних деформацій та композиційної невпорядкованості на зонну структуру, хімічний зв’язок та оптичні властивості потрійних розчинів заміщення.

Як відомо, великий практичний інтерес поряд з об’ємними зразками становлять тонкі псевдоморфні плівки. Епітаксіальне вирощування напівпровідникових сплавів з параметром ґратки, що відрізняється від параметра ґратки підкладки, веде до деформації неузгодженості в епітаксіальному шарі. Така деформація може пружно релаксувати за допомогою тетрагональної дисторсії при умові, що товщина епішару не перевищує критичної (псевдоморфна плівка). Зі збільшенням неузгодженості сталих ґратки епішару і підкладки або товщини шару останній буде релаксувати в напрямку його об’ємної структури з утворенням дислокацій невідповідності.

Експериментально встановлено, що оптичні характеристики плівок та об’ємних зразків відрізняються між собою і залежать від матеріалу підкладки, та мають особливості композиційної залежності оптичних піків Е1(х), Е2(х). Однак на сьогодні ще немає достатньо обґрунтованих теоретичних досліджень оптичних властивостей тонких плівок вищевказаних сплавів і впливу на них сплавних ефектів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з планами науково-дослідних робіт кафедри напівпровідникової мікроелектроніки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича за темами: “Розробка фізичних і технологічних основ напівпровідникових розширених твердих розчинів, гетероструктур, надграток і створення на їх базі фотоприймальних пристроїв термовізійної техніки” (номер державної реєстрації 0197U014401), “Фізичні основи технології створення низькорозмірних і об’ємних напівпровідникових структур з екстремальними параметрами, їх електричні властивості, фотоелектронні і оптичні ІЧ-прилади на них” (номер державної реєстрації 0100U005493). Роль автора у виконанні науково-дослідних робіт полягала в дослідженні електронної зонної структури, хімічного зв’язку та оптичних властивостей напівпровідникових твердих розчинів заміщення GaxIn1-xP, InAsxSb1-x, InSb1-хВіх та плівок на їх основі.
Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є встановлення основних закономірностей перебудови зонної структури, хімічного зв’язку та оптичних властивостей потрійних розчинів заміщення GaxIn1-xP, InAsxSb1-x, InSb1-хВіх, а також плівок на їх основі.
Для досягнення мети необхідно було розв’язати такі основні задачі:

  • розрахувати зонну структуру бінарних сполук GaP, InP, InAs, InSb, InBi удосконаленим методом модельного псевдопотенціалу та дослідити вплив на неї температури;

  • вивчити вплив внутрішніх локальних деформацій та композиційної невпорядкованості на основні міжзонні віддалі потрійних розчинів заміщення GaxIn1-xP, InAsxSb1-x та InSb1-хBiх;

  • провести аналіз різних підходів до визначення ступеня іонності хімічного зв’язку та впливу розглядуваних сплавних ефектів на коефіцієнт зарядової асиметрії, полярність, ефективні заряди, пружні константи та модулі пружності досліджуваних сплавів;

  • дослідити перебудову оптичних функцій вищевказаних сплавів у залежності від концентрації х і вплив на них внутрішніх локальних деформацій та композиційної невпорядкованості;

  • з’ясувати особливості уявної частини діелектричної функції тонких плівок на основі GaxIn1-xP та InAsxSb1-x в залежності від типу підкладки.

Об’єктом дослідження є напівпровідникові тверді розчини заміщення GaxIn1-xP, InAsxSb1-x та InSb1-хBiх та плівки на їх основі.

Предмет дослідження: вплив композиційної невпорядкованості та внутрішніх локальних деформацій на перебудову зонної структури, хімічного зв’язку та оптичних функцій вищевказаних потрійних розчинів заміщення, а також плівок на їх основі.

Методи дослідження: метод модельного локального псевдопотенціалу, що містить деформаційну поправку; метод Брукса-Ю; модифіковане наближення віртуального кристала; метод тетраедрів.

Методом локального модельного псевдопотенціалу отримані електронні зонні структури потрійних розчинів заміщення, досліджено вплив внутрішніх локальних деформацій та біаксіальних деформацій, що виникають у тонких плівках з боку підкладки, на фізичні властивості напівпровідників.

Методом Брукса-Ю враховано вплив температури на зонну структуру.

Модифіковане наближення віртуального кристала дозволяє врахувати вплив композиційної невпорядкованості на фізичні властивості твердих розчинів.

Методом тетраедрів розрахована уявна частина діелектричної функції.

Наукова новизна одержаних результатів

  1. Уперше вивчено вплив внутрішніх локальних деформацій та композиційної невпорядкованості на електронну зонну структуру потрійних твердих розчинів заміщення GaxIn1-xP, InAsxSb1-x та InSb1-хBiх.

  2. Уперше отримано композиційну залежність фізичних параметрів, що характеризують хімічний зв’язок (полярність, коефіцієнт зарядової асиметрії, ефективні заряди, пружні константи та пружні модулі) в розглядуваних твердих розчинах.

  3. На основі розрахованих зонних структур, узгоджуючи матричні елементи імовірності оптичних переходів з правилами відбору, вперше були отримані композиційні залежності оптичних функцій GaxIn1-xP, InAsxSb1-x та InSb1-хBiх, з урахуванням сплавних ефектів. Досліджено зв’язок оптичних характеристик із зонною структурою та типом хімічного зв’язку.

  4. Вперше передбачено основні оптичні властивості тонких плівок на основі InAsxSb1-x та їх залежність від типу підкладки.

Практичне значення роботи

  1. Вперше отримані композиційні залежності різних фізичних характеристик (міжзонні віддалі, іонності, пружні константи та модулі пружності, оптичні властивості та інші) об’ємних зразків GaxIn1-xP, InAsxSb1-x та InSb1-хBiх і тонких псевдоморфних плівок на їх основі можуть бути використані при інтерпретації результатів експериментальних досліджень даних напівпровідникових сплавів.

  2. Новий підхід, запропонований для врахування сплавних ефектів та біаксіальних деформацій, та отримані результати можуть служити базою для розрахунку термодинамічних, кінетичних та інших фізичних характеристик як об’ємних зразків, так і тонких плівок.

  3. Результати, отримані при аналізі оптичних властивостей об’ємних зразків і тонких псевдоморфних плівок, можуть бути використані при створенні нових напівпровідникових приладів.

  4. Універсальна комп’ютерна програма, розроблена в ході виконання роботи, написана мовою Microsoft Visual С++ з використанням бібліотек Microsoft Fortran Power Station може бути використана для дослідження багатьох напівпровідників зі структурою цинкової обманки або алмазу без будь-якої модифікації коду програми.

Особистий внесок автора. Дисертант провів аналіз різних підходів до розрахунку зонної структури напівпровідникових твердих розчинів заміщення. В працях [1*–3*, 6*, 9*] автором проведено розрахунок і дослідження зонної структури твердих розчинів заміщення. Запропонована методика врахування внутрішніх локальних деформацій представлена в роботах [7*– 9*]. У працях [1*, 6*] проведено дослідження зарядової густини валентних електронів. Оптичні функції потрійних розчинів заміщення вивчались у роботах [4*, 5*, 7*–9*]. Дослідження впливу біаксіального тиску з боку підкладки на оптичні властивості тонких плівок GaxIn1-xP/GaAs, GaxIn1-xP/GaP представлені у праці [8*], а InAsxSb1-x/InSb, InAsxSb1-x/AlSb та InAsxSb1-x/InAs в [9*]. Дисертант брав участь у постановці задач і обговоренні результатів усіх опублікованих робіт.

Апробація роботи Основні результати досліджень, викладених у дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на конференціях і нарадах: XXVII International School on Physics of Semiconducting Compounds(Jaszowiec, Poland 1998); IV International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics (Kyiv, Ukraine 1998); 3 International School - Conference ”Physical problems in material science of semiconductors ” (Chernivtsi, Ukraine 1999); International Conference “Advanced Materials” (Kyiv, Ukraine 2000); International Conference “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Kyiv, Ukraine 2002).

Публікації. Результати роботи викладені у 9 друкованих працях, з них 6 – у наукових журналах.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний об’єм роботи становить 140 сторінок, включаючи 39 рисунків та 10 таблиць. Бібліографія містить 117 найменувань.
Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовані мета та завдання дисертаційної роботи, висвітлено її наукове і практичне значення, подано інформацію про апробацію роботи, публікації автора.

Перший розділ. На початку розділу проведено огляд робіт, присвячених різним підходам до розрахунку електронної зонної структури напівпровідників. Особлива увага приділяється роботам, в яких розрахунки проводились методом псевдопотенціалу.

Детально описуються основні положення методу емпіричного модельного псевдопотенціалу з урахуванням спін-орбітальної взаємодії, проводиться огляд і аналіз різних модельних псевдопотенціалів. Вибір функціональної форми екранованого псевдопотенціалу диктується умовою достатньої його гнучкості при описі якомога більшої кількості фізичних характеристик. При цьому кількість параметрів псевдопотенціалу повинна знаходитися в розумних межах, а самі параметри не повинні значно змінюватися при оптимізації електронної структури. Визначення загального вигляду цього потенціалу, навіть в одноелектронному наближенні, – дуже складна задача. Для розрахунку зонної структури нами був вибраний атомний псевдопотенціал , запропонований у роботі[5]:

, (1)

де а0, а1, а2, а3 – параметри псевдопотенціалу, що визначаються емпірично та відповідають за його форму, – вектори оберненої гратки.

Особливістю псевдопотенціалу (1) є те, що він не має точок розриву при всіх значеннях G та осциляцій в оберненому просторі. Він достатньо швидко спадає зі збільшенням хвильового вектора G та своєю формою повторює основні особливості потенціалів отриманих експериментально.

Як відомо, зонна структура напівпровідникових матеріалів сильно залежить від температури. Тому нами розглянуто методику врахування температури при розрахунку зонної структури напівпровідників, запропоновану Бруксом та Ю [6].

Вищезгаданий метод локального модельного псевдопотенціалу з урахуванням спін-орбітальної взаємодії та температури використаний для розрахунку зонної структури бінарних сполук GaP, InP, InAs, InSb, InBi. Такий вибір не випадковий і зумовлений характерними особливостями їх зонної структури, оптичних властивостей та хімічного зв’язку. Так, GaP – широкозонний напівпровідник з непрямою забороненою зоною, InP – широкозоний прямозонний напівпровідник, InAs та InSb – вузькощілинні прямозонні напівпровідники зі структурою цинкової обманки. На противагу останнім, InBi кристалізується в тетрагональну (В10) структуру та є напівметалом, що не характерно для більшості сполук АІІІВV, які мають кубічну симетрію.

Великий практичний інтерес на сьогодні викликають потрійні тверді розчини заміщення, в яких атоми одного сорту, що знаходяться у своїй підгратці, замінюються атомами іншого сорту тієї ж групи, в певній пропорції х. Інша ж підгратка залишається незмінною. Змінюючи концентрацію атомів, що заміщуються, можна отримати тверді розчини з потрібними властивостями зонної структури. Тому розглянуто та проаналізовано різні підходи до розрахунку фізичних властивостей потрійних розчинів заміщення. В якості робочого вибрано модифіковане наближення віртуального кристала (MVCA), яке враховує композиційну невпорядкованість та добре себе зарекомендувало у сплавах на основі AIIIBV. Композиційна невпорядкованість проявляється, коли атом одного сорту займає місце атома іншого сорту, розташованого в іншій гранецентрованій підгратці, та може бути врахована доповненням псевдопотенціалу відповідним періодичним доданком, який у потрійних розчинах заміщення типу AxB1-xC набуває вигляду:

(2)

де  – коефіцієнт, що має фізичний зміст імовірності утворення композиційної невпорядкованості при х=0.5, та – антисиметричні формфактори бінарних сполук AC та BC відповідно, = (a/8)[1, 1, 1,], а – постійна ґратки.

Було розглянуто методику врахування впливу внутрішніх локальних деформацій, що виникають в потрійних розчинах заміщення за рахунок різних довжин зв’язку між атомами в базових бінарних сполуках АС та ВС [7]. У такому випадку атомні псевдопотенціали доповнюються фактором :

, (3)

де – відносна локальна деформація.

Представлено теоретичний аналіз перебудови електронної зонної структури в напівпровідникових твердих розчинах GaxIn1-xP, InAsxSb1-x, InSb1-хBiх.

Композиційна залежність ширини забороненої зони Eg потрійного твердого розчину GaxIn1-xP має особливу точку хс (точка кросоверу), в якій відбувається перехід від прямозонного напівпровідника до непрямозонного (рис. 1.). Залежність Eg(x), розрахована в наближені VCA, є лінійною в інтервалі (0, хс) (рис.1, крива 1). Починаючи з точки кросоверу хс при збільшені концентрації х ширина забороненої зони має незначний прогин. Врахування внутрішніх локальних деформацій, що виникають у невпорядкованих системах, слабо змінює композиційну залежність прямозонної сполуки. Слабкий вплив внутрішніх локальних деформацій на композиційну залежність прямозонного твердого розчину можна пояснити тим, що згідно з VCA, при невеликій зміні концентрації х міжзонна віддаль, а отже, і формфактори твердого розчину, змінюються сильно, тоді, як доданок, що враховує вплив внутрішніх локальних деформацій, незначний, тому відносний вплив його на ширину забороненої зони набагато менший. Зовсім інша картина спостерігається в області, де GaxIn1-xP непрямозонний. Як видно з рис.1. (крива 1), VCA слабо змінює ширину забороненої зони в цьому інтервалі, тому вклад доданка, що враховує вплив внутрішніх локальних деформацій, стає відчутним (рис.1, крива 2).

Якщо врахувати вплив композиційної невпорядкованості, то можна бачити (рис.1, крива 3), що композиційна залежність ширини забороненої зони досить добре узгоджується з експериментом. Пік, що з’являвся при врахуванні лише внутрішніх локальних деформацій, зникає. Отримана точка кросоверу хс = 0.69 добре узгоджується з експериментом [6].

Досліджено композиційну залежність зонної структури InAsxSb1-x, яка характеризується сильним прогином з мінімумом 0.08еВ при х = 0.37, який значно менший за ширини заборонених зон складових сполук (0.17 еВ для InSb та 0.354 еВ для InAs) (рис.2, крива 4).

Розрахунок у наближенні віртуального кристала дає лінійну залежність Eg(x) (рис.2, крива 1). Врахувавши вплив внутрішніх локальних деформацій, отримаємо значний прогин залежності в бік менших енергій (рис.2, крива 2). Однак прогин експериментальної кривої приблизно вдвічі більший, тому треба врахувати композиційну невпорядкованість сплаву. Як видно з рис.2. (крива 3), врахування останньої дає непогане узгодження з експериментом. Отже, можна зробити висновок, що вклад внутрішніх локальних деформацій та композиційної невпорядкованості в прогин Eg(x) приблизно однаковий.

Однією з перспектив­них систем є InSb – InBi. Технологічні труд­нощі вирощування вказа­ного твердого розчину за­міщення до останнього часу гальмували його широке практичне впровадження. Однак недавні експериментальні досяг­нення в даній галузі [3, 4] відкривають нові перспек­тиви його отримання та застосування. Не зважаючи на великі тех­нологічні досягнення в отриманні напів­провід­­никових твер­дих розчинів, на сьогод­ні ще не вдалось отримати навіть плівку InSbBi при конце­нтрації Bi > 10%[3, 4].

Однак для невеликих концентрацій теоретично отримані залежності Eg(x) добре узгоджуються з експериментом [3] (рис.3.).

З рис.3. видно, що врахування композиційної невпо­ряд­­кованості та внутрішніх локальних деформацій зменшують значення ширини забороне­ної зони. Це призводить до задовільного узгодження теоретичних розрахун­ків з експериментальни­ми. Однак вплив вищевказаних чинників мізерний по­рівняно з InAsxSb1-x. Це пояснюється тим, що, як показали наші розрахунки, характерною особливістю твердого розчину InSb1-хBiх є перехід при х  0.6 до напівметалічного стану з Eg=0.

  1   2   3

скачати

© Усі права захищені
написати до нас