Міністерство освіти і науки Російської Федерації
Новосибірський державний технічний університет
Кафедра ПП і МЕ
Курсова робота з дисципліни: «Фізико-хімічні основи процесів мікро- і нанотехнології»
Термодинамічний аналіз молекулярно-променевої епітаксії InGaPAs
Виконав Котовщиков І. Про.
Факультет РЕФ
Група: РНТ1-11
Перевірив Ілюшин В. А.
Новосибірськ 2014
Введення
В даний час метод молекулярно-пучкової епітаксії (МПЕ) - найбільш ефективна епітаксіальна технологія, що дозволяє отримувати напівпровідникові гетероструктури потрійних сполук AIIIBV з одним елементом V групи, що відрізняється високою точністю профілів складу. У той же час при МПЕ потрійних сполук з двома елементами V групи і, особливо, четверні з'єднань управління складом зростаючого шару стає дуже складним завданням і вимагає великої кількості ростових експериментів у поєднанні з послеростовимі дослідженнями. У зв'язку з цим створення адекватної теоретичної моделі процесу зростання багатокомпонентних з'єднань при МПЕ до теперішнього часу є вельми актуальним завданням. У 1985 р Хекінгботтом показав, що процес МПЕ можна розглядати як квазінеравновесний і описувати в рамках термодинамічної моделі [1]. Даний підхід отримав розвиток в роботі [2], в якій наводяться методика розрахунку умов, контролюючих процес зростання, і результати термодинамічного аналізу у разі вирощування бінарних і потрійних сполук AIIIBV.
Термодинамічна модель зростання четверного з'єднання GaхIn1-хPуAs1-у
Термодинамічне розгляд процесу зростання четверні розчинів при МПЕ засноване на наступних основних наближеннях. МПЕ розглядається як квазіравновесную процес, де рівновага між газовою і твердою фазами встановлюється на поверхні зростаючого шару [1]. За температуру системи береться температура підкладки. За рівноважні парціальні тиску прийняті тиску, відповідні потокам атомів і молекул від поверхні підкладки. Термодинамічні властивості четверні систем аппроксимируются моделлю регулярного розчину [3].
Вважаючи для визначеності, що елементи III групи надходять на поверхню росту в атомарному вигляді, а елементи V групи - у вигляді димерів, розглянемо реакцію між основними компонентами при МПЕ четверного з'єднання GaхIn1-хPуAs1-у:
ХGA (g) + (1 - x) In (g) + yP2 (g) + (1 - y) As2 (g) lt;= gt; GaхIn1-хPуAs1-у (s), (1)
де символом g відзначені речовини в газовій фазі, а символом s - у твердій.
Твердий розчин GaхIn1-хPуAs1-у розглядається як гомогенна суміш чотирьох бінарних сполук з відповідними коефіцієнтами активності. Коефіцієнти активності характеризують ступінь відхилення властивостей розглянутого бінарного компонента в реальному розчині від його властивостей в ідеальному розчині. Тоді, відповідно до закону діючих мас, для зазначеної реакції буде справедлива система рівнянь
,
,, (2)
де Ki - константи рівноваги реакцій утворення бінарних сполук, Р - рівноважні парціальні тиску відповідних елементів у поверхні підкладки, аi - активності бінарних сполук в четверному твердому розчині.
Активності бінарних сполук в четверному твердому розчині можуть бути виражені через параметри взаємодії бінарних сполук в потрійних твердих розчинах [3] і визначаються наступними виразами:
kT ln aInAs=kT ln [(1 - x) (1 - y)] + [ya1 + (1 - y) a2] x2 + [xa3 + (1 - x) a4] y2
[ac - (1 - x) (a2 -a1) - (1-y) (a4-a3)] xy, (3.1)
lnaGaP=kT ln xy [ya1 + (1 - y) a2] (1 - x) 2 + [xa3 + (1 - x) a4] (1 - y) 2 - [ac + x (a2 - a1) + y (a4 - a3)] (1 - x) (1 - y), (3.2)
ln aInP=kT ln [(1 - x) y] + [ya1 + (1 - y) a2] x2 + [xa3 + (1 - x) a4] (1 - y) 2 + [ac - (1 - x) (a2 - a1) + y (a4 - a3)] x (1 - y), (3.3) ln aGaAs=kT ln [x (1 - y)] + [ya1 + ( 1 - y) a2] (1 - x) 2 + [xa3 + (1 - x) a4] y2 + [ac + x (a2 - a1) - (1 - y) (a4 - a3)] (1 - x ) y, (3.4)
де a1 - параметр взаємодії між GaP і InP в потрійному розчині GaAsP; a2, a3, a4 - те ж саме в GaAs-InAs, GaAs-GaP, InAs-InP відповідно. З 4-х рівнянь (3.1-3.4) лише 3 є лінійно незалежними, оскільки на систему рівнянь накладається обмеження у вигляді взаємозв'язку між хімічними потенціалами? бінарних компонентів у твердій фазі
? GaAs +? InP =? GaP +? InAs, (4)
