Главная Коллекция "Otherreferats" Физика и энергетика Дослідження змін властивостей приповерхневих шарів фосфіду індію під дією атомів водню теплових енергій

Дослідження змін властивостей приповерхневих шарів фосфіду індію під дією атомів водню теплових енергій

Дослідження впливу співвідношення компонентів у системі на тип фізико-хімічних процесів модифікації складу приповерневих шарів напівпровідника. Аналіз дифузії компонентів та визначення змін у складі газової фази при збільшенні вмісту атомарного водню.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	автореферат
Язык	украинский
Дата добавления	31.01.2014
Размер файла	164,6 K

посмотреть текст работы

скачать работу можно здесь

полная информация о работе

весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Запорізький державний університет

01.04.10 - Фізика напівпровідників та діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Дослідження змін властивостей приповерхневих шарів фосфіду індію під дією атомів водню теплових енергій

Горбенко Віталій Іванович

Запоріжжя-2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана вЗапорізькому інституті державного та муніципального управління

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор Горбань Олександр Миколайович, Запорізький інститут державного та муніципального управління, перший проректор

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, 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

Провідна установа:

Харківський національний університет імені Каразіна В.Н., проблемна лабораторія іонних процесів

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

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук, доцент Швець Ю.О.

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 близьких за складом.

Актуальність теми. Фосфід індію є одним із типових представників напівпровідникових сполук типу A^IIIB^V. 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 InP, 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 InP, 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 контролюємої 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 H₂/H₂O/InP.

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.

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

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;

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

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

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

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”.

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

Отримано електрофізичні характеристики структури "індій-фосфід індію", сформованої при взаємодії атомів водню з фосфідом індію.

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. Обґрунтовано 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 In-P-O-H. Брав участь в обговорені отриманих результатів.

7. Здобувачем визначено оптимальний склад газової фази для виготовлення структури "метал-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 роботи 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 обґрунтовано 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 "SELMI" 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 H₂/H₂O, 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 P(H)/P(O₂)=10, P(H)/P(H₂)=0.09, P(H)/P(H₂O)=0.4, а при парціальному тиску парів води P(H₂O)=10 Па величини наведених відношень були 0.02, 0.003 та 0.0075, відповідно.

Рис. 1. Залежність концентрації атомів водню від парціального тиску парів води. Тиск молекулярного водню Р(Н₂)=9 Па

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.

Розділ 3. Представлено результати експериментальних досліджень процесів взаємодії в системі H₂/H₂O/InP з підвищеним вмістом атомарного водню.

Дисоціація InP 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 InP починався з температури 700 К. газовий дифузія атомарний водень напівпровідник

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 InP: 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 InP залежить від співвідношення парціальних тисків молекул водню та води у газовій суміші, що підводиться до системи. Так, якщо в цій суміші парціальний тиск Н₂ 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 In-O та P-O.

Для виявлення ролі атомів водню в процесі металізації поверхні було проведено мас-спектрометричні дослідження змін складу газової фази. Було встановлено, що експонування InP в газовому середовищі з атомарним воднем призводить до збільшення величини піків з m/e=31, 34 та 62, які ідентифікувались як Р, РН₃ та Р₂, відповідно. Вперше показано, що атоми водню стимулюють утворення та десорбцію діфосфору Р₂ (рис. 3).

Рис. 2. Оже-спектри поверхні InP: а) чистої; б) металізованої; в) збагаченої киснем

Рис. 3. Залежність парціального тиску діфосфору над поверхнєю InP від температури: а) в середовищі молекулярного водню; б) в середовищі з концентрацією атомарного водню 10²⁰ м^-3. [P] = Па

Припускаючи, що діфосфор утворювався згідно реакції InP_твIn_тв+0.5Р_2газ, 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 D_i/D_o від парціального тиску водню (рис.4), де D_o, D_i - коефіцієнти дифузії кисню при експозиції InP у газовому середовищі, яке утворювалось під дією розряду високої частоти: у парах води та у суміші Н₂/Н₂О, відповідно. Згідно залежності на рис.1, збільшення долі молекулярного водню у газовій суміші Н₂/Н₂О призводить до зростання концентрації атомарного водню. Отже, залежність на рис.4 підтверджує стимулювання атомарним воднем дифузії кисню в приповерхневих шарах InP.

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

Вперше взаємодії атомів водню з поверхнею фосфіду індію була застосована для формування структури типу "метал-напівпровідник", а саме In/n-InP. Вольт-амперна характеристика такої структури має лінійний вигляд, що характерно для омічних контактів. Отримано значення питомого опору контакту r_c1,3510^-6 Омм². Метод виготовлення омічного контакту до фосфіду індію електронного типу було запатентовано [7].

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

, (1)

де K_r - константа рівноваги реакції дисоціації речовини;

- 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 , 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

, (2)

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

N_iє - концентрація i-тої речовини.

Загальна величина енергії, що поглинається цими речовинами, дорівнює

(3)

Після узагальнення останнього на випадок m-тої кількості речовин отримаємо

(4)

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

(5)

де N_A число Авогадро

Саме на величину G_i^s змінюються термодинамічні характеристики i-тої речовини , 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 E та термодинамічними параметрами індивідуальних речовин

, (6)

де R_о - універсальна газова стала;

p_i-парціальний тиск i-тої газоподібної компоненти.

Коефіцієнти n_i 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 H₂/H₂O/InP.

Для розгляду було обрано 22 речовини в газоподібному стані: H, H₂, O, O₂, H₂O, In, In₂O, InO, InOH, InH, P, P₂, P₃, P₄, PO, PO₂, P₂O₃, P₂O₄, P₂O₅, PH, PH₂, PH₃ і 9 речовин у конденсованому стані: InP, In, InO, In₂O, In₂O₃, PO, PO₂, P₂O₅, P₄O₁₀. Обґрунтовано вибір наступних термодинамічних характеристик фосфіду індію: ентальпії утворення та ентропії .

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 для реакцій дисоціації та ; 2) енергії , яка поглинається системою; 3) відношення коефіцієнтів пропорційності з рівнянь (2-6). Вихідними даними були параметри системи в точці максимальної концентрації атомів водню, а саме: парціальний тиск молекулярного водню Р_Н2= 9 Па, парціальний тиск атомарного водню Р_Н= 0.8 Па, парціальний тиск парів води Р_Н2О= 2 Па. Отже, при моделюванні значення ln г_s для обох реакцій змінювали від 0 до 105.

Для визначення останніх двох параметрів було розглянуто наступні реакції дисоціації Н₂ та Н₂О: H₂2H, H₂O2H+1/2O₂, H₂OOH+H, H₂OH₂+1/2O₂. Величину енергії, що поглинається кожним із газів, обчислювали за допомогою виразу

,(7)

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

р_i - величина зміни парціального тиску i-того газу при вмиканні розряду.

Значення та визначали з рівнянь (2,3) (табл.). При моделюванні відношення коефіцієнтів 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 та з експериментальних даних

Реакції	p_H2, Па	p_H2O, Па	E_H2, Дж/м³	E_H2O, Дж/м³	E, Дж/м³
H₂2H H₂O2H+1/2O₂	0.3	0.1	52.46	27.18	79.64	2.33
H₂2H H₂OOH+H	0.3	0.1	52.46	20.06	72.52	1.72
H₂2H H₂OH₂+1/2O₂	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 InP 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 InP аж до температури плавлення. При цьому кут нахилу парціального тиску Р₂ у координатах 1/Т-lgP зоставався незмінним і дещо більшим, ніж спостерігалось у експерименті.

При моделюванні другого ефекту припускалось, що зміни ентальпії реакції InP_твIn_тв+0.5Р_2газ пов'язані із змінами термодинамічних характеристик напівпровідникової сполуки. При моделюванні було застосовано ефективне значення ентальпії утворення InP 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 (t+t) кількість атомів одного сорту в системі визначалася виразом

, (8)

де n_ij, n_rj - кількість атомів j-того елементу в i-той або r-той індивідуальній речовині;

M_i(t) - кількість i-тої газоподібної речовини в момент часу t;

M_i(t) - кількість i-тої речовини, що видаляється з області зразка за період часу з t по t+t;

- кількість атомів j-того сорту, що підводиться до зразка за період часу з t по t+t;

M_r(t) - кількість r-тої конденсованої речовини в момент часу t.

Послідовність розрахункових процедур зображена на рис.5. Найпростіша розрахункова модель виникає при рівності M_i(t)=M_i(t), тобто коли усі газоподібні речовини, що є в системі на момент часу t видаляються з неї за період t. Показано, що застосування цієї моделі дозволяє провести моделювання процесу утворення металевої фази In протягом взаємодії атомарного водню з фосфідом індію при такій низькій температурі як 400К та залежність напрямку змін у складі конденсованих фаз від співвідношення [O]/[H] 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

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.

Зменшення вмісту атомів фосфору в приповерхневих шарах InP 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.

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

Вперше взаємодію атомарного водню з поверхнею фосфіду індію застосовано для утворення структури In/n-InP. Вольт-амперна характеристика такої структури має лінійний вигляд, що характерно для омічних контактів. Отримано значення питомого опору контакту, яке становить r_c1.3510^-6 Омм².

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

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

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 400К та залежність напрямку змін у складі конденсованих фаз від співвідношення [O]/[H] у газовому потоці.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Gorbenko V., Gorban A., Shvets J. Effects of H-atoms on basic processes in H₂/H₂O/InP system// Vacuum. - 1999. - Vol. 54. - P. 179-182.

Горбенко В.І., 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. - C. 126-130.

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.

Gorbenko V., Shvets J., Gorban A. Oxidation and metallization in H₂/H₂O/InP system// Proceeding of the SOTAPOCS XXVII. - Vol. 97-21. - Pennington: The Electrochemical society. - 1997. - P. 375-381.

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.

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: Зб. наук. пр. під ред. акад. М.Н.Находкіна.- вип.2, кн.2.- Запоріжжя.- 1995.- с.103-120.

Горбань О.М., Швец Ю.О., Горбенко В.І. Спосіб отримання електричного контакту типу "метал-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.

АНОТАЦІЇ

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 физико-математических 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 Р_Н2 = 9 Па находится в области Р_Н2О = 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 Р_Н2= 9 Па и Р_Н2О= 1.5ч5 Па на поверхности происходило образование слоя индия. При более высоком содержании молекул воды наблюдалось образование комплексов In-O и P-O.

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 PH₃ и P₂. Впервые показано стимулирование атомарным водородом образования и десорбции дифосфора P₂: в присутствии атомов водорода энтальпия Н₂₉₈ реакции InP_твIn_тв+0.5Р_2газ 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 In-InP. Линейность вольт-амперной характеристики и величина удельного сопротивления контакта r_c=1,35·10 ^-⁶ Ом·м² позволили сделать вывод об омичности его характеристик.

Для моделирования процессов в системе H₂/H₂O/InP со сверхравновесной концентрацией атомов водорода разработаны методики, позволяющие использовать при расчете состава метод поиска экстремума функционала термодинамической функции. Проведено обоснование использования следующих термодинамических характеристик фосфида индия: ; . Представлено обоснование выбора величины параметров моделирования.

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

Размещено на Allbest.ru

автореферат "Дослідження змін властивостей приповерхневих шарів фосфіду індію під дією атомів водню теплових енергій" скачать

Подобные документы

Основні методи нанесення епітаксіальних шарів напівпровідника
Фізичні основи процесу епітаксія, механізм осадження кремнію з газової фази. Конструкції установок для одержання епітаксійних шарів кремнію. Характеристика, обладнання молекулярно-променевої епітаксії. Легування, гетероепітаксія кремнію на фосфіді галію.

курсовая работа [2,6 M], добавлен 29.10.2010
Використання металогібридних акумуляторів водню на борту транспортного засобу
Розвиток водневої енергетики. Способи видобутку водню, його зберігання та теплотехнічні характеристики. Термохімічна взаємодія металогідридів з воднем. Застосування автомобільних гідридних акумуляторів водню. Макетний зразок водневого автонавантажувача.

дипломная работа [2,1 M], добавлен 29.01.2013
Фізико-хімічні методи дослідження якості деревини
Вивчення будови та значення деревини в народному господарстві. Опис фізичних та хімічних властивостей деревини. Аналіз термогравіметричного методу вимірювання вологості. Дослідження на міцність при стиску. Інфрачервона та термомеханічна спектроскопія.

курсовая работа [927,3 K], добавлен 22.12.2015
Вивчення процесів дифузії при спіканні кристалічних тіл
Дифузія-поширення речовини в якому-небудь середовищі в напрямку зменшення її концентрації, обумовлене тепловим рухом іонів, атомів, молекул, більших часток. Пояснення причин дифузії законами термодинаміки. Звязок дифузійних процесів зі зміною ентропії.

практическая работа [152,9 K], добавлен 17.10.2008
Фізика атомів і молекул
Теорія Бора будови й властивостей енергетичних рівнів електронів у водневоподібних системах. Використання рівняння Шредінгера, хвильова функція та квантові числа. Енергія атома водню і його спектр. Виродження рівнів та магнітний момент водневого атома.

реферат [329,9 K], добавлен 06.04.2009
Дослідження електричних властивостей напівпровідникових твердих розчинів
Основні властивості неупорядкованих систем (кристалічних бінарних напівпровідникових сполук). Характер взаємодії компонентів, її вплив на зонні параметри та кристалічну структуру сплавів. Електропровідність і ефект Холла. Аналіз механізмів розсіювання.

реферат [558,1 K], добавлен 07.02.2014
Водень як альтернативний вид палива
Водень як один з найбільш поширених елементів на Землі. Поняття водневої технології. Методи отримання водневого палива. Різновиди водню та їх характеристика. Роль водню і водневої технології у кругообігу речовин у природі. Водневі двигуни та енергетика.

реферат [37,1 K], добавлен 25.09.2010
Фізичні основи електроніки
Вивчення основних закономірностей тліючого розряду. Дослідження основних властивостей внутрішнього фотоефекту. Експериментальне вивчення ємнісних властивостей p–n переходів. Дослідження впливу електричного поля на електропровідність напівпровідників.

методичка [389,4 K], добавлен 20.03.2009
Дослідження температури заселеності рівнів атомарного та молекулярного спектрів в плазмі
Дослідження властивостей електричних розрядів в аерозольному середовищі. Експериментальні вимірювання радіусу краплин аерозолю, струму, напруги. Схема подачі напруги на розрядну камеру та вимірювання параметрів напруги та струму на розрядному проміжку.

курсовая работа [1,9 M], добавлен 26.08.2014
Дослідження перехідних процесів у системі Г-Д
Поведінка системи ГД перехідних режимів. Експериментальне дослідження процесів при пуску, реверсі та гальмуванні електричних генераторів. Алгоритм побудування розрахункових графіків ПП при різних станах роботи машини. Методика проведення розрахунку ПП.

лабораторная работа [88,2 K], добавлен 28.08.2015

Другие документы, подобные "Дослідження змін властивостей приповерхневих шарів фосфіду індію під дією атомів водню теплових енергій"

весь список подобных работ

скачать работу можно здесь

сколько стоит заказать работу?

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.