Оптимізація технології і моделювання фізичних процесів у тонких плівках АIVВVI та структурах на їх основі

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

ПРИКАРПАТСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВАСИЛЯ СТЕФАНИКА

УДК 539.216.2:621.315.592

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЇ І МОДЕЛЮВАННЯ ФІЗИЧНИХ ПРОЦЕСІВ У ТОНКИХ ПЛІВКАХ AIVBVI ТА СТРУКТУРАХ НА ЇХ ОСНОВІ

Спеціальність 01.04.18 - фізика і хімія поверхні

ЛОП'ЯНКА МИХАЙЛО АНТОНОВИЧ

Івано-Франківськ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики твердого тіла Прикарпатського університету імені Василя Стефаника Міністерства освіти України.

Науковий керівник:

Фреїк Дмитро Михайлович, заслужений діяч науки і техніки України, доктор хімічних наук, професор, Прикарпатський університет імені Василя Стефаника, директор Фізико-хімічного інституту, завідувач кафедри фізики твердого тіла, м. Івано-Франківськ.

Офіційні опоненти:

Раренко Іларій Михайлович, доктор фізико-математичних наук, професор, Чернівецький державний університет імені Юрія Федьковича, завідувач кафедри напівпровідникової мікроелектроніки, м. Чернівці;

Панченко Олег Антонович, доктор фізико-математичних наук, професор, Інститут фізики НАН України, завідувач лабораторією розмірних електронних явищ, м. Київ.

Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників Національної Академії Наук України, відділ фізики поверхні та мікроелектроніки, м. Київ.

Захист відбудеться "9" жовтня 1999 р. о 1000 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 20.051.03 при Прикарпатському університеті імені Василя Стефаника (76000 м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57).

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці університету (76000 м. Івано-Франківськ, вул. Шевченка, 57).

Автореферат розісланий "9" вересня 1999 року.

Вчений секретар спеціалізованої ради В.М. Кланічка.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Успіхи мікроелектроніки на сучасному етапі її розвитку визначаються досягненнями в області напівпровідникового тонкоплівкового матеріалознавства. Можливість плавної зміни ширини забороненої зони у напівпровідниках АIVВVI та їх твердих розчинах від температури, тиску, магнітного поля і складу обумовлюють перспективність цих матеріалів для створення фотоприймачів і лазерів у довгохвильовій області інфрачервоного спектру, а також термоелектричних пристроїв. Високі значення діелектричної проникності та коефіцієнта поглинання ( см^-3) дають можливість використовувати епітаксійні плівки для багатоелементних матриць. При цьому найважливішою проблемою є дослідження природи атомних дефектів, керування їх типом і концентрацією, визначення впливу дефектів на характер протікання електронних процесів, їх зв'язку з технологічними параметрами, що визначають умови вирощування тонкоплівкового матеріалу з наперед заданими властивостями.

Не дивлячись на те, що вивчення плівок халькогенідів свинцю ведеться на протязі тривалого часу, огляд існуючих робіт з цієї тематики вказує на ряд проблем, які ще не були з'ясовані. Так, зокрема, на час постановки задачі даної роботи (80-ті роки) залишались не вивченими питання комплексних досліджень впливу технологічних операційних факторів вирощування плівок з парової фази методом гарячої стінки (температури випаровування ТВ, осадження ТП, стінок камери ТС; парціальний тиск компонентів у зоні конденсації) на фізичні властивості тонкоплівкового матеріалу.

Зауважимо, що вивчення таких об'єктів і процесів вимагає значних матеріальних і часових затрат. В ряді випадків простими підходами неможливо виконати усестороннє дослідження цих процесів. Методи математичного планування і оптимізації багатофакторного експерименту і використання ЕОМ при розв'язанні складних задач напівпровідникового матеріалознавства дозволяють розв'язати поставлені проблеми, значно скоротити необхідні час і затрати при розробці нових технологій і матеріалів.

Крім того, відомі експериментальні дані не дозволяли дати узагальнених висновків відносно закономірностей у зміні електричних властивостей тонких плівок твердих розчинів на основі сполук АIVВVI. Такий стан не зміг забезпечити оптимізації технології вирощування тонкоплівкового матеріалу для потреб оптоелектроніки.

Результати багаточисельних досліджень вказують на те, що при зміні умов вирощування можна ефективно керувати хімічним складом, структурою і іншими фізичними властивостями осаджених плівок. На даний час до кінця не вияснені механізми генерації дефектної підсистеми в тонких плівках, та їх роль у формуванні електричних параметрів матеріалу і активних елементів на його основі. Цінним з точки зору фундаментальних досліджень є вивчення впливу зовнішніх факторів на електронні процеси в тонких напівпровідникових плівках халькогенідів свинцю. У зв'язку із вищезазначеним випливає доцільність проведення експериментальних і теоретичних досліджень у названих напрямках та актуальність теми дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами Дисертаційна робота була виконана відповідно до плану наукових досліджень кафедри фізики твердого тіла Прикарпатського університету імені Василя Стефаника в рамках науково-технічної програми Міннауки України "Розробка прогресивних технологій складних напівпровідникових плівок на основі сполук АIVВVI для пристроїв електроніки" (проект 05.44.06/27-93) та тематичних планів НДДКР Міносвіти України "Розробка технології кристалів і тонких плівок сполук АIVВVI з ізовалентним заміщенням для активних елементів інфрачервоної техніки" (додаток № 13 до наказу № 340 від 02.12.1994 р), "Вплив зовнішніх факторів на електронні процеси в тонких напівпровідникових плівках халькогенідів свинцю і олова" (додаток № 2 до наказу № 330 від 13.12.1996 р).

Робота координувалася науковою Радою з фізики напівпровідників Національної Академії Наук України.

Мета і задачі дослідження полягають у вивченні впливу технологічних операційних факторів та хімічного складу на властивості плівок халькогенідів свинцю, твердих розчинів на їх основі; фізичному моделюванні процесів формування дефектної підсистеми в тонкоплівковому матеріалі при вирощуванні з парової фази, радіаційному опроміненні та розрахунку параметрів діодних структур. При цьому були поставлені такі задачі:

- розробити теоретичні моделі для реалізації методу математичного планування і оптимізації багатофакторного експерименту у способі вирощування тонких плівок з парової фази методом гарячої стінки;

- провести експериментальні дослідження структури і електричних властивостей тонких плівок при різних значеннях операційних технологічних факторів та їх хімічного і фазового складу;

- здійснити теоретичний аналіз і моделювання фізико-хімічних процесів вирощування плівок за квазірівноважних умов;

- змоделювати процеси генерації і рекомбінації власних дефектів та проідентифікувати їх тип у тонких плівках АIVВVI при їх вирощуванні і радіаційному опроміненні;

- провести теоретичні розрахунки і аналіз результатів досліджень електричних характеристик діодів Шотткі на основі епітаксійних плівок в залежності від операційних технологічних факторів, параметрів базового матеріалу і температури.

Об'єктом дисертаційного дослідження були епітаксійні та полікристалічні плівки монохалькогенідів свинцю, телуриду олова та твердих розчинів на їх основі PbSe1-XTeX, PbXSn1-XTe, (SnSe)1-X(PbTe)X, (SnTe)1-X(PbSe)X, вирощені із парової фази методом гарячої стінки і осаджені на сколи (111) монокристалів BaF2 та аморфну поліамідну стрічку типу ПМ-І; діодні структури на основі епітаксійних плівок p-PbSe.

Відповідно до поставленої мети використовувалися такі методи дослідження:

- мікрорентгенівський спектральний аналіз, електронна Оже-спектроскопія, рентгенівська дифрактометрія;

- рентгенівська двокристальна спектрометрія і топографія;

- компенсаційний метод визначення електричних параметрів у постійних електричних і магнітних полях;

- радіаційне опромінення альфа-частинками у вакуумі від джерела Pu238 густиною потоку 6.107 см-2.с-1 і енергією ~5 МеВ;

- ізотермічний (до 1 року) і ізохронний (в інтервалі температур 300-450К) відпал у вакуумі і на повітрі;

- статистична обробка результатів експериментів з використанням персональних комп'ютерів і програмного забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше методами математичного планування багатофакторного експерименту одержано рівняння, які описують залежність електричних параметрів тонких плівок монохалькогенідів свинцю і олова та твердих розчинів PbSe1-XTeX, PbXSn1-XTe, (SnSe)1-X(PbTe)X, (SnTe)1-X(PbSe)X від температур випаровування (ТВ) і конденсації (ТП), парціального тиску парів халькогену та хімічного складу наважки (х) при вирощуванні у квазірівноважних умовах з парової фази методом гарячої стінки. Встановлено закономірності зміни фізичних властивостей плівок від операційних технологічних факторів та хімічного складу.

2. Запропонований новий метод визначення констант рівноваги квазіхімічних реакцій утворення власних атомних дефектів на основі мінімізації аналітичних виразів залежності концентрації носіїв заряду від технологічних факторів, одержаних з використанням методів математичного планування експерименту з однієї сторони, і результатів кристалохімічних розрахунків - з другої.

3. Модельовано двопроцесовий механізм ізохронного та ізотермічного відпалів дефектів у бінарних сполуках. На основі рівняння неперервності для концентрації дефектів, описано зміни в часі електричних параметрів плівок PbТе, PbSe, SnTe як при радіаційному, так і при термічному впливах.

4. На основі моделі існування виродженої області з n-типом на поверхні тонких плівок селеніду свинцю діркової провідності проведено розрахунок вольт-фарадних характеристик діодів Шотткі.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Методами математичного планування і фізичного моделювання оптимізовано спосіб вирощування тонких плівок халькогенідів свинцю із парової фази методом гарячої стінки з високими структурними (розміри блоків мозаїки мкм при кутових розорієнтаціях і густині дислокацій см-2) і електричними параметрами (концентрація носіїв см-3, рухливість носіїв см 2В-1с-1 при 77 К); заданим типом провідності для виготовлення на їх основі стабільних тонкоплівкових структур.

2. Побудовані технологічні діаграми, що визначають умови вирощування тонкоплівкого матеріалу з наперед заданими параметрами.

3. Розроблена технологія виготовлення діодів Шотткі на основі епітаксійних плівок p-PbSe із керованими характеристиками.

4. Розроблені моделі, матриці планування, алгоритми і пакети прикладних програм для ЕОМ, які дають можливість прогнозувати стан технологічних процесів та властивості тонких плівок на основі проведення комп'ютерних експериментів і можуть ввійти як складова частина в експертну систему для напівпровідникового тонкоплівкого матеріалознавства.

5. Результати теоретичних і експериментальних досліджень роботи з використанням методів математичного планування та оптимізації багатофакторного експерименту ввійшли до монографії "Физика и технология полупроводниковых пленок". - Львов: Вища школа, 1988. - 156 с., яка є основою для читання спецкурсів магістрам і аспірантам Прикарпатського університету імені Василя Стефаника.

Результати роботи використані при проведені наукових досліджень та експериментів на ВАТ "Родон" (м. Івано-Франківськ), що підтверджено відповідним актом.

Наукові положення, що виноситься на захист:

1. Метод математичного планування і оптимізації багатофакторного експерименту у застосуванні до технології вирощування тонких плівок на основі халькогенідів свинцю і олова із парової фази методом гарячої стінки.

2. Математичні моделі для залежностей електричних властивостей монохалькогенідів свинцю, олова і твердих розчинів на їх основі від технологічних факторів та хімічного складу.

3. Моделі ізотермічного та ізохронного відпалів дефектів у тонких плівках халькогенідів свинцю та олова.

4. Фізична модель і кількісна теорія розрахунку характеристик діодних структур на основі тонких плівок p-PbSe з інверсійною n-областю на поверхні.

Особистий внесок здобувача:

Результати, подані у дисертаційній роботі, є підсумком багаторічних досліджень виконаних автором у співпраці з науковим керівником, співробітниками та студентами. Дисертантом освоєна теорія математичного планування і оптимізації багатофакторного експерименту та розроблена методологія її використання у технології вирощування тонких плівок з парової фази методом гарячої стінки. Автором особисто сформульовано задачі і виконано всі розрахунки та значна частина експериментальних досліджень, що відносяться до математичного планування. Ним запропонований і реалізований новий метод визначення констант рівноваги квазіхімічних реакцій утворення власних атомних дефектів. Дисертант брав участь у розробці технологій і виготовленні зразків твердотільних структур, проведенні експериментів, розрахунків та обговоренні їхніх результатів, а також написанні та оформленні статей до опублікування.

Дисертант приймав участь в організації і проведенні відомих міжнародних конференцій з фізики і технології тонких плівок, виконанні наукових проектів.

Апробація результатів дисертації:

Основні результати досліджень доповідалися на:

- II Всесоюзній конференції з фізики і технології тонких плівок, 1984 (Івано-Франківськ);

- Всесоюзній науковій конференції "Стан і перспективи розвитку мікроелектронної техніки", 1985 (Мінськ);

- Міжнародній конференції "Моделювання в матеріалознавстві", 1990 (Львів);

- Всесоюзному семінарі "Фізико-хімічні властивості багатокомпонентних напівпровідникових систем. Експеримент і моделювання", 1990, (Новочеркаськ);

- IV Міжнародній конференції з фізики і технології тонких плівок, 1993 (Івано-Франківськ);

- First International Conference at Material Science, 1994, (Chernivtsy);

- Науково-технологічній конференції "Техніка і фізика електронних систем і пристроїв", 1995, (Суми);

- 5th International Conference "Physics and Technology of Thin Films", 1995, (lvano-Frankivsk);

- International Conference "Advanced Materials, 1999, (Kiev);

- 7th International Conference "Physics and Technology of Thin Films", 1999, (lvano-Frankivsk).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 32 статті, у тому числі 11 статей у реферованих журналах, 8 статей у збірниках наукових праць і вісниках, 13 статей у матеріалах наукових конференцій. Перелік 20 основних наукових праць наведено в кінці автореферату.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків та списку літератури. Дисертацію викладено на 171 сторінці машинописного тексту, які містять 35 ілюстрацій та 28 таблиць. Список літератури складається з 179 найменувань.

Основний зміст роботи. У вступі обґрунтована актуальність теми, наукова новизна і практична значимість проведених досліджень, визначена мета дисертаційної роботи і основні положення, що виносяться на захист.

Перший розділ присвячений аналітичному огляду фізико-хімічних властивостей сполук АIVВVI та твердих розчинів на їх основі. Особливе місце посідає характеристика власних атомних дефектів кристалічної ґратки в халькогенідах свинцю і олова кубічної модифікації і їх впливу на електронні процеси у цих матеріалах. Подано також літературний огляд способів вирощування плівок халькогенідів свинцю і олова із парової фази та впливу технологічних факторів на їх фізичні властивості. Відзначено, що на час постановки задач дисертаційного дослідження, відсутній комплексний підхід у дослідженні відносного впливу технологічних факторів на властивості тонких плівок сполук АIVВVI і, особливо, твердих розчинів на їх основі.

У заключній частині першого розділу на основі аналізу літературних даних, сформульовані основні задачі дисертаційної роботи.

В другому розділі описано спосіб вирощування епітаксійних плівок з парової фази методом гарячої стінки. Представлені елементи теорії математичного планування та оптимізації багатофакторного експерименту. Показано, що досліджувані параметри можна представити у вигляді поліномінального рівняння другого порядку з незалежних факторів:

(1)

де - кодовані значення факторів. Внесок кожного з факторів оцінюється величиною відповідних коефіцієнтів регресії які визначаються із системи нормальних рівнянь, одержаних на основі експериментальних результатів. В якості досліджуваних параметрів вибрано електричні властивості плівок (n - концентрація і - рухливість носіїв заряду, - коефіцієнт термо-е.р.с., - провідність, - термоефективність, а також величина:

).

Змінними факторами були температури випаровування ТВ, стінок камери ТС та підкладки ТП - при дослідженні тонких плівок монохалькогенідів свинцю та олова; температура підкладок ТП і хімічний склад наважок х - для твердих розчинів на основі сполук АIVВVI.

3 використанням методу математичного планування та оптимізації багатофакторного експерименту одержані рівняння регресії, що визначають залежність електричних параметрів тонких плівок АIVВVI від технологічних факторів у методі гарячої стінки на підкладках із сколів (111) BaF2 та поліаміду ПМ-І. Для рухливості носіїв заряду у плівках PbTe/(111)BaF2 суттєву роль відіграють члени другого порядку, причому коефіцієнти регресії bii одного знаку, що обумовлює існування екстремуму всередині факторного простору. Для концентрації значимими виявилися b33, тобто поверхня відгуку n=f(ТП,ТВ) при TС=const - майже площина. При всіх значеннях технологічних факторів в досліджуваній області тонкі плівки телуриду свинцю мають електронний тип провідності. Підвищення температури ТП, як і ТВ та ТС зменшує концентрацію електронів. Більш суттєву роль в зміні параметрів відіграють фактори ТП і TС. Для і тонких плівок на ПМ-І характерне існування абсолютного максимуму всередині факторного простору. Абсолютний мінімум концентрації електронів встановлений на границі області планування. Аналіз рівнянь регресії і їх графічних представлень для тонких плівок PbSe на ПМ-І підтверджує, що підвищення температури підкладки ТП для всієї досліджуваної області зміни ТВ і ТС приводить до зменшення концентрації електронів. Характер впливу ТВ на параметри оптимізації залежить від значень інших технологічних факторів.

Пошук оптимальних умов процесу вирощування для епітаксійних плівок твердих розчинів на основі АIVВVI здійснювали методом Бокса-Уілсона для локального опису ділянки поверхні відгуку технологічних факторів (х,ТП). Далі дослідження проводили в напрямку градієнта лінійного наближення, що привело в область екстремальних значень параметрів. Рівняння регресії для параметрів оптимізаціі тонких плівок твердих розчинів у всій області зміни двох факторів являють собою поліномінальні вирази другого порядку:

(2)

де x1 та x2 - приведені значення температури осадження ТП та хімічного складу х відповідно. Як ілюстрація на рисунку 1 зображені поверхні відгуку для рухливості і концентрації носіїв заряду епітаксійних плівок твердого розчину PbTe-PbSe. Спостережувані мінімуми рухливості і максимуми концентрації носіїв заряду на ізотермах осадження при ТП = const) для епітаксійних плівок PbTeХSe1-Х (рис. 1) пов'язані з розпорядкуванням атомної і кристалічної структури при взаємному заміщенні атомів в аніонній підгратці твердого розчину.

Для епітаксійних плівок PbХSn1-ХTe зміна складу х більш вагомо впливає на параметри оптимізації, ніж температура осадження ТП (коефіцієнти b2 за модулем у всіх моделях набагато перевищують значення b1). Для концентрації і рухливості ефект взаємодії факторів відсутній ( де - похибки експерименту). Для складів і підвищення ТП приводить до зменшення концентрації електронів і дірок, відповідно, та збільшення їх рухливості. Значні зменшення рухливості носіїв при збільшенні мольної долі SnTe (ТП = const) пов'язані з ростом дефектності структури за рахунок зміщення області гомогенності в бік телуру, а також участі у явищах переносу дірок з великою ефективною масою. технологія властивість тонкоплівковий монохалькогенід

Епітаксійні плівки (PbTe)Х(SnSe)1-Х складу при всіх досліджуваних температурах осадження характеризуються n-типом провідності, а - тільки p-типом.

Рис. 1. Просторові залежності рухливості (а) і концентрації (б) носіїв заряду при 77 К епітаксійних плівок PbTeXSe1-X від складу (х) і температури осадження (ТП) (метод гарячої стінки, підкладка - (111) BaF2, температура випаровування TВ=820 К, температура стінок ТС=850 К).

Епітаксійні плівки системи (SnTe)1-X(PbSe)X для всіх досліджуваних складів і температур осадження утворюють неперервний ряд твердих розчинів із структурою типу NaCI. Для при ТП = К тонкі плівки мають електронну провідність. При ТП > 573 К зменшується не тільки концентрація електронів, але відбувається конверсія типу провідності з n-типу на р-тип і дальший ріст концентрації дірок. Тонкі плівки мають тільки р-тип провідності.

Одержані рівняння регресії для епітаксійних плівок твердих розчинів на основі монохалькогенідів олова і свинцю дають можливість визначити технологічні умови, які забезпечують їх вирощування із оптимальними електричними параметрами. Побудовані технологічні діаграми "електричні властивості (n, ) - температура випаровування (ТВ) - температура підкладок (ТП) - температура стінок камери (ТС)" - для монохалькогенідів свинцю, олова, та "електричні властивості (n, ) - хімічний склад (х) - температура підкладок (ТП)" - для твердих розчинів на їх основі.

Третій розділ дисертації присвячений опису фізико-хімічних процесів при вирощуванні тонких плівок з парової фази. На основі кристалохімічного підходу виконано аналіз процесів випаровування та осадження сполук АIVВVI. У вибраній моделі процес випаровування здійснюється при температурі ТВ і враховує розклад сполук на компоненти. Температура осадження (підкладки) ТП визначає рівноважну концентрацію власних атомних дефектів у тонкоплівкому матеріалі. Через константи квазіхімічних реакцій і парціальні тиски парів халькогену знайдено аналітичні вирази для концентрації носіїв заряду у тонкоплівкому матеріалі АIVВVI, вирощеного з парової фази методом гарячої стінки. Так, у випадку плівок телуриду свинцю:

, (3)

де

- константа рівноваги, яка визначає процес розкладу сполуки на компоненти при температурі випаровування;

- константа рівноваги, яка визначає утворення атомів свинцю у міжвузлях при температурі конденсації;

константа рівноваги, яка визначає процес утворення рівноважних дефектів - атомів телуру у міжвузлях і вакансій свинцю - при температурі підкладок;

- константа іонізації власної провідності.

Показано, що підвищення як температури підкладки ТП, так і парціального тиску парів халькогену обумовлюють зменшення концентрації електронів у тонких плівках n-типу, конверсії типу провідності (з n-типу на р-тип) і подальше зростання концентрації дірок (рис. 2). Підвищення температури випаровування наважки ТВ приводить до зростання ступеня дисоціації молекул сполук на окремі компоненти (атоми металу і молекули халькогену) і більш ефективного індукування міжвузлових атомів, у порівнянні з його вакансіями, у катіонній підгратці. Останнє приводить до зменшення концентрації дірок з підвищенням ТВ. Одержані теоретичні розрахунки задовільно пояснюють експериментальні результати.

На основі апроксимації виразів для концентрації носіїв заряду, відображених поліноміальними рівняннями (1), (2), що одержані на основі математичного планування і фізико-хімічного опису процесу вирощування тонких плівок (3), знайдено константи квазіхімічних реакцій: утворення атомів металу у міжвузлях, утворення рівноважних атомів халькогену у міжвузлях і вакансій атомів металу, іонізації власної провідності. Знайдені значення дають можливість прогнозувати властивості тонкоплівкового матеріалу, вирощеного з парової фази.

Рис. 2. Розрахункові згідно (3) залежності концентрацїї носіїв заряду в епітаксійних плівках PbTe від температури підкладок ТП для при ТВ, К: а) 1-920, 2-820, 3-720; 6) TВ=820 К при Па: 1-0, 2-1, 3-0,1.

В четвертому розділі проаналізовано механізми дефектоутворення в тонких плівках халькогенідів свинцю і олова під впливом радіаційного опромінення. Розраховано положення атомів у ГЦК кристалах з точковими дефектами, що дало можливість задовільно описати зміну сталої ґратки у плівках халькогенідів свинцю і олова в процесах вирощування, радіаційної і термічної обробок. Модель передбачала появу додаткових піків на дифракційних кривих з обох сторін від основного максимуму при значній концентрації дефектів. На основі розрахунків встановлено зменшення сталої ґратки в ГЦК кристалах при зростанні концентрації вакансій і пар Френкеля, що і було експериментально виявлено в епітаксійних плівках АIVВVI із збільшенням потоку альфа-частинок.

Запропоновано модель генераційно-рекомбінаційного механізму утворення радіаційних дефектів у процесі опромінення напівпровідників. Вважалось, що зміна концентрації носіїв заряду є лінійною комбінацію зміни концентрації френкелівських пар у підгратках халькогену і металу, а різниця концентрації дефектів френкелівських пар не змінюється. Виведена формула для опису залежності концентрації носіїв заряду від потоку опромінення. В результаті апроксимації експериментальних даних цією залежністю одержано значення коефіцієнтів генерації і дифузії точкових дефектів, а також розмірів областей рекомбінації.

Описано процес ізотермічного відпалу дефектів для різних співвідношень реагуючих компонент у молекулярних і бімолекулярних реакціях. Одержано формули для ізохронного відпалу та проаналізовано вплив зміни кроку по температурі і часу.

Рис. 3. Залежність концентрації носіїв заряду від температури ізохронного відпалу для епітаксійних плівок PbSe, опромінених альфа-частинками.

На основі експериментальних даних (рис. 3) ізохронного відпалу епітаксійних плівок PbSe, опромінених альфа-частинками, одержано параметри дифузії халькогену і металу. Для дифузії селену - см 2с-1, еВ; для дифузії свинцю - см 2с-1, еВ.

П'ятий розділ присвячений питанням формування і аналізу властивостей діодів Шотткі на основі епітаксійних плівок селеніду свинцю.

На основі вимірювань вольт-фарадних характеристик діодних структур Pb(ln)-p-PbSe-Sn встановлено існування інверсійного шару n-типу біля поверхні p-PbSe. Проведено теоретичний розрахунок вольт-фарадних характеристик діодів Шотткі Pb(ln)-p-PbSe~Sn з інверсійною n-областю для випадку двозонної моделі Кейна. Аналіз одержаного виразу дає можливість стверджувати, що величина напруги відсічки суттєво залежить від зонної структури (непараболічності зон). Крім того, напруга відсічки визначається густиною об'ємного заряду, значенням ефективної маси на краю зони провідності і температурою. При значному впливу інверсійної області залежність C-2 від U - нелінійна.

Виконано розрахунок диференціального опору діодів Шотткі. Pb(ln)-p-PbSe~Sn при нульовому зміщенні для моделі паралельного з'єднання диференціальних опорів, обумовлених різними механізмами протікання струму: дифузійного ІД, генераційно-рекомбінаційного ІГ-Р і тунельного ІТ. На основі цих даних встановлено, що для діодів з концентрацією акцепторної домішки см-3 в діапазоні температур K основним механізмом проходження струму є генерація і рекомбінація носіїв заряду в області збіднення. При температурах вищих 170 К струм через діод визначається дифузійним механізмом. При см-3 і температурах менших за 120 К зростає вплив тунельної складової на величину загального струму через діод.

Кращі діоди на основі епітаксійних плівок p-PbSe при Т=80 К мають величину R0A рівну 60 Ом.см 2. При цьому величина виявної здатності для них складала см. Гц 1/2/Вт.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Вперше методами математичного планування багатофакторного експерименту одержані поліномінальні рівняння другого порядку, які описують залежність електричних параметрів тонких плівок монохалькогенідів свинцю і олова та твердих розчинів PbSe1-XTeX, PbXSn1-XTe, (SnSe)1-X(PbTe)X, (SnTe)1-X(PbSe)X від операційних технологічних факторів (температур випаровування (ТВ=760-880 К), осадження (ТП=420-620 К), стінок камери (ТС=830-980 К), парціального тиску парів халькогену ( Па) та хімічного складу (х=0,01,0) при вирощуванні з парової фази методом гарячої стінки. Оптимізована технологія і визначені умови вирощування структурно досконалого тонкоплівкового матеріалу із високими електричними параметрами, р- та n-типу провідності.

2. Встановлені загальні закономірності зміни фізичних властивостей епітаксійних плівок твердих розчинів. Показано, що плівки PbSe1-XTeX (), (PbSe)Х(SnTe)1-Х і Pb1-ХSnХTe () при ТП=420-580К мають електронний тип провідності. Підвищення температури осадження веде до конверсії типу провідності і подальшого росту концентрації електронів. Епітаксійні плівки (PbSe)1-Х(SnTe)Х і Pb1-ХSnХTe складу мають тільки р-тип провідності. Підвищення температури осадження веде до зменшення концентрації дірок і росту їх холлівської рухливості. Плівки твердих розчинів (PbTe)1(SnSe)1-Х і Pb1-ХSnХSe однофазні для складів . При в залежності від температури осадження, плівки можуть мати як n-, так і р-тип провідності, а при - тільки р-тип.

3. Вперше запропоновані і побудовані технологічні діаграми типу "електричні властивості (n, ) - температура випаровування (ТВ) - температура підкладок (ТП) - температура стінок камери (ТС)" - для монохалькогенідів свинцю і олова та "електричні властивості (n, ) - хімічний склад (х) - температура підкладок (ТП)" - для твердих розчинів на їх основі, які дають можливість визначити умови вирощування тонкоплівкового матеріалу із наперед заданими властивостями.

4. На основі мінімізації аналітичних виразів залежності концентрації носіїв заряду від технологічних факторів, одержаних з використанням методів математичного планування експерименту з однієї сторони і результатів кристалохімічних розрахунків з другої, вперше визначені значення констант рівноваги утворення власних атомних дефектів у тонких плівках халькогенідів свинцю для температур 470-620 К. Одержані константи дають можливість прогнозувати умови синтезу тонкоплівкового матеріалу з низькою концентрацією носіїв заряду.

5. Змодельовано дифузійно-рекомбінаційний механізм ізохронного та ізотермічного відпалів власних атомних дефектів у бінарних сполуках. Проаналізовано вплив як внутрішніх (концентрація основних носіїв, енергія активації дифузії), так і зовнішніх (крок по температурі і по часу) параметрів процесу відпалу на зміну концентрації дефектів. Порівнюючи експериментальні дані з результатами розрахунків, визначено енергії активації процесів відпалу дефектів у плівках халькогенідів свинцю.

6. Враховуючи генераційно-рекомбінаційний механізм утворення радіаційних дефектів у тонких плівках АIVВVI при опроміненні їх альфа-частинками, одержано аналітичні вирази для опису залежності концентрації носіїв заряду від потоку опромінення, визначено значення коефіцієнтів генерації і розміри областей рекомбінації радіаційних дефектів.

7. Виконано розрахунок вольт-фарадних характеристик діодів Шотткі на основі епітаксійних плівок PbSe діркової провідності для моделі існування інверсійної n-області.

8. На основі моделі паралельного з'єднання диференціальних опорів, обумовлених різними механізмами протікання струму (дифузійного ІД, генераційно-рекомбінаційного ІГ-Р і тунельного ІТ) для діодів Шотткі Pb-p-PbSe-Sn, розраховано значення диференціального опору при нульовому зміщенні. Показано, що для концентрації акцепторної домішки см-3 при Т= К основним механізмом проходження струму є генерація і рекомбінація носіїв заряду в області збіднення. Дифузійний механізм переважає при температурах більших за 170 К, а тунельний механізм має місце при Т < 120К і см-3.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Фреик Д.М., Собкович Р.И., Лопянка М.А., Прокопив В.В., Перкатюк И.И. Методы математического планирования эксперимента и физического моделирования пленок халькогенидов свинца// Заводская лаборатория. - 1991. - №1. - С. 70-72.

2. Фреик Д.М., Лопянка М.А., Прокопив В.В., Воропай В.А. Использование методов планирования эксперимента при исследовании свойств пленок// Заводская лаборатория. - 1987. - №7. - С. 84-85.

3. Фреик Д.М., Лопянка М.А., Овчар И.Е. Исследование свойств и оптимизация способа получения пленок теллурида свинца методом математического планирования// Заводская лаборатория. - 1985. - №4. - С. 57-58.

4. Фреик Д.М., Рувинский М.А., Лопянка М.А., Прокопив В.В. Оптимизация технологии эпитаксиальных слоев твердых растворов теллурид свинца - селенид свинца методом математического планирования эксперимента// Заводская лаборатория. - 1985. - №5. - С. 60-62.

5. Фреик Д.М., Лопянка М.А., Прокопив В.В., Борик Л.И., Галущак М.А. Математическое планирование и оптимизация получения пленок SnTe-PbTe методом гарячей стенки// Физическая электроника. Респуб. межвед. научн. - техн. сб. - Львов. - 1985. - Вып.31. - С. 75-78.

6. Фреїк Д.М., Шепетюк В.А., Запухляк P.І., Лоп'янка М.А. Оптимізація термоелектричних властивостей тонких плівок PbSe на поліаміді// Оптоелектроніка і напівпровідникова техніка. - 1997- Вип.32. - С. 99-102.

7. Фреик Д.М., Лопянка М.А., Павлюк М.Ф., Чобанюк В.М. Зависимость свойств пленок теллурида свинца от условий выращивания из паровой фазы// Изв. АН СССР. Неорган. материалы. - 1988. - Т.22. - №8. - С. 930-933.

8. Фреик A.M., Воропай В.А., Лопянка М.А., Павлюк М.Ф., Прокопив В.В. Электрические свойства пленок PbSe на полиамидной подложке// Изв. АН СССР. Неорган. материалы. - 1987. - Т.23. - №8. - С. 1261-1264.

9. Фреик Д.М., Павлюк М.Ф., Школьный А.К., Прокопив В.В., Огородник Я.В., Лопянка М.А. Пленки системы PbTe-SnSe// Изв. АН СССР. Неорган. материалы. - 1990. - Т.28. - №2. - С. 284-289.

10. Фреик Д.М., Собкович P.И., Прокопив В.В., Лопянка М.А., Рошкевич А.В. Дефектообразование в пленках PbSe при выращивании из паровой фазы с участием кислорода// Изв. РАН. Неорган. материалы. - 1994. - Т.30. - №2. - С. 1-2.

11. Фреїк Д.М., Возняк О.М., Салій Я.П., Матеїк Г.Д., Лопянка М.А., Ліщинський І.M. Генераційно-рекомбінаційний механізм утворення і зарядовий стан радіаційних дефектів у шарах PbSe// Український Фізичний Журнал. - 1995. - Т.40. - Вип.8. - С. 746-749.

12. Собкович Р.І., Лисак А.В., Лоп'янка М.А., Межиловська Л.Й., Михайльонка Р.Я. Оптимізація термоелектричних властивостей тонких плівок сполук AIVBVI з використанням методів математичного планування експерименту// Фізика і хімія твердих тіл. Вісник Івано-Франківського крайового відділення УФТ та Прикарпатського університету. - 1999. - № 7. - С. 102-111.

13. Лоп'янка М.А., Перкатюк І.Й., Матеїк Г.Д., Кирста С. Д., Козич О.В. Математичне планування, квазіхімічні реакції та їх константи рівноваги при вирощуванні тонких плівок PbTe з парової фази// Фізика і хімія твердих тіл. Вісник Івано-Франківського крайового відділення УФТ та Прикарпатського університету. - 1995. - № 3. - С. 77-85.

14. Фреїк Д.М., Чобанюк В.М., Собкович P.І., Салій Я. П, Лопянка М.А., Добровольська Г.М. Моделювання ізохронного ізотермічного відпалів радіаційних дефектів у бінарних сполуках AIVBVI// Фізика і хімія твердих тіл. Вісник Івано-Франківського крайового відділення УФТ та Прикарпатського університету. - 1994. - №2. - С. 13-24.

15. Салій Я.П., Возняк О.М., Перкатюк І.Й., Лопянка М.А., Ліщинський І.М. Моделювання і ідентифікація точкових дефектів у сполуках AIVBVI структурного типу NaCI// В кн.: Фізика і технологія тонких плівок. Тез. доп. V Міжн. конф. Івано-Франківськ. - 1995. - С. 160.

16. Чобанюк В.М., Лоп'янка М.А., Добровольська Г.М., Белей M.I., Шепетюк В.А. Особливості вольт-фарадних характеристик діодів Шотткі Pb(ln)-p-PbSe-Sn з інверсійною n-областю// В кн.: Техника й физика электронных систем и устройств. Тез. докл. Суми. - 1995. - С. 272.

17. Лоп'янка М.А. Моделювання профілю розподілу концентрації домішок при розрахунку вольт-ємнісних характеристик діодів Шотткі на основі селеніду свинцю// В кн.: Фізика і технологія тонких плівок. Тез. доп. IV Міжн. конф. Івано-Франківськ. - 1993. - Ч.ІІ. - С. 218.

18. Чобанюк В.М., Остапчук A.I., Добровольська Г.М., Лоп'янка М.А., Шепетюк В.А., Федорак І.Я. Механізм проходження струму в бар'єрах Шотткі на основі епітаксійних шарів p-PbSe// В кн.: Фізика і технологія тонких плівок. Тез. доп. V Міжн. конф. Івано-Франківськ. - 1995. - С. 208.

19. Чобанюк В.М., Лоп'янка М.А., Шепетюк В.А., Белей M.I. Параметри діодних структур на основі епітаксійних плівок халькогенідів свинцю// In Buk: Physics and Technology of Thin Films. - V.I. VI International conference. - Ivano-Frankivsk- 1997. - P. 158.

20. Лоп'янка М.А. Математичне планування технології вирощування, моделювання фізичних процесів у тонких плівках халькогенідів свинцю та структурах на їх основі// In Buk: Physics and Technology of Thin Films. VII International conference. - Ivano-Frankivsk. - 1999. - P.41.

АНОТАЦІЯ

Лоп'янка M.A. Оптимізація технології і моделювання фізичних процесів у тонких плівках АIVВVI та структурах на їх основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.18 - фізика і хімія поверхні. Прикарпатський університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, 1999.

Дисертацію присвячено з'ясуванню впливу операційних технологічних факторів на фізичні властивості тонких плівок монохалькогенідів свинцю, олова і твердих розчинів на їх основі: PbSe1-XTeX, PbXSn1-XTe, (SnSe)1-X(PbTe)X, (SnTe)1-X(PbSe)X (вирощених з парової фази методом гарячої стінки). Одержані поліноміальні рівняння, побудовані технологічні діаграми і оптимізована технологія забезпечують умови вирощування тонкоплівкового матеріалу із наперед заданими властивостями.

Процеси вирощування, радіаційної і термічної обробок епітаксійних плівок описано єдиною моделлю френкелівських пар і рівнянням неперервності для концентрації дефектів. На основі моделі існування виродженої області з n-типом на поверхні p-PbSe проведено розрахунок вольт-фарадних характеристик діодів Шотткі.

Ключові слова: тонкі плівки, монохалькогеніди свинцю і олова, тверді розчини, методи математичного планування, оптимізація технології, гаряча стінка, радіаційні дефекти, діоди Шотткі.

АННОТАЦИЯ

Лопянка M.A. Оптимизация технологии и моделирование физических процессов в тонких пленках АIVВVI и структурах на их основе. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук за специальностью 01.04.18 - физика и химия поверхности. Прикарпатский университет имени Василия Стефаника, Ивано-Франковск, 1999.

В диссертации к защите представлены результаты исследований, изложенные в 20 научных публикациях. Работа посвящена изучению влияния операционных технологических факторов выращивания из паровой фазы методом горячей стенки на физические свойства тонких пленок монохалькогенидов свинца, олова и твердых растворов на их основе: PbSe1-XTeX, PbXSn1-XTe, (SnSe)1-X(PbTe)X, (SnTe)1-X(PbSe)X. Методами математического планирования и оптимизации многофакторного эксперимента получены уравнения, описывающие зависимость электрических свойств пленок от температур испарения (ТИ), осаждения (ТП), стенок камеры (ТС) и химического состава (х). Предложены и построены технологические диаграммы и оптимизирована технология, которые обеспечивают выращивание тонкопленочного материала с наперед заданными параметрами.

Предложена физико-химическая модель процесса выращивания тонких слоев АIVВVI из паровой фазы. На основании генерационно-рекомбинационного механизма дефектообразования объяснены дозированые зависимости концентраций носителей заряда в эпитаксиальных слоях при облучении альфа-частицами. Предложен диффузионно-рекомбинационный механизм отжига собственных дефектов и определены их энергии активации.

В предположении существования инверсионной n-области на поверхности полупроводника дырочной проводимости описаны вольт-фарадные характеристики диодных структур на основе эпитаксиальных слоев АIVВVI.

Ключевые слова: тонкие слои, монохалькогениды свинца и олова, твердые растворы, методы математического планирования эксперимента, оптимизация технологии, горячая стенка, радиационные дефекты, диоды Шоттки.

ANNOTATION

Lopyanka М.А. Optimization of technology and simulation of physical processes in thin films АIVВVI and frames on their basis. - Manuscript.

A thesis on competition of a scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences behind a specialty 01.04.18 - physics and chemistry of a surface. The Precarpathian university named after Vasyl Stefanyk, lvano-Frankivsk, 1999.

A thesis is dedicated to study of effect of operational technology factors of growing from a vapor phase on physical properties of thin films of monochalcogenide of lead, tin and solid solutions on their basis: PbSe1-XTeX, PbXSn1-XTe, (SnSe)1-X(PbTe)X,

(SnTe)1-X(PbSe)X by a method of a hot-wall. Are offered both the technological diagrams are constructed and the technology is optimized, which one ensure cultivation of a thin-film material with beforehand given parameters.

The physicochemical model of process of growing of films АIVВVI from a vapor phase is offered. On the basis of the generative - re-combinational mechanism of a radiation defect formation the dosed dependences of concentrations of charge carriers in acting epilayers are explained at an exposure by alpha-particles.

Keywords: laminas, monochalcogenide of lead and tin, solid solutions, methods of mathematical planning of experiment, optimization of technology, hot-wall, radiation defects, Schotticy diodes.

Размещено на Allbest.ru