Исследование изменений свойств приповерхностныхслоев фосфида индия под действием атомов водорода тепловых энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ЗАПОРІЗЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

З СЕН ^

Горбенко Віталій Іванович

УДК 537.311.33: 536.7

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗМІН ВЛАСТИВОСТЕЙ ПРИПОВЕРХНЕВИХ ШАРІВ ФОСФІДУ ІНДІЮ ПІД ДІЄЮ АТОМІВ ВОДНЮ ТЕПЛОВИХ ЕНЕРГІЙ

01.04.10 - Фізика напівпровідників та діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Запоріжжя-2000

Робота виконана в Запорізькому інституті державного та

муніципального управління

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

професор Горбань Олександр Миколайович Запорізький інститут державного та муніципального управління, перший проректор

доцент Гранкін Віктор Павлович Приазовський державний технічний університет, завідуючий кафедрою інформатики

кандидат фізико-математичних наук, доцент Корніч Григорій Володимирович Запорізький державний технічний університет, доцент кафедри обчислювальної математики

імені Каразіна В.Н.,

проблемна лабораторія іонних процесів

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

Провідна установа: Харківський національний університет

Захист відбудеться _________ червня 2000р. о 15 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради К 17.051.04 при Запорізькому державному університеті (69000, м.Запоріжжя, вул. Жуковського, 66).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Запорізького державного університету (69000, м.Запоріжжя, вул. Жуковського, 66).

Автореферат розісланий

травня 2000р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук, доцент

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Робота присвячена вивченню модифікації складу і властивостей приповерхневих шарів напівпровідникового матеріалу та явищ у складній гетерогенній системі, газова фаза якої містить атоми (радикали) водню у надрівноважній концентрації.

З одного боку процеси, що протікають у таких системах, обумовлені ефектами перетворення енергії з одного виду в інший. Дійсно, утворення радикалів є наслідком таких змін у системі, що, відповідно до принципу Лє Шател’є - Брауна, спрямовані на зниження впливу зовнішнього збудження. Такі реакції є ендотермічними. Тому для системи, в якій радикали можуть існувати тривалий час, з’являється можливість накопичення частки енергії, що витрачається на збудження та транспортування її в межах системи за допомогою дифузії радикалів. Серед робіт, присвячених вивченню акомодації накопиченої таким чином енергії, найбільшу увагу привертають процеси, що проходять на поверхні твердого тіла: генерація нерівноважних носіїв заряду, гетерогенна

хемілюмінесценція, хемоемісія нейтральних та заряджених частинок, хемостимульована дифузія поверхневої домішки тощо.

З іншого боку, атомарний водень є хімічно активним компонентом системи. Найбільш виразно його активність проявляється при взаємодії з такими атомами твердого тіла, як атоми поверхні, точкові дефекти, атоми на межі розділу твердих фаз тощо. Результатом такої взаємодії є утворення летких сполук з атомами водню, деактивація електричної активності вільних зв’язків, зміна енергетичних характеристик дефектів.

Надзвичайна різноманітність ефектів, що пов’язані з взаємодією атомарного водню з твердим тілом, не дозволяє абсолютного поширення результатів і висновків, які зроблені для одних систем, на інші, навіть дуже близькіх за складом.

Актуальність теми. Фосфід індію є одним із типових представників напівпровідникових сполук типу АШВУ. В останнє десятиліття спостерігається зростання його практичного використання як матеріалу напівпровідникової техніки, що обумовлено можливістю створення унікальних структур і приладів для надвисокочастотного діапазону та оптоелектроніки. Система типу "газ, що містить водень -напівпровідник" є типовою як для більшості етапів технології виробництва структур на основі ІпР, так і для деяких умов наступної експлуатації. У такій системі хімічно активний атомарний водень здатний стимулювати фізико-хімічні процеси, що обумовлюють зміну складу в приповерхневих шарах напівпровідника. Це може використовуватись для цілеспрямованої

зміни властивостей напівпровідникового матеріалу та отримання структур заданого складу. Важливим також є визначення критичних умов експлуатації виготовлених структур і приладів на їхній основі.

Значна частина робіт, присвячених дослідженням взаємодії атомарного водню з ІпР, була проведена для спрощених модельних систем, що, на цей час, дозволило розвинути уявлення про елементарні акти взаємодії між Н-атомами і атомами напівпровідника. Проте, більшість реальних систем є багатокомпонентними, тому процеси фізико-хімічної взаємодії, що спостерігалися для модельних систем, у них можуть не відбуватися або ставати менш значними. Вивчення процесів у багатокомпонентних системах і визначення їх механізмів дозволить розвинути існуючі уявлення та намітити нові напрямки як експериментальних досліджень, так і комп’ютерного моделювання.

Зв’язок роботи з науковими програмами і темами.

Основні етапи роботи входили до планів наукових досліджень за програмою Міністерства освіти України "Фізика конденсованого стану, включаючи метали, напівпровідники, діелектрики та рідини". Теми досліджень: 1) "Розробка фізичних основ технологічних процесів

наноелектроніки на базі хемостимульованих явищ" (номер держреєстрації 0193У020075); 2) "Фізико-хімічні основи контролюємо!' модифікації властивостей поверхневих шарів твердих тіл під впливом теплових та прискорених атомних частинок" (номер держреєстрації 0196У018616).

Мета дисертаційної роботи: Визначення ролі атомарного водню у фізико-хімічних процесах, що призводять до зміни складу приповерхневих шарів фосфіду індію у багатокомпонентній системі типу Н2/Н20/ІпР.

Для досягнення поставленої мети розв’язувались наступні задачі:

- дослідження впливу співвідношення компонентів у системі на тип фізико-хімічних процесів, що ведуть до модифікації складу приповерневих шарів напівпровідника;

- визначення змін у складі газової фази при збільшенні вмісту в системі атомарного водню;

- аналіз дифузії компонентів із газової фази в приповерхневі шари напівпровідника;

- виявлення впливу підвищення концентрації атомарного водню у газовій фазі на термодинамічні характеристики процесів у системі "газ-напівпровідник" та розроблення на основі цього методик для застосування методів рівноважної термодинаміки до моделювання цих процесів.

з

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в роботі вперше:

1) розглянуто та показано вплив співвідношення у газовій фазі водню та парів води на зміни у складі приповерхневих шарів фосфіду індію, що відбуваються під дією атомарного водню;

2) виявлено стимулювання атомарним воднем утворення і сублімації діфосфору з поверхні фосфіду індію та зміну теплового ефекту реакції;

3) встановлено підсилення взаємодією атомів водню і фосфіду індію дифузії кисню з газової фази в об’єм напівпровідника;

4) розроблено методики та алгоритми, які дозволяють застосовувати до моделювання складних систем типу "газ - напівпровідник" з локальним зовнішнім збудженням метод рівноважної термодинаміки, що полягає у пошуку екстремальних значень функціоналів термодинамічних функцій.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Отримані результати досліджень виявляють можливість управління складом приповерхневих шарів напівпровідникових сполучень при невисоких температурах обробки. Застосування експозиції фосфіду індію в газовому середовищі, яке формується з дисоціації молекул водню та води у високочастотному розряді, дозволяє отримувати такі важливі для технології напівпровідникових приладів структури як “метал-напівпровідник” та “окисел-напівпровідник”.

2. Визначено умови, при яких на фосфіді індію утворюється металевий шар з індію або приповерхневі шари збагачуються киснем.

3. Отримано електрофізичні характеристики структури "індій-фосфід

індію", сформованої при взаємодії атомів водню з фосфідом індію.

4. Розроблені методики та алгоритми дозволяють проводити попереднє

прогностичне моделювання процесів у складних гетерогенних

системах типу "газ - напівпровідник" з підвищеним вмістом

радикальних компонентів.

Достовірність результатів.

Достовірність отриманих результатів забезпечується використанням різноманітних і взаємодоповнюючих сучасних експериментальних методів дослідження, обґрунтованістю припущень, що використовуються при розробці методик для комп’ютерного моделювання та доброю узгодженістю між експериментальними та розрахунковими даними.

Особистий внесок здобувача.

Автор дисертаційної роботи брав участь у розробці та монтажі експериментальної установки, виконав експериментальну частину роботи, створив програмне забезпечення для моделювання процесів у багатокомпонентних гетерогенних системах з підвищеним вмістом радикалів, виконав моделювання процесів, що спостерігались у експерименті. Особистий внесок здобувача у публікаціях, які відображають основні результати дисертаційної роботи і наведені наприкінці автореферату, полягає у наступному:

[1]. Здобувачем було отримано експериментальні залежності парціальних тисків діфосфору та відношення коефіцієнтів дифузії. Брав участь в обговоренні результатів експерименту та механізмів процесів.

[2]. Здобувачем зроблено підбір систем та виконано комп’ютерне моделювання. Проведено порівняльний аналіз методик моделювання.

[3]. Здобувачем розроблена методика урахування впливу на рівновагу системи зовнішнього збудження. Проведено моделювання процесів.

[4]. Здобувач брав участь у проектуванні та розробці експериментальної установки, проводив вимірювання методами мас-спектроскопії та Оже-спектроскопії. Отримав склад приповерхневих шарів фосфіду індію. Брав участь в обговоренні механізмів процесів.

[5]. Здобувачем розроблено модель системи "газ, що містить атоми -тверде тіло", яка призначена для комп’ютерного моделювання методами рівноважної термодинаміки. Обгрунтовано вибір методик моделювання.

[6]. Здобувач брав участь у проектуванні та розробці експериментальної установки. Проводив вимірювання методами мас-спектроскопії та Оже-спектроскопії. Проводив термодинамічний аналіз системи Іп-Р-О-Н. Брав участь в обговорені отриманих результатів.

[7]. Здобувачем визначено оптимальний склад газової фази для виготовлення структури "метап-напівпровідник". Отримано електрофізичні характеристики структури.

Апробація результатів дисертації.

Результати досліджень висвітлювалися на 9 міжнародних наукових конференціях та семінарах:

- 19-th International Seminar on Surface Physics, червень 1998р., м. Вроцлав (Польща);

- 2-й научно-практический симпозиум "Вакуумные технологии и оборудование", посвященный 70-летию ННЦ ХФТИ, листопад 1998р., м. Харків;

- The 192nd Meeting of The Electrochemical Society and the 48th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, серпень 1997р., м. Париж (Франція);

- Міжнародна наукова конференція, присвячена 150-річчю від дня народження Івана Пулюя, травень 1995р., м. Львів;

- International School-conference "Physical problems in material science of semiconductors", вересень 1995р., м. Чернівці;

- The First International Conference on Material Science of Chalcogenide and Diamond-Structure Semiconductors, жовтень 1994р., м. Чернівці;

- 14-th European Conference on Surface Science, вересень 1994р., м. Лейпциг (Німеччина);

- Международная школа-семинар "Релаксационные явления в твердых телах", лютий 1993р., м. Воронеж;

- Международное совещание-семинар "Диагностика поверхности ионными пучками", травень 1992р., м. Запоріжжя.

Публікації.

За результатами дисертаційної робота опубліковано 6 статей, отримано одне позитивне рішення про видачу патенту і представлено 9 тез доповідей на конференціях.

Структура і об’єм дисертації.

Дисертаційна робота включає вступ, 5 розділів, висновки та список використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 175 сторінок з 67 рисунками і 4 таблицями. Список використаних джерел має 136 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі дослідження, наведено основні результати, що зумовлюють новизну і практичну цінність роботи, а також дані, що стосуються її апробації і опублікування основних матеріалів.

Розділ 1. На підставі літературних даних наведено сучасне застосування системи "водень-фосфід індію" та викладено основні відомості про взаємодію атомарного водню з фосфідом індію.

Розділ 2. Наведена загальна характеристика методів отримання атомарного водню та розглянуто точки зору щодо ролі парів води у процесі отримання атомів водню методом розряду високої частоти, що застосовувався в експериментальній установці. Експозицію зразків фосфіду

індію і дослідження змін у газовій фазі системи здійснювали на установці, розробленій на базі мас-спектрометра МХ7304А та системи відкачки СОМ-1 (продукція ВО "8ЕЬМІ" м.Суми), яка мала спеціально виготовлені реактор та систему напуску газів.

Проведено дослідження залежності виходу атомарного водню з розряду високої частоти від парціального тиску парів води у газовій суміші Н2/Н20, яка вводиться у систему (рис.1). Також було досліджено взаємозв’язок між компонентами. Встановлено, що при максимальній концентрації атомів водню відношення парціальних тисків газів дорівнюють Р(Н)/Р(0£=10, Р(Н)/Р(Н£=0.09, Р(Н)/Р(Н2О)=0А, а при парціальному тиску парів води Р(Н20)=10 Па величини наведених відношень були 0.02, 0.003 та 0.0075, відповідно.

Розглянуто утворення атомів водню при взаємодії прискорених електронів та молекул водню і води в джерелі іонів мас-спектрометра. Показано, що при енергіях електронів до 100 еВ утворення атомів водню від дисоціації молекул води є найбільш ймовірним.

Рис.1. Залежність концентрації атомів водню від парціального

тиску парів води. Тиск молекулярного водню Р(НУ =9 Па.

Розділ 3. Представлено результати експериментальних досліджень процесів взаємодії в системі Н2/Н20/ІпР з підвищеним вмістом атомарного водню.

Дисоціація ІпР при нагріванні у молекулярному водні до температур 1000 К має такі ж самі параметри, що і у вакуумі. Для загальних тисків 10-25 Па, які були характерними для експериментів у системі з надрівноважною концентрацією атомів водню, процес дисоціації ІпР починався з температури 700 К.

При температурах нижче 600 К значні зміни у складі

приповерхневих шарів фосфіду індію виникали при експозиціях його у газовому середовищі, яке утворюється під дією розряду високої частоти у суміші молекул водню і води. Експонування зразків відбувалося на визначеній відстані від області розряду, так, щоб газові частинки, які досягали їх, встигали деіонізуватися і термалізуватися. Було виявлено два типи змін у складі зразків ІпР: перший - утворення на поверхні шару індію, другий - збагачення приповерхневих шарів киснем. На рис.2 наведені Оже-спектри, що вказують на ці зміни.

Тип змін у складі приповерхневих шарів ІпР залежить від співвідношення парціальних тисків молекул водню та води у газовій суміші, що підводиться до системи. Так, якщо в цій суміші парціальний тиск Нг був 9 Па, а парціальний тиск молекул води від 1.5 до 5 Па, то експозиція при ввімкненому розряді призводила до утворення на поверхні шару індію. Подальше підвищення вмісту молекул води обумовлювало збагачення приповерхневих шарів киснем та утворення комплексів Іп-О та Р-О.

Рис.2. Оже-спектри поверхні ІпР: а) чистої;

б) металізованої; в) збагаченої киснем.

Для виявлення ролі атомів водню в процесі металізації поверхні було проведено мас-спектрометричні дослідження змін складу газової фази. Було встановлено, що експонування ІпР в газовому середовищі з атомарним воднем призводить до збільшення величини піків з т/е=31, 34 та 62, які ідентифікувались як Р, РНз та Р2, відповідно. Вперше показано,

що атоми водню стимулюють утворення та десорбцію діфосфору Р2 (рис.З).

ІпР

Рис.З. Залежність парціального тиску діфосфору над поверхнею ІпР від температури: а) в середовищі молекулярного водню; б) в середовищі з концентрацією атомарного водню ІО20 м~3. [Р]=Па.

Припускаючи, що діфосфор утворювався згідно реакції ІпРтв->Іпш+0.5Р2газ, з нахилу кривих отримано значення ентальпії цієї реакції при температурі 298 К в середовищі з рівноважною та надрівноважною концентрацією атомів водню: 153600 та 38600 Дж/моль, відповідно. Перше значення те ж саме, що і для умов вакууму.

При з’ясуванні ролі атомарного водню в процесі збагачення приповерхневих шарів напівпровідника киснем було отримано залежність відношення коефіцієнтів дифузії О/Бо від парціального тиску водню (рис.4), де Д» Ц - коефіцієнти дифузії кисню при експозиції ІпР у газовому середовищі, яке утворювалось під дією розряду високої частоти: у парах води та у суміші Н2/Н20, відповідно. Згідно залежності на рис.1, збільшення долі молекулярного водню у газовій суміші Н2/Н20 призводить до зростання концентрації атомарного водню. Отже, залежність на рис.4 підтверджує стимулювання атомарним воднем дифузії кисню в приповерхневих шарах ІпР.

Вперше взаємодії атомів водню з поверхнею фосфіду індію була застосована для формування структури типу "метал-напівпровідник", а саме Іп/п-ІпР. Вольт-амперна характеристика такої структури має лінійний вигляд, що характерно для омічних контактів. Отримано значення питомого опору контакту гс~1,35хЮ'6 Омхм2. Метод виготовлення омічного контакту до фосфіду індію електронного типу запатентовано [7].

А/В0

Рис.4. Залежність відношення коефіцієнтів дифузії кисню від кількості молекулярного водню в газовій суміші, що подається у систему.

Розділ 4. Викладено метод, алгоритми та методики, які було застосовано при моделюванні процесів у багатокомпонентній гетерогенній системі типу "газ-тверде тіло" з підвищеним вмістом атомів водню. За основу було взято метод пошуку екстремуму функціоналу термодинамічної функції. Для моделювання змін у складі фаз системи, що обумовлюються збудженням у деякій її частині електричного розряду, було застосовано методику зміщення рівноваги в реакції дисоціації речовини та методику розподілу зовнішнього збудження між компонентами.

Наведено методику зміщення рівноваги в реакції дисоціації речовини, яка є найбільш простим способом врахування дії розряду на систему. Для відображення зв’язку змін у складі системи від зовнішнього збудження введено коефіцієнт зміщення для реакції

де Кг - константа рівноваги реакції дисоціації речовини;

К * - константа рівноваги реакції дисоціації у стані збудження системи.

Відзначено, що методика достатньо добре зарекомендувала себе при моделюванні окислювально-відновних процесів у системах "водень-кисень-напівпровідник" [2,3,6] та "водень-кисень-метал" [2], що відбуваються під дією атомарного водню. Але задача значно ускладнюється при розгляді двох чи більше реакцій, в яких відбуваються

зміни при збудженні розряду. Це пов’язано з необхідністю введення додаткової кількості коефіцієнтів У х , що викличе пропорційне зростання

розмірності поверхні складу системи. Для моделювання таких систем розроблено методику, в якій задано умови розподілу зовнішнього збудження між компонентами.

Якщо система, в якій збуджено електричний розряд, знаходиться в квазірівноважному (стаціонарному) стані, а її газова фаза характеризується надрівноважним вмістом декількох радикальних компонентів, то відношення між енергіями, що поглинають дві різні речовини від зовнішнього джерела, може бути записано у вигляді

Е 2 п 2 N ;

£, пі N

(2)

де и, - коефіцієнт пропорційності, що за смислом є чутливість і-тої речовини до енергетичного впливу;

Л/°- концентрація /-тої речовини.

Загальна величина енергії, що поглинається цими речовинами, дорівнює

Е = ^.^2-.еі + Ех . (3)

пх N° 1 1

Після узагальнення останнього на випадок т-то'і кількості речовин отримаємо

(= 1

п, N °

При моделюванні значення величини Е задається і принципово може оцінюватись з даних контрольного експериментального дослідження. Найбільш зручно при моделюванні застосовувати об’ємну густину енергії АЕ [Дж/м3], оскільки у цьому випадку її значення не залежить від інших вхідних даних. Зведена до одного молю речовини парціальна кількість поглиненої енергії має вигляд

и

де ИА - число Авогадро.

Саме на величину АС?/ змінюються термодинамічні характеристики /-тої речовини Мі* = АЄ° + Д(5/, які безпосередньо використовуються при обчисленнях. Якщо припустити, що компоненти газової фази підпорядковуються законам ідеального газу, то з (4) та (5) неважко отримати зв’язок між заданою величиною АЕ та термодинамічними параметрами індивідуальних речовин

де Я„ - універсальна газова стала;

Рі - парціальний тиск /-тої газоподібної компоненти.

Коефіцієнти щ можуть бути отримані з дослідів взаємодії речовин та збуджуючого випромінювання і в подальшому застосовуватись до будь-яких систем.

Застосування наведеної методики дозволило виконати розрахунки складу системи від величини енергії, що поглинається газами при збудженні системи.

Розділ 5. Наведено результати моделювання процесів у системі Н2/Н20/ІпР.

Для розгляду було обрано 22 речовини в газоподібному стані: Я, Н2, О, О2, Н20, Іп, Іп20, ІпО, ІпОН, ІпН, Р, Р2, Р3, Р4, РО, Р02, Р203, Р204, Р205, РН, РН2, РН3 і 9 речовин у конденсованому стані: ІпР, Іп, ІпО, Іп20, Іп203, РО, Р02, Р205, Р4ОІ0. Обгрунтовано вибір наступних

термодинамічних характеристик фосфіду індію: ентальпії утворення АН°т =-78150 Дж/моль та ентропії ^ = 59.45ДжЦК-моль)-

Моделювання було проведено спершу для системи, що не має зовнішнього збудження та закритої для масопереносу, потім для системи із зовнішнім збудженням і наприкінці, для визначення послідовності змін у складі конденсованих фаз з часом, розглянута система з масопереносом.

Для використання розроблених методик моделювання було зроблено оцінювання наступних величин: 1) коефіцієнту зміщення уг для реакцій дисоціації #2 <-> 2Н та Н 20 2Н + О 2) енергії АЕ, яка поглинається системою; 3) відношення коефіцієнтів пропорційності

(6)

пн2о !пн1 3 РЇВИЯНЬ (2-6). Вихідними даними були параметри системи в

точці максимальної концентрації атомів водню, а саме: парціальний тиск молекулярного водню РН2= 9 Па, парціальний тиск атомарного водню Рн= 0.8 Па, парціальний тиск парів води Ршо = 2 Па. Отже, при моделюванні значення 1п у5 для обох реакцій змінювали від 0 до 105.

Д ля визначення останніх двох параметрів було розглянуто наступні реакції дисоціації Н2 та Н20: Н2-»2Н, Н20-»2Н+1/202, Н20->0Н+Н, Н20-»Н2+Ш02. Величину енергії, що поглинається кожним із газів, обчислювали за допомогою виразу

де^Р,

' Я.-Т

де Ьф - теплота, що необхідна для дисоціації молекул за наведеними реакціями;

А рі - величина зміни парціального тиску і-того газу при вмиканні розряду.

Значення ЛЕ та «я2о/яя2 визначали з рівнянь (2,3) (табл.). При

моделюванні відношення коефіцієнтів иЯ20/«Н2 приймалося рівним 0.6,

1.0, 1.7 та 2.3. Звісно, це обумовлювало деяку невизначеність у складі системи, але значно меншу, ніж при застосуванні методики зміщення рівноваги у реакціях дисоціації.

Таблиця

Результати оцінювання параметрів моделювання ЛЕхг. пНі0/пИі з експериментальних даних

Реакції АРН2, Па АРЯ20> Па Ен2, Дж/м3 Еню, Дж/м3 ЛЕ, Дж/м3 пн2о ПН>

Н2->2Н Н20-»2Н+1/202 0.3 0.1 52.46 27.18 79.64 2.33

Н2-»2Н Н20-ЮН+Н 0.3 0.1 52.46 20.06 72.52 1.72

Н2-»2Н Н20->Н2+1/203 0.4 0.1 69.95 9.70 79.65 0.62

Показано, що застосування наведених у розділі 4 методик дозволяє

достатньо добре виявити основні зміни у складі системи, при збудженні в ній розряду. Проведено порівняння результатів розрахунків та отриманих експериментальних даних. Виявлено, що для моделювання підсилення сублімації діфосфору в присутності атомів водню, яке спостерігалось експериментально, необхідно враховувати взаємодію між атомами поверхні фосфіду індію і воднем.

Було розглянуто два ефекти, що обумовлені цією взаємодією: перший - розігрів приповерхневих шарів при рекомбінації атомів водню в молекулу, другий - зміна термодинамічних характеристик сполуки ІпР на межі розділу з газовою фазою.

Перший ефект моделювався введенням ефективної температури напівпровідникового зразка, значення якої фіксувалось. Показано, що зростання парціального тиску діфосфору можливо при зміні значення ефективної температури ІпР аж до температури плавлення. При цьому кут нахилу парціального тиску Р2 у координатах І/Т-І^Р зоставався незмінним і дещо більшим, ніж спостерігалось у експерименті.

При моделюванні другого ефекту припускалось, що зміни ентальпії реакції ІпРтв-*Іптв+0.5Р2газ пов’язані із змінами термодинамічних характеристик напівпровідникової сполуки. При моделюванні було застосовано ефективне значення ентальпії утворення ІпР АНпс/х ~ 36800 Дж/моль. Показано, що такий підхід дозволяє отримати результати найбільш близькі до експериментальних.

Для моделювання змін у складі фаз з часом враховувалися зміни у балансі мас, які обумовлювалися потоком газових компонентів через систему. Для кожного моменту часу (Ч+Ді) кількість атомів одного сорту в системі визначалася виразом

[^.](/+а^)=Х«Д^(^)-л^і(о)+а[я/;](г+ао+е^мДО> («

І г

де гіф пГ] - кількість атомів _/-того елементу в і-тій або г-тій індивідуальній речовині;

Мі(ї) - кількість і-тої газоподібної речовини в момент часу ґ;

&М,(ї) - кількість і-тої речовини, що видаляється з області зразка за період часу з ї по /+ЛГ;

Д[£/;](/ + Д0- кількість атомів ^того сорту, що підводиться до зразка

за період часу з і по і+Лґ,

Мг{1) - кількість г-тої конденсованої речовини в момент часу І.

Послідовність розрахункових процедур зображена на рис.5. Найпростіша розрахункова модель виникає при рівності М,(1)=ДЛ/,(0, тобто коли усі газоподібні речовини, що є в системі на момент часу / видаляються з неї за період Аі. Показано, що застосування цієї моделі дозволяє провести моделювання процесу утворення металевої фази Іп протягом взаємодії атомарного водню з фосфідом індію при такій низькій температурі як 400К та залежність напрямку змін у складі конденсованих фаз від співвідношення [0]/[Н] у газовому потоці. Результати розрахунків відповідають експериментальним даним, що наведені у розділі 3.

Рис.5. Алгоритм обчислювань при врахуванні змін у матеріальному балансі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Зміна складу приповерхневих шарів фосфіду індію в системі, газова фаза якої утворена під дією розряду високої частоти у суміші молекул водню і води, відбувається у двох основних напрямках. У одному з них, приповерхневі шари втрачають атоми фосфору і на поверхні утворюється металевий шар індію; у іншому - приповерхневий шар напівпровідника збагачується киснем.

2. Зменшення вмісту атомів фосфору в приповерхневих шарах ІпР є наслідком утворення та десорбції молекул фосфору і його сполук з воднем. Утворення обох типів газоподібних речовин обумовлено взаємодією атомарного водню з атомами поверхні напівпровідника, при цьому спостерігалось зниження ентальпії реакції дисоціації

фосфіду індію та температури початку сублімації діфосфору.

3. Вперше встановлено стимулювання атомарним воднем процесу збагачення приповерхневих шарів фосфіду індію киснем: виявлено зниження температури утворення на поверхні кисневих комплексів Іп-О та Р-0 (мінімальне значення може становить 370 К) та збільшення коефіцієнту дифузії кисню в приповерхневих шарах.

4. Вперше взаємодію атомарного водню з поверхнею фосфіду індію застосовано для утворення структури Іп/п-ІпР. Вольт-амперна характеристика такої структури має лінійний вигляд, що характерно для омічних контактів. Отримано значення питомого опору контакту, яке становить /-с=1.35х10'6 Омхм2.

5. Для методу пошуку екстремуму функціоналу термодинамічної функції було розроблено методику моделювання змін у складі фаз гетерогенної системи, обумовлених збудженням локального розряду.

6. Для моделювання підсилення сублімації діфосфору, яка обумовлена взаємодією атомів водню з поверхнею ІпР, необхідно враховувати наступні ефекти: розігрів приповерхневих шарів при рекомбінації атомів водню в молекулу та зміну термодинамічних характеристик сполуки ІпР на межі розділу з газовою фазою.

7. Застосування моделі потоку газових компонентів дозволяє прогнозувати зміни в складі системи з часом та виявляти механізми цих змін. Отримані результати моделювання взаємодії атомарного водню з фосфідом індію доводять можливість утворення металевої фази In при такій низькій температурі як 400 К та залежність напрямку змін у складі конденсованих фаз від співвідношення [0]/[Н] у газовому потоці.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Gorbenko V., Gorban A., Shvets J. Effects of H-atoms on basic processes in H2/H20/InP system // Vacuum. - 1999. - Vol. 54. - P. 179-182.

2. Горбенко B.I., Швець Ю.О. Два підходи в застосуванні рівноважної термодинаміки до моделювання систем “водень-тверде тіло” // Вісник Запорізького державного університету. Фізико-математичні науки. Біологічні науки. - 1999. - №1. - С. 126-130.

3. Горбенко В.И., Швец Ю.А. Моделирование влияния возбуждающего энергетического воздействия на состав сложной гетерогенной системы // Вопросы атомной науки и техники: вакуум, чистые материалы, сверхпроводники. - 1998. - Вып. 6(7), 7(8). - С. 195-196.

4. Gorbenko V., Shvets J., Gorban A. Oxidation and metallization in H2/H20/InP system// Proceeding of the SOTAPOCS XXVII. - Vol. 97-21. -Pennington: The Electrochemical society. - 1997. - P. 375-381.

5. Горбенко В.И., Швец Ю.А. Термодинамический анализ состава системы "атомосодержащий газ - твердое тело" с областью газового электрического разряда // Математика. Физика: Сб. науч. тр. -Запорожье: ЗГУ,- 1995.- с. 126-129.

6. Швец Ю.А., Горбенко В.И., Горбань А.Н., Яновский А.С. Процессы, стимулируемые атомарным водородом в приповерхностных слоях фосфида индия// Фізико-хімічні, структурні та емісійні властивості тонких плівок і поверхні твердого тіла: 36. наук. пр. під ред. акад. М.Н.Находкіна.- вип.2, кн.2.- Запоріжжя,- 1995.- с.103-120.

7. Горбань О.М., Швец Ю.О., Горбенко В.І. Спосіб отримання електричного контакту типу "мегал-напівпровідник" до фосфіду Індія // Позитивне рішення на видачу патенту науково-дослідного центру патентної експертизи. - заявка №97094728; пріор. 23.09.1997; опубл.29.12.1999, бюл. №8, Промислова власність. - С.1287.

Горбенко В.І. Дослідження змін властивостей приповерхневих шарів фосфіду індію під дією атомів водню теплових енергій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - Фізика напівпровідників та діелектриків. - Запорізький державний університет, Запоріжжя, 2000 р.

Дисертацію присвячено вивченню модифікації складу і властивостей приповерхневих шарів напівпровідникового матеріалу та явищ у складній гетерогенній системі. Розглянута система, газова фаза якої утворюється під дією розряду високої частоти у суміші молекул водню та води. Встановлено, що зміни у складі фосфіду індію можуть розвиватися у двох напрямках: утворення на поверхні металевого шару індію та збагачення приповерхневих шарів киснем. Напрямок розвитку залежить від співвідношення молекул водню та води у газовій фазі. З’ясовано, що взаємодія атомарного водню з атомами напівпровідника стимулює сублімацію молекул Р2 і підсилює дифузію атомів кисню в приповерхневих шарах. Встановлено, що електрофізичні характеристики металевого шару індію є омічними. Розроблено методики до методу пошуку екстремуму функціоналу термодинамічної функції, що дозволили застосувати його до моделювання процесів в складній гетерогенній системі з підвищеним вмістом радикалів.

Ключові слова: атомарний водень, фосфід індію, напівпровідник, гетерогенна система, омічний контакт, дифузія, моделювання.

Gorbenko V.I. Research of changes of properties of subsurface layers of indium phosphide under action of hydrogen atoms with thermal energy. -Manuscript.

Thesis for scientific degree of the candidate of physics and mathematics by speciality 01.04.10 - Physics of semiconductors and dielectrics. - Zaporozhye State University, Zaporozhye, 2000.

The dissertation is devoted to study of modification of composition and properties of subsurface layers of the semiconductor material and phenomena in complex heterogeneous system. The gas phase of considered system is formed by effect of high frequency discharge on a mixture of hydrogen and water molecules. It was established, that the changes in composition of indium phosphide is able to develop in two directions: formation on the surface of a metallic layer of indium and enrichment of subsurface layers by oxygen. The direction of development is depended on a ratio of contents of hydrogen and water molecules in a gas phase. It was found, that the interaction of atomic hydrogen with atoms of the semiconductor stimulates a sublimation of molecules P2 and enhancement of oxygen atoms diffusion in subsurface layers. It was established that the electrophysical characteristics of metallic layer of indium are ohmic. For the method of determination of an extremum of a functional of thermodynamic function techniques have been developed that allows using the method for a modeling of processes in complex heterogeneous system with the high contents of radicals.

Key words: atomic hydrogen, indium phosphide, semiconductor, ohmic contact, diffusion, modeling.

Горбенко В.И. Исследование изменений свойств приповерхностных слоев фосфида индия под действием атомов водорода тепловых энергий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.10 - Физика

полупроводников и диэлектриков. - Запорожский государственный университет, Запорожье, 2000 г.

Диссертация посвящена изучению модификации состава и свойств приповерхностных слоев полупроводникового материала и явлений в сложной гетерогенной системе.

Газовая фаза системы формировалась под действием высокочастотного разряда в среде молекулярного водорода и паров воды. Проведенные измерения показывают зависимость концентрации атомов водорода от количества паров воды. На зависимости имеется максимум концентрации атомов водорода, который при РИ2 = 9 Па находится в

области РН2о -2 Па при этом концентрация атомов водорода составляет 2-1020 м'3.

Исследованы изменения в составе приповерхностных слоев фосфида индия, происходящие при экспозиции в такой газовой среде. Обнаружено два типа изменений в составе: образование на поверхности металлического слоя индия и обогащение приповерхностных слоев кислородом. Тип изменений в составе зависит от соотношения количества молекул воды и водорода в газовой фазе. При РН2 = 9 Па и РНю = 1.5+5 Па на поверхности происходило образование слоя индия. При более высоком содержании молекул воды наблюдалось образование комплексов 1п-0 и Р-О.

Для определения роли атомов водорода в процессе металлизации поверхности были проведены масс-спектрометрические исследования. Установлено, что взаимодействие Н-атомов с атомами полупроводника приводит к образованию и десорбции молекул РН3 и Р2. Впервые показано стимулирование атомарным водородом образования и десорбции дифосфора Р2: в присутствии атомов водорода энтальпия ДЯ298 реакции 1пРтв->1пш+0.5Р3га> уменьшалась до значения 38600 Дж/моль.

Для процесса обогащения приповерхностных слоев кислородом получена зависимость отношения коэффициентов диффузии в средах с различным соотношением молекул водорода и воды. Показано, что изменение коэффициента диффузии кислорода обусловлено изменением содержания атомов водорода в газовой фазе.

Впервые взаимодействие атомарного водорода с фосфидом индия было использовано для получения структуры 1п-1пР. Линейность вольт-амперной характеристики и величина удельного сопротивления контакта гс=1,35-10 '6 Ом м позволили сделать вывод об омичности его характеристик.

Для моделирования процессов в системе Н2/Н2ОЛпР со сверх-равновесной концентрацией атомов водорода разработаны методики, позволяющие использовать при расчете состава метод поиска экстремума функционала термодинамической функции. Проведено обоснование использования следующих термодинамических характеристик фосфида индия: Ш°т =-1&\5(Щж/моль; 5°98=59.45Дж/(К ■ моль) ■ Представлено

обоснование выбора величины параметров моделирования.

При моделировании усиления сублимации дифосфора рассмотрено два эффекта, обусловленных взаимодействием атомов водорода с поверхностью 1пР: разогрев приповерхностных слоев при рекомбинации атомов водорода в молекулу и изменение термодинамических характеристик соединения 1пР на границе раздела фаз.

Для моделирования изменений в составе фаз системы со временем учитывался поток газообразных компонент через систему. Было применено модифицированное уравнение материального баланса и специальный алгоритм расчетов.

Ключевые слова: атомарный водород, фосфид индия,

полупроводник, гетерогенная система, омический контакт, диффузия, моделирование.