, Мошников и химия материалов оптоэлектроники и наноэлектроники: Практикум. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2007. 68 с (стр. 13 )

Задача 5.46. В качестве барьерных слоев для материалов А4В6 применяют халькогениды редкоземельных элементов и их твердые растворы с халькогенидами свинца. Из халькогенидов редкоземельных элементов только халькогениды Sm, Eu, Yb и соединения TmTe являются полупроводниками, из них халькогениды Sm и Tm – узкозонные полупроводники, например, .

Халькогениды Eu и Yb являются широкозонными полупроводниками. Наибольшее распространение получили структуры на основе твердых растворов Pb1–xEuxSe и Pb1–xEuxTe1–ySey со значениями х и у от 0 до 0,3.

Рассмотреть возможность создания барьерных слоев к бинарным халькогенидам свинца и к твердым растворам с пониженным значением ширины запрещенной зоны Pb1–xSnxSe и Pb1–xSnxТe путем использования четверных твердых растворов Pb1–x–y EuxSnySe и Pb1–xEuxTe1–ySey, Pb1–x–y EuxSnyTe и Pb1–xEuxSe1–ySy.

Указание. При построении изопериодных разрезов принять значения параметров решетки аEuS = 0,595 нм, аEuSe = 0,614 нм, аEuТе = 0,660 нм.

Задача 5.47. Широкозонные полупроводники А2В6 (халькогениды Zn и Cd) представляют практический интерес при создании инжекционных лазеров, излучающих в зелено-голубой области спектра при комнатной температуре.

Близость параметров кристаллических решеток в структуре цинковой обманки (сфалерит) ZnSe (aZnSe = 0,567 нм) и GaAs (aGAaS = 0,565 нм) позволяет использовать арсенид-галлиевые подложки. Изменение ширины запрещенной зоны для составов твердых растворов, изопериодичных к GaAs, обеспечивается замещением атомов цинка магнием, а атомов селена серой.

Найти уравнение для составов у = f (х) в четверных твердых растворах Zn1–xMgxSe1–ySy, изопериодных к GaAs.

В расчетах принять аMgS = 0,5620 нм, аMgSe = 0,5890 нм. Данные по халькогенидам Zn приведены в табл. П 3 Приложения.

Указание. Обратить внимание на заметное отклонение от правила Вегарда в этой системе (см. задачи 5.8 и 5.9).

Ответ: .

Задача 5.48. Качественно изобразить на геометрическом образе области  несмешиваемости  следующих  твердых  растворов:  InPxAsySb1–x–y; Zn1–xMgxSe1–ySy; Pb1–xSnxTe1–ySey. Объяснить физико-химическую природу явлений, препятствующих образованию твердых растворов в этих областях.

Ответ: а) купол распада InPxAsySb1–x–y развивается вокруг точки на середине ребра InP – InSb;

б) в системе Zn1–xMgxSe1–ySy область несмешиваемости охватывает большую часть составов вокруг центра квадрата с вершинами ZnSe, ZnS, MgSe, MgS;

в) в Pb1–xSnxTe1–ySey область несмешиваемости расположена в угле гипотетического соединения SnSe*.

Заключение

В предлагаемом издании основное внимание уделено многокомпонентным материалам и их применению в классических гетероструктурах. Для классических гетероструктур важно понимание ролей упругой и пластической деформаций в формировании и изменении свойств материалов и характеристик приборов (см. таблицу в  5.6).

В последние годы особое внимание уделяется материалам для создания приборов на основе квантовых ям, сверхрешеток, квантовых нитей и точек. Для самостоятельного ознакомления читателя с теоретическими вопросами по данной тематике можно рекомендовать учебные пособия  [26], [27].

       Уровень подготовки материаловеда и его профессиональные успехи во многом будут зависеть от знания разделов физики и химии твердого тела, связанных с изучением образования дислокаций, их передвижениями, взаимодействиями между собой и с другими структурными дефектами. Целесообразно представить минимальный перечень учебной и научной литературы, последовательное изучение которой позволит самостоятельно подготовиться к решению профессиональных задач. Прежде всего следует выделить базовый учебник и дополнить список монографиями, в которых более детально рассмотрены специальные вопросы физики линейных несовершенств. По мнению авторов, учебник [24] более остальных отвечает требованиям формирования базовых знаний.

       Для углубленного представления об особенностях пластической деформации и дислокациях несоответствия в гетероэпитаксиальных структурах может быть рекомендована монография [22]. Физические основы теории дислокаций и методов их прямого наблюдения рассмотрены в выдержавших проверку временем книгах [28], [29]. Материаловеды широко применяют методы травления для выявления дислокационной структуры. Вопросы теории, эксперимента, применения методов травления систематизированы в монографии [30]. Современные представления о перестройке однородной дислокационной структуры в ячеистую в свете теории фракталов и самоорганизации представлены в учебном пособии [31]. Для понимания особенностей электронных свойств неупорядоченных систем с позиций теории перколяции может быть рекомендовано учебное пособие [32].

       Будущий материаловед-технолог должен уметь не только оценивать отрицательное влияние пластической деформации и образующихся дислокаций, но и знать как уменьшить их влияние. Более того, в наноэлектронике и в структурах с наноразмерами упругая деформация может быть использована для улучшения свойств материалов и приборов.

Результаты некоторых нестандартных технологических решений сведены в таблицу.

Использование упругой и пластической деформаций для оптимизации

характеристик приборов

Технологический прием	Использование
Буферный слой Выращивание буферного слоя с составом, непрерывно меняющимся по его толщине, для согласования в начале выращивания параметров решетки подложки и буферного слоя, в конце − параметра решетки буферного слоя и слоя функционального назначения	Общее число дислокаций несоответствия практически такое же, как и без буферного слоя, но они распределены по толщине буферного слоя. В связи с этим плотность дислокаций несоответствия на границе с рабочим слоем уменьшается, а значение критической толщины буферного слоя увеличивается. Возможен выход дислокаций несоответствия на боковые грани
Изопериод Выращивание многокомпонентных твердых растворов с составом, отвечающим функциональным характеристикам слоя при соответствии периода решетки подложки и слоя	Используется для формирования структур с когерентной границей, что существенно улучшает выходные параметры целого класса приборов. Особое внимание уделяется обеспечению изопериода при температуре эпитаксии
Гетероэпитаксия на подложке с пористой структурой	Упругая деформация, возникающая за счет несоответствия параметров кристаллических решеток подложки и функционального слоя в области локальных контактов подложки и слоя, не достигает критического значения для запуска механизмов пластической деформации. Поры обеспечивают возможность роста слоя без образования экстраплоскостей
Графоэпитаксия Формирование геометрического рельефа в подложке, например, травлением создаются микрообласти с геометрией, задающей ориентацию растущим микрокристаллам, – треугольные призмы, кубы и т. д.	При подборе термодинамических и кинетических условий роста для некоторых материалов энергетически выгодно формирование зародышей, внутреннее атомарное строение которых задается микрорельефом. Далее на этих микрозародышах осуществляется рост функциональных монослоев
Искусственная эпитаксия Более общий термин, чем графоэпитаксия. Ориентация растущих зародышей подслоя, на которых в дальнейшем формируется функциональный слой, задается различными внешними воздействиями	Создание геометрического рисунка на подложке путем распределения деформации при стоячих акустических волнах или создание заданного энергетического рисунка путем воздействия электромагнитного излучения через специальные дифракционные решетки
Жертвенные слои На инородную подложку наращивают буферный тонкий слой с приемлемой деформацией, а затем удаляют дефектные области этого слоя. Эпитаксия проводится на оставшиеся нанозародыши, состав выращиваемого слоя определяется функциональными характеристиками структуры	Прием используется в технологии "кремний на изоляторе"
Продолжение таблицы
Технологический прием	Использование
Стабилизация состава Используется для повышения однородности выращиваемых составов твердых растворов при жидкофазной эпитаксии на подложки с близким значением параметра кристаллической решетки	Ранее широко использовался при жидкофазной эпитаксии твердых растворов А3В5. Сущность используемого эффекта состоит в том, что при близких параметрах решетки подложки и функционального слоя состав последнего нечувствителен к малым текущим изменениям состава раствора-расплава, поскольку энергетически выгоден рост слоя того состава, который минимизирует свободную энергию, включающую энергию упругой деформации
Принц-технология Формирование упругодеформированных слоев (с разным знаком деформации) на единой подложке с последующим их отделением. При псевдоморфном росте на сверхтонкую подложку первым наносится сверхтонкий жертвенный слой, а затем сверхтонкий слой (или слои), испытывающий сжатие (или один слой – сжатие, другой – растяжение). При удалении (стравливании) жертвенного слоя первоначально плоские слои сворачиваются в нанотрубку	Технология предложена в 1990-х гг. в Институте  физики  полупроводников  СО  РАН . Основой метода является последовательное выращивание слоев с разным знаком упругой деформации. На такой двуслойной структуре производится раскрой поверхности для создания различных нанообъектов в виде нанотрубок, нанооболочек, спиралей, колец, нановолокон. Возможно формирование наносистем с закреплением индивидуальных наноэлементов в местах неудаленного жертвенного слоя
Механизм "пар−жидкость−кристалл" (ПЖК) Рост осуществляется в локальных областях на катализаторах, находящихся при заданной температуре в расплавленном состоянии. При малой растворимости материала катализатора в полупроводнике катализатор находится в течение всего времени роста на фронте кристаллизации. Рост нитевидного кристалла происходит в результате  массопереноса в градиенте температуры вещества, поступающего из паровой фазы через слой жидкого катализатора	Метод предложен Вагнером в 1968 г. и широко используется для получения бездислокационных нитевидных кристаллов ("вискеров"). В последние годы показана возможность получения квантовых нитей и квантовых точек на основе полупроводниковых твердых растворов. Самосборка квантовых точек в области распада твердых растворов облегчается из-за наноразмеров
Локально индуцированный рост Рост нанокристаллов происходит в локальных областях подобно "вискерам" при локальном механизме ПЖК. Места роста активируются локальными физическими или химическими (химическое осаждение из паровой фазы) воздействиями	Метод перспективен для создания наносистем
Окончание таблицы
Технологический прием	Использование
Самосборка в деформационных полях   Наиболее распространенные приемы получения квантовых нитей и точек: рост наноструктур на фасетированных поверхностях; создание массивов когерентно-напряженных островков; рост поверхностных структур плоских упругих доменов; структуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных слоях	Эти приемы используются при создании в абсолютном большинстве приборов современной оптоэлектроники на квантовых точках и квантовых нитях
Введение механических напряжений в межканальные области нано-МОП-транзисторов   В кремниевых п-МОП-транзисторах при введении в область канала механических напряжений нанесением слоя твердого раствора Ge – Si быстродействие повышается на 35 %.   В кремниевых р-МОП-транзисторах формирование областей истока и стока из твердого раствора Ge – Si уменьшает на порядок токи утечки	Увеличение подвижности в напряженных слоях обусловлено перераспределением носителей заряда по энергетическим долинам и возрастанием доли носителей заряда с более низкой эффективной массой

Число этих примеров можно существенно расширить. Например, в узкозонных полупроводниках (приборы ИК-электроники) упругая деформация на гетерогранице используется для сдвига спектральных характеристик приборов, введение дислокаций – эффективный прием улучшения быстродействия в фотоприемниках. Реализованы приборы на одиночных дислокациях и приборы типа полупроводник – воздух – полупроводник на нанотрещинах.