Особенности фазовых превращений в системах твердых растворов с низкой термодинамической устойчивостью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ РР8 ^ЕРСИТЕТ им. В.И.УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

- ' Ш> 1092.

На правах рукописи

Рубцов Эдуард Русланович

ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ШЛЕМАХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ С НИЗКОЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников

и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1894

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -доктор физико-математических наук профессор СОРОКИН В.С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор САМОРУКОВ Б.Е. кандидат физико-математических наук ст. науч. сотр.

СОЛОВЬЕВ И.В.

Ведущая организация - Физико-технический институт ' им. А.Ф.Иоффе РАН, г.Санкт-Петербург

Защита состоится "_" ' ■ 1994 г. в _ час. на

заседании специализированного совета К 063.36.10 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан _ 1994 г

Ученый секретарь специализированного совета

Окунев Ю.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .

Актуальность теш. Быстрый прогресс интегральной оптики, разработка волоконно-оптических устройств с минимальной дисперсией и минимальными оптическими потерями, а также необходимость создания экологических детекторов промышленных и природных газов стимулирует освоение спектрального диапазона от 2 до 5 мкм.

Для создания источников и приемников излучения, рассчитанных на этот спектральный диапазон весьма перспективны узкозонные твердые растворы на основе соединений АэВв. Сюда относятся прежде, всего четырехкомпонентные твердые растворы Сах1п1_,сАзу БЬг-у и 1пРхАЗуБЬ1_х_у.. Термодинамика и кинетика взаимодействия фаз при получении их методом жидкофазной эпитаксии (ШФЭ) изучены недостаточно. Данные твердые растворы, как и многие другие, имеют широкую область термодинамической неустойчивости, в связи с чем становится актуальным анализ закономерностей межфазного взаимодействия вблизи границ и внутри области нестабильности.

В осваиваемый спектральный диапазон попадают и многие из пятикомпонентных твердых растворов (ПТР), В литературе имеются крайне ограниченные и противоречивые сведения об этих материалах. Не изучена термодинамика столь сложных систем, закономерности изменения физических свойств, особенности зонной структуры, не развиты теоретические модели ЖФЭ. Серьезным препятствием управляемому синтезу твердых растворов может являться наличие широких областей несмешиваемости, границы которых не определены даже в грубом приближении.

Несомненным достоинством пятикомпонентных твердых растворов является возможность независимого управления шириной запрещенной зони, периодом кристаллической решетки и температурным коэффициентом линейного расширения, что является определяющим при выборе материалов гетеропары и формировании гетероперехода со свойствами идеального контакта.

Целью работы явилось усовершенствование математической модели жидкостной, гетероэпитаксии многокомпонентных твердых растворов АаВв, позволяющей достаточно эффективно управлять составом эпитаксиальш.^ еле«»и свойствами формируемых гетерострук-

ур.

1&эд®гПйм*мсоств9>.ими частями исследования, подчиненными

поставленной цели, явились:

- анализ особенностей межфазного взаимодействия в четверти аи-тиионидаык системах;

- выявление закономерностей гетерогенного взаимодействия между жидкой и твердой фазами в условиях термодинамической неустойчивости твердого раствора;

- развитие интерполяционных методов расчета параметров твердых растворов на пятикомпонентные системы;

- разработка методики расчета составов равновесных фаз и границ областей термодинамической неустойчивости для пятикомпонент-ных систем;

- экспериментальное исследование гетерогенных равновесий в пя-тнкомпонентных системах.

Научная новизна работы.

1. Исследована поверхность ликвидуса системы 1пРАзЗЪ/1пАе применительно к условиям Ш. Экспериментально подтверждено образование переходного слоя на границе "многокомпонентная жидкая

- бинарная твердая фазы".

2. Экспериментально и теоретически исследована фаговая диаграмма системы Са1пАзЗЬ/СвЗЬ в температурном диапазоне ИЭ. Экспериментально и теоретически обоснована возможность синтеза тонких псевдсморфных зпнтаксиальных слоев, состав которых лежит внутри области термодинамической неустойчивости.

3. Интерполяционнш путем рассчитаны параметры зонной структуры гетеропереходов в система Са1пАвЗЬ/1пАз. На основе экспериментальных и расчетных данных показано, что в диапазоне 0,73ш1 гетеропереходы этого типа имеют энергетическую структуру с иеперейрывакщямиея запрещенными зонами на гетарогранице.

4. Получены аналитические выражения, связывающие изменение периода решетки псевдо^орфного эпитаксиального слоя с изменением состава исходной жидкой фазы с учетом анизотропии деформационных искажений гетероструктури. Установлено, что дилатавдонная реакция решетки твердого раствора на изменение состава кристаллизационной среды резко, усиливается по мере приближения солиду-са гетерогенной системы к границе области спинодального распада. Выявлено также, что вблкзи границ и внутри области термодинамической неустойчивости резко усиливается дилатационная чувствительность системы к флуктуацияы температуры роста и резке

-■з -

падает скорость кристаллизации слоев.

5. Исходя из общего критерия устойчивости термодинамической системы по отношению к диффузии компонентов получено уравнение спинодали для ПТР А3В° с изовалентным замещением по узлам обеих подрешеток. В приближении регулярного раствора рассчитаны зпинодальные изотермы ПТР применительно к условиям жидкофазной эпитаксии. Показано, что в изопериодных сечениях фазового пространства, соответствующих подложкам бинарных соединений, су-цествуют протяженные области термодинамической нестабильности.

6; В приближении регулярного раствора получены уравнения разовых равновесий жидкость-твердое для пятикомпонентных систем. Разработан алгоритм, написан и отлажен программный комп-иекс, позволяющий моделировать фазовые равновесия в пятикомпо-яентных системах. Впервые рассчитаны фазовые диаграммы пятиком-юнентных систем применительно к условиям ЖФЭ и проведено сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Гетеропереходы Р-Сах1пг-кАБуЗЬ1_у/п-1пАз в диапазоне составов 0,73ш1 имеют энергетическую структуру с неперекрыва-ощимися запрещенными зонами на гетерогранице и обладают линей-зой вольт-амперной характеристикой.

2. Дилатационная реакция решетки твердого раствора на изменение состава кристаллизационной среды резко усиливается по ¿ере приближения солидуса гетерогенной системы к границе области термодинамической неустойчивости.

3. Получение изопериодных структур на основе ПТР-ов изова-яонтного замещения А3ВВ, согласованных с бинарной подложкой по температурному коэффициенту линейного расширения возможно только в следующих системах: Са1пРАзЗЬ/1пАз; А1Са1пАзЗЬ/1пАз; А1Са [пгеЬ/1пР,1пАа; А1СаРАвЗЬ/1пР,1пАв;■ АПпРАгйЬ/ШР.

4. В ПТР изовалентного замещения А3В° при температурах ®$Э существуют протяженные области термодинамической неустойчивости, причем критические точки всегда лежат на одной из граней разового пространства.

5. Присутствие сурьмы в многокомпонентной системе вызывает юявление при температурах МЭ областей, в которых изотермы шсвидуса терпят разрыв и получить твердый раствор невозможно.

Практическое значение проведенных исследований состоит i развитии математических моделей гетероэпитаксии и распространении их на пятикомпонентные системы. Представленные в'диссертации инженерные методики расчета гетерогенных равновесий, ; .-¡числительные программы позволяют прогнозировать результаты эпитак-сии в сложных системах, проводить корректировку режимов эпитак-сии и осуществлять оптимизацию технологического процесса формирования полупроводниковых гетероструктур. На основе предложенных методик расчета и экспериментальных результатов впервые дано систематическое описание термодинамических свойств и закономерностей изменения зонной структуры пятикомпонентных тверда растворов в зависимости от состава, что позволяет оценить потенциальные возможности новой группы материалов при создании приборов полупроводниковой оптоэлектронкхи.

Аппробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканской конференции по . физико-химическим основам получения полупроводниковых материалов, Куляб, 1989 г.; на Всесоюзном семинаре по физйко-химическиы свойствам многокомпонентных полупроводниковых систем, Одесса, 1990 г.; на III Европейской конференции по росту кристаллов, Будапешт, 1991 г.i на VIII Всесоюзной конференции по росту кристаллов, Харьков, 1992 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 1С печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы, включающего 121 - наименование, и приложения. Основная часть работы изложена на 116 страницах машинного текста. Работа содержит 34 рисунка, 1Е таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу теоретических и модельных представлений, которые легли в основу работы.

Показано, что для удовлетворительного описания гетерогенных равновесий в четырехкомпонентных системах на основе полупроводниковых соединений Аможет быть использовано приближение квазирегулярного жидкого и регулярного твердого раствора.

Эндотермический вклад в энтальпию смешения, обусловленный юкальными искажениями кристаллической решетки твердого раство->а при изовалентном замещении, является движущей силой фазовых [ревращений, приводящих к нарушению макроскопической однород-юсти кристаллов. Поэтому все многокомпонентные твердые раство->ы имеют более или менее протяженные области термодинамической ¡еустойчивости.

При дилатационном несоответствии решеток псевдоморфного лоя и жесткой подложки возникает когерентная дисторсия, которая вызывает смещение фазовых равновесий и способствует кряс-аллизацйи твердого раствора, период решетки которсю приближа-тся к периоду решетки подложки. Его состав определяется урав-ениями когерентной фазовой диаграммы, учитывающими вклад энер— ии гетерогенной деформации в свободную энергию твердой фазы.

Для адекватного описания закономерностей изменения сос-ава и кинетики гетероэпитаксии псевдоморфных слоев на несингу-ярных подложках может быть использована модель диффузионко-ог-аниченного роста в сочетании с приближением когерентного рав-овесия на межфазной границе. При известном распределении ксм-энентов в жидкой фазе скорость перемещения границы раздела в обой момент времени определяется из уравнений материального аланса в предположении, что на межфазной границе отсутствует акопление вещества по отношению к содержанию компонентов, оп-эделяемому уравнениями когерентной диаграммы состояний.

В случае переноса вещества конвективным механизмом, напри-зр, при процессах растворения, а также при использовании кон-штрированных растворов, когда приближение собственных коэффи-[ентов диффузии оказывается необоснованным, эффективной может сазаться модель полного перемешивания, для построения которой ■ требуется представлений о коэффициентах диффузии.

Вторая глава посвящена жидкостной эпитаксии четверных ан-[мрнидных твердых растворов.

При исследовании поверхности ликвидуса системы ГпРАэЭЬ бы-| обнаружено, что жидкая фаза, сформированная в результате на-вдения расплава Ш-Р-БЬ) мышьяком из подложки 1пАз, оказыва-ся пересыщенной относительно температуры ликвидуса на величи-ЛТи. Это подтверждает представления об образовании псевдо-рфного переходного слоя на границе раздела фаз я о влиянии

- б -

упругих напряжений, возникающих при несоответствии периодов решеток подложки и слоя,' на фазовые равновесия в системе.

При кристаллизации твердых растворов InPAsSb/InAs в температурном интервале 30"К были получены деформированные структуры, обладающие некоторой сферической кривизной. Деформация происходила в процессе эпитаксии из-за несоответствия периодов решеток подложки и слоя и наличия градиента состава твердого раствора по толщине. Использование клиновидных подложек показало, что более полная релаксация упругих напряжений происходит в тонкой подложке с образованием в ней большего числа дислокаций несоответствия. Это приводит к формированию дополнительного пересыщения в системе и осаждению эпитаксиального слоя большей толщины, что подтверждается экспериментально.

Анализ кинетических аспектов жидкостной эпитаксии в системе GalnAsSb/GaSb показал хорошее соответствие экспериментальных результатов с рассчитанными по модели полного перемешивания. Обнаружено, что скорость роста слоев резко падает по мере приближения состава твердого раствора к границе области нестабильности.

В работе П9каэано, что благодаря стабилизирующему влиянии внешних упругих напряжений, препятствующих выделению фаз, не-изопериодных матрице исходного твердого раствора и подложки, оказывается возможным синтезировать методом ШФЭ слои псевдомор-фных твердых растворов малой толщины, состав которых отвечает области термодинамической неустойчивости. Данный вывод подтверждается экспериментами по кристаллизации твердых растворо) GalnAsSb с минимальными временами роста на подложках GaSb различной кристаллографической ориентации.

Для понимания электрических свойств гетероструктур требуется знание не только ширины запрещенной зоны полупроводников но и относительного расположения краев энергетических зон сопрягаемых материалов. Величина разрыва зон во многом определяв рекомбинационные и инжекционные свойства гетероструктуры. Cor ласно теории Van de Walle ее можно .определить, соотнося энерге тические уровни со средним электростатическим потенциалом в по лубесконечном -вердом теле.

Проведенные расчеты показывают, что на основе твердых рас . творов GalnAsSb возможно синтезироеать. как ступенчатые гетеро

переходы, позволяющие получить при больших смещениях вынужденное рекомбинационное излучение с энергией фотонов меньше ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника за счет диагонального тунелирования, так и гетеропереходы с неперекрывающимися запрещенными зонами, обладающие линейной вольт-амперной характеристикой, если Р-облаоть относится к более широкозонному полупроводнику. Последний случай был проверен экспериментально, путем исследования ВАХ эпитаксиальной гетероструктуры Р-СаА^Ь/п-Шэ. Такие гетеропереходы используются в излуча-тельных приборах в качестве низкоомных контактов.

В третьей главе анализируются общие закономерности гетерогенных взаимодействий между жидкой и твердой фазами в условиях термодинамической неустойчивости синтезируемого твердого раствора.

Моделирование влияния состава жидкой фазы на период решетки твердого раствора показало, что некогерентность гетерограни-цы приводит к бесконечному увеличению чувствительности системы к изменениям состава жидкой фазы при переходе границы области термодинамической неустойчивости. Такого эффекта не наблюдается при псевдоморфном росте благодаря тому, что фактор стабилизации периода решетки твердого раствора, характеризующий реакцию решетки псевдоморфного слоя на возмущение, вносимое в среду, при пересечении спинодальной кривой также обращается в бесконечность.

Этот вывод подтверждает полученное в приближении регулярного раствора аналитическое выражение, которое позволяет оценить дилатационную реакцию твердого раствора на изменение состава кристаллизационной среды без решения системы трансцендентных уравнений фазовых равновесий и массопереноса. Установлено, что по мере приближения к области термодинамической неустойчивости резко увеличивается дилатационная чувствительность гетерогенной системы к флуктуацикц температуры процесса и резко падает скорость кристаллизации слоев за счет уменьшения парциальных пересыщений компонентов.

, Основное внимание в работе уделено термодинамике фазовых превращений в пятикоипонентных системах. Этому посвящена четвертая глава.

ПТР изовалентного замещения можно представить состоящем ш

шести бинарных компонентов, а объем соответствующего ему фазового пространства изобразить в форме тригональной призмы, ,-оло-вие изопериода таких твердых растворов имеет вид уравнения поверхности, весьма близкой к плоской. Совместное решение линейных интерполяционных Уравнений для периода кристаллической решетки и температурного коэффициента линейного расширения твердого раствора позволило впервые выявить условия получения изо-периодных структур, согласованных с бинарной подложкой по температурному коэффициенту линейного расширения. Установлено, что выполнение таких условий возможно только 'в семи гетерострукту-рах из двадцати возможных. Ниже приведены упрощенные уравнения отвечающих им линий - изоэкспанд:

1. Сах1п1_хРуАзи8Ь1_у_г/1пАз х у г-1

0,21537 " 0,54725 ~ Т"

2. А1х1п1_хРуАза.8Ь1_у_я/1пР х-0,42855 у-0,72725 г

0,57145 ~ -0,61314 М

3. А1«ба1-хРуЛЭиБЬ!пР х-0,78785 у-0,38766 ъ

0,21235 " -0,27352 ~ 0~4

4. А1хСа1_хРуАзиЗЬ1IпАэ х-0,44302 у-0,08348 2

0,04332 "-0,08348 ~ 0,12338

5.' А1жСау1п1_у_а.Азв8Ь1_11/1пАз х-0,2082 у 2-0,80817

0,27814 ~ 0,51365 ~ -0,68479

6. А1хСау1п1-у-ЕРвЗЬ1_!В/1пАз х у-0,21537 _ 2-0,54725

0,44302 " 0,34160 " -0,46377

7. АиСауХп^у-^ЭЬ^ЛпР х-0,42855 у _ 2-0,72725

0,27814 ~ 0,51365 7 -0,33958

Представление ИГР комбинацией двух четверных систем позволило впервые получить степенное интерполяционное выражение ми ширины запрещенной зоны твердого раствора с учетом вклада нелинейных эффектов, обусловленных статистическими флуктуациямц состава:

Е = Еве+Х ( Еае-Еве ) +у ( Евс-Еве ) (Ево-Евк) +ху ( Еас+Еве-Еа.е~ -Ем) +хг (Еав+Евв-ЕагЕи.) -уг[Свс-в»( 1-х)+Сас-аьхЗ-

-у(1-у-2)[Ср--ВК(1-х)+Сас-акх]-г(1-у-2)[Сас_ +Свт>-в®(1-Х)]-Х(1-Х)[САс_всУ+САо-в1>г+САЕ-вв:(1-у-2) ] ,

'де Е^ - значение энергетического зазора для ^-го бинарного ¡оединения, - коэффициенты квадратичной нелинейности для

тройного твердого раствора, образованного соединениями ^ и I помощью данного выражения рассчитано изменение ширины запре-ценной зоны на поверхностях изопериодов, а также положение гра-5Иц областей с прямозонной и непрямозонной структурой. Анализ юлученных результатов показал, что диапазон изменения энергетических зазоров ПТР соответствует сумме диапазонов их измене-т во всех входящих в данный ПТР четверных системах.

Исходя из условия устойчивости многокомпонентной системы ю отношению к оесконечно мальм возмущениям, уравнений Гиб-5са-Дюгема и условий стехиометрии, в работе впервые показано, «•о ПТР будет термодинамически устойчив, если его состав лежит за пределами области, ограниченной следующим уравнением спино-цали:

ЗхЗу 13x32 ЗуЗг дхду Зг2] дхдг 1дхду дудг дхдг'дуа\) '

где С,- мольная' энергия Гиббса.

С использованием полученного уравнения в рамках модели регулярного раствора проведен анализ термодинамической устойчивости ПТР. Обнаружено, что во всех ПТР изовалентного замещения А3Вв при температурах КФЭ существуют протяженные области термодинамической неустойчивости, причем критические точки всегда лежат на одной из граней фазового пространства, т.е. изолированных областей не образуется. Значения критических температур приведены в табл .1, а пример расположения спинодальной поверхности в фазовом пространства твердого раствора Са1пРДг-ЯЬ представлен на рис .1.

В работе рассчитано положение границ областей абсолютной термодинамической неустойчивости, определяемых когерентной спи-нодалью. Для ее расчета необходимо учесть энергию гетерогенной деформации, возникающей при выделении неизопериодных микровключений внутри неустойчивой матрицы. Как показал анализ, области нестабильности в этом случае существенно сужаются или даже ис-

Таблица 1

Критические температуры спинодального распада ПТР с учетом (Та) и без учета (Тс) энергии когерентной деформации

ПТР Tc.K Xc Ус Zc Та,К x3 Уз Zs

Ca^In^PyAs^Sb^y-s 3371 0,58 0,55 0 290 0,49 0 0,27

AlxGaylni-x-yPzASj.^ 1462 0,52 0 0,52 0,4 0,52 0,48 0,92

AlxGayIni_x_yPzSbj._a 4018 0,58 0 0,55 656 0,50 0,50 0,26

AlxGaylni-x-yASj-Sbi-B 2100 0,62 0 0,57 774 0,49 0,51 Q,38

А1i _xPyAs zSbi 2348 0,50 0,50 0 774 0,49 Q 0,38

AlxIni^PyÄSaSbi-y-z 4018 0,58 0,55 0 устс 5ЙЧИВ - .

GaAs

Рис.1. Положение слинодальной изотермы в фазовой простракгтке ПТР GalnPAsSb при Т = 1Й73 К

чезают (табл.1). Моделирование гетерогенных равновесий в пятиком-понентных система) имеет особеннс важное значение. I работе представлены уравнения фазовых равновесий полученные в рамках квазихимического прибаижени. теории регулярны растворов. Beer таких 'уравнени шесть, по числ бинарных компонён тов в твердом рас творе. Так как ПТР возможно про текание трех реак ций твердофазног

обмена, накладывающих на систему фазовых уравнений два ограничения, то лишь четыре уравнения будут линейно-независимыми. Пятое уравнение представляет собой выражение для нормировки концентраций компонентов в жидкой фазе. Разработанный программный комплекс для ПЭВМ типа "ДВК-3" позволил впервые выполнить расчеты фазовых диаграмм гетерогенных пятикомпонеитных систем. Фрагменты таких диаграмм приведены на рис. 2.

В литературе отсутствуют экспериментальные данные по ликвидусу и солидусу пятикомпонеитных систем, что затрудняет проверку адекватности используемой модели. Однако, в работе удалось получить несколько таких точек для твердого раствора АЮаХпАзБЬ/СаБЬ с использование»» сурьмы в качестве растворителя. Введение в состав твердого раствора пятого компонента было обусловлено необходимостью управления температурой ликвидуса для поддержания постоянной температуры зпитаксии при выращивании многослойных гетероструктур. В табл. 2 - представлено сопоставление Некоторых из экспериментальных данных (1) с расчетными (2).

Таблица 2

Экспериментальный и расчетные данные по Ш твердого раствора А1хСау1п1._х_1гАзг.ЗЬ1_!11/С!а8Ь

Х^-10? ат.дол. Ха«, ат.дол. ат.дол. ат.дол. X, МОл.дол. У. МОл.дол. 2, МОл.дол.

7,707 7,663 0,1028 0,1012 3,69 3,66 1,73 о 1,78 1 2 0,413 0,573 0,029

7,920 8,217 0,1058 0,1074 1,30 1,11 1,77 1,66 1 2 " 0,408 0,588 0,027

7,550 8,610 0,1022 0,0992 5,60 5,73 2,73 3,22 1 2 0,406 0,572 0,058

7,550 6,891 0,1007 0,0965 5,62 5,90 3,05 2,97 1 2 0,420 0,557 0,053

ие.2. Изотермы лакьвдуса для галлия гетеросистем: а) -А1хСау1п1_*-.уРгАз1_е/СаАз, Т=773 К; б) - Сах1п1^РуАБхЗЬ1_у_ 1«Лз. Т=в03 К

Следует отметить, что набор термодинамических параметров, использованных при расчете, способствует столь хорошему соответствию экспериментальных и теоретических данных далеко не во всех областях фазовой диаграммы, я при значительном изменении температуры процесса, концентраций компонентов или при переходе на другой растворитель, потребуется некоторая корректировка параметров.

При моделировании фазовых диаграмм многокомпонентных анти-МОНИДН1К систем возникает еще одна сложность, связанная с появлением областей составов твердых растворов, для которых невозможно найти равновесную жидкую фазу (рас. 2,6). Показано, что это происходит по двум причинам", во-первых, из-за низких температур плавления соединений СаБЬ и 1пЗЬ, попадающих в диапазон температур, используемых при ВФЭ. Во-вторых, из-за провисания изотерм солидуса в области несмешиваемости. Ограничение наступает при пересечении изотермой солидуса линии, соответствующей стехиокет-ряческому составу жидкой-фазы, при' котором, как известно, термодинамические функции системы проходят через экстремум (рис.3). В работе определены критические температуры существования этих областей для неко-. торых из гетерогенных пятикомдоненткых систем.

3 А К Л Г? Е И И Е

1. Исследованы фазовые диаграммы систем 1пРАз5Ь/1пАэ и баШвБЬ/баЗЬ применительно к условиям ЖФЭ. Показано, что для адекватного описания процессов эпитаксиальной кристаллизации или растворения в данных системах могут быть использованы урав-

Ряс.З. Изотермы солидуса системы БаРхАзуЗЬ1_х-у при х-0,1

нения когерентной фазовой диаграммы в приближении квазирегулярного раствора и кинетические уравнения массопереноса по модели полного перемешивания жидкой фазы.

2. Экспериментально и теоретически обосновано стабилизирующее влияние внешних упругих напряжений, возникающих в термодинамически неустойчивом твердом растворе. Благодаря этому становится возможным синтезировать методом ШФЭ тонкие псевдоморфные эпитаксиальные слои в области термодинамической неустойчивости.

3. Интерполяционным путем рассчитаны параметры зонной структуры гетеропереходов в системе СаШвЗЬ/Шэ. На основе экспериментальных и расчетных данных показано, что в диапазоне 0,73<х*1 гетеропереходы этого типа имеют энергетическую структуру с неперекрывающимися запрещенными зонами на гетерогранице, а также линейную вольтамперную характеристику, если Р-область относится к более широкозонному материалу.

4. Получены аналитические выражения, связывающие изменение периода решетки псеедоморфного эпитаксиального слоя с изменением состава исходной жидкой фазы с учетом анизотропии деформационных искажений гетероструктуры. Установлено, что дилатационная реакция решетки твердого раствора на изменение состава кристаллизационной среды резко усиливается по мере приближения солиду-са гетерогенной системы к границе области спинодального распада. Выявлено также, что вблизи границ и внутри области термодинамической неустойчивости резко усиливается дилатационная чувствительность системы к флуктуациям температуры роста и резко падает скорость кристаллизации слоев.

5. Получено интерполяционное выражение для ширины запрещенной зоны ПТР изовалентного замещения АЭВВ с учетом вклада нелинейных эффектов. Проанализировано изменение ширины запрещенной зоны в изопериодных сечениях, соответствующих бинарным подложкам.

6. Установлено, что получение изопериодных структур на основе ПТР изовалентного замещения А3ВВ, согласованных с бинарной подложкой по температурному коэффициенту линейного расширения возможно только в следующих системах: Са1пРАзЗЬ/1пАз; А1Са1пР8Ь /1пР,1пАз; АIпЛз3•/1пЛэ; А1СаРАзЗЬ/1пР,1пАз; АПпРАзЗЬ/1пР.

7. Исходя из общего критерия устойчивости - термодинамической системы по отношению к бесконечно малым возмущениям получе-

но уравнение спинодали для ПТР ASB° с изовалентным замещением по узлам обеих подрешетох. Б приближении регулярного раствора рассчитаны спинодальные изотермы ПТР применительно к условиям жидкофазной эпитаксии. Показано, что в фазовых пространствах ПТР существуют протяженные области термодинамической нестабильности.

8. В приближении регулярного раствора получены уравнения фазовых равновесий жидкость-твердое для пятиксмпонентных систем. Разработан алгоритм, написан и отлажен программный комплекс, Позволяющий моделировать фазовые равновесия в пятикомпо-нентных системах. Впервые рассчитаны фазозыз диаграммы пятиксмпонентных систем применительно К условиям ЕФЭ я проведено сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1'.'Кузнецов-В.В., Лаврентьев A.A., Рубцов Э.Р. Исследование переходных слоев твердых растворов ASB® методом ВКМС // Известия ША им.Б.И.Ульянова (Ленина).-1981.- Был.281.- с.95-97.

2. Рубцов Э.Р. Моделирование процессов жидкостной гНйтак-* сии в системе GalnPAs/InP в области термодинамической неустойчивости // Тезисы докладов Республиканской конференции По фйзй-ко-химкчзским основам- получения полупроводниковых «а?8рйалов. -Куляб. - 1889. - с.39.

3. Кузнецов В.В., Рубцов Э.Р., Качалова И.А. Особенности моделирования процесса жидкостной гетероэпятаксия. многокомпонентных антимонидов А3Ва //Тезисы докладов Всесоюзного сешша-ра пб физико-хшпескйм свойствам многокомпонентных полупроводниковых систем, - Одесса,- 1990. - с.30-31

4. Kuznetsov V.V., Lrbsdf? O.A., Rubtsov E.R. Multiccfflpo-nent A3Be antimoniös heteroepiuwy // 3-rd European Conference on Crystal Growth. - 1991. - Budapest. - p.75

5. Кинетика кристаллизациитвердых растворов Сах1пг_хАзу Sbi_y из жидкой фазы/ Варанов А.Н., Кузнецов В.В., ГусеЙйой А., Рубцов Э.Р., Яковлев Ю.П. // Журнал физической химия. - 1331. -- Т.65. - Вып.12. - с.3228-3235.

6, Межфазное взаимодействие и готероэпитаксия в системе InPAsSb/ Кузнецов В.В.гСтусь H.H., Талалакин Г,Н., Рубцов Э.Р. // Кристаллография. - T.3?« - Вып.4, - 1992. - с.998-1002.

7, Сорокин B.C., Рубцов Э.Р, Когерентная деформация псев-доцорфных слоев цри жвдкофазной гетероэпитаксии твердых раство-ров//Изв, АН СССР. Неорган, материалы. - 1992. - Т.28. - № 4.

- с.704-708.

8, Сорокин B.C., Кузнецов 3.В., Рубцов Э.Р./ Анализ термодинамической устойчивости и основных электрофизических свойств пятикомпонентных твердых растворов АаВв // Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по росту кристаллов, - 1992. - Харьков.

- Т.2. - С.224 - 225.

9, Сорокин B.C., Рубцов Э.Р, Расчет спщодалдах изотерм в пятикомпонентных твердых растворах А8В°//И?в, АН СССР. Неорган, материалы,- 1993. - Т.29. № 1. - с.28-32.

10. Heteroepitaxy multicomponent antiooüids AsBe/ Kuznetsov V.V., Rubtsor E.R., Galitskaya T.F., Eremeewa О, // Naukowe politechniki Lubelskiej. - FIZYKA 9. - Poland. - 1993. - s.USr 127.

Подписало в печать 11.03.94, Формат 80*84 1/16. Офсетная печать. Печ.л. 1,0; уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак. 11 34

Ротапринт МП "Поляком" 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5