ИНКОНГРУЭНТНОГО ЛЕНГМЮРОВСКОГО ИСПАРЕНИЯ InP

Борисова Ирина Владимировна

канд. техн. наук, доцент ВГТУ, г. Воронеж

E-mail: 

Фосфид индия можно назвать одним из важнейших полупроводниковых материалов. Он сочетает в себе высокую подвижность носителей заряда, относительно большую ширину запрещенной зоны, прямой характер межзонных переходов и благоприятные теплофизические характеристики. На основе фосфида индия создаются обладающие высокими характеристиками полевые транзисторы и другие СВЧ приборы. Монокристаллические пластины InP используются в качестве подложек при выращивании гетероструктур четвертного твердого раствора Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y, на основе которых создаются эффективные источники излучения (инжекционные лазеры, светодиоды) и быстродействующие фотоприемники для систем волоконно-оптических линий связи на длины волн 1,3 и 1,55 мкм (спектральный диапазон высокой прозрачности стекловолокна на основе кварцевого стекла). Фосфид индия перспективен для разработки сверхбыстрых интегральных схем (СБИС). По некоторым прогнозам он может в будущем полностью заменить арсенид галлия в производстве интегральных схем. На сегодняшний день InP является наиболее вероятным материалом для массового производства ИС следующего поколения со скоростью обработки данных 40 Гбит/с, а также для создания монолитно интегрированных оптоэлектронных ИС. Фосфид индия в технологическом отношении является более сложным материалом, чем арсенид галлия, так как равновесное давление паров фосфора над расплавом стехиометрического состава высокое.

Метод жидкостной эпитаксии позволяет получать эпитаксиальные слои любой толщины - от долей микрона до нескольких сот микрон, осуществлять легирование эпитаксиального слоя с заданным распределением концентрации легирующей примеси по толщине слоя. В методе жидкостной эпитаксии кристаллизация монокристаллических слоев полупроводниковых материалов осуществляется из растворов-расплавов полупроводника в легкоплавком  металле-растворителе. В общем случае процесс жидкостной эпитаксии осуществляется в системе, где имеются газообразная, жидкая и твердая фазы. Точное определение количественных соотношений между температурой, давлением и концентрациями компонентов в жидкой и твердых фазах имеет решающее значение для управления свойствами кристаллизуемых эпитаксиальных слоев.

Таким образом, исследование кинетики испарения летучего компонента из растворов индия необходимо для создания прецизионных источников пара двухатомных молекул элемента пятой группы при использовании их в молекулярно-лучевой эпитаксии с целью получения тонких и сверхтонких слоев с малой концентрацией дефектов, с заданным химическим составом и концентрацией примесей.

Состав молекулярного пучка при термическом разложении соединений А3В5 подробно исследован масс–спектрометрическим методом. Температурная зависимость плотности потока испаряющихся компонентов бинарных соединений А3В5 исследована менее подробно, хотя именно эта зависимость позволяет определить важные энергетические характеристики процессов, протекающих на межфазной поверхности во время испарения.

Скорость испарения индия из растворов - расплавов индий -фосфор при T@800-900K не  зависит от присутствия в расплаве атомов фосфора.  Это непосредственно следует из результатов работ [5, 6], в которых не обнаружено разницы между  давлением пара индия над фосфидом индия и над чистым индием, причем давление было измерено масс - спектрометрическим методом по величине потока испаряющегося вещества. Плотность потока испаряющегося в вакуум индия из чистого расплава индия марки ИН-00 равна

                            J_In(T)=J₀exp(-26033/T+12. 87).                                (1)

С учетом этого выражения из экспериментальных данных следует, что плотность потока димеров фосфора при нагревании в вакууме образцов InP равна

J_P2(T)=J(T)–J_Ga(T)=J₀exp[- (31447±628)/T+(23. 08±0. 71)].       (2)

Отметим, что соотношение (2) относится к квазистационарному этапу процесса испарения, когда поверхность образца уже покрыта сплошным слоем жидкой фазы.

Известно, что фосфор в слабых растворах - расплавах индия находится в атомарной форме [3].  Поток димеров  В_2, испаряющихся из растворов мономеров, удобно представить в виде   [1]

                     J_B2(T) = 2MG₂(T)X_L²(T)  ,                                       (3)

где М- атомная масса мономера В ; G₂(T)- кинетический коэффициент, характеризующий скорость протекания на межфазной поверхности многостадийного процесса, приводящего к образованию и десорбции димеров В_2, моль/(см²с) ; X_L(T) - концентрация мономера  В  в растворе у поверхности испарения, ат. доли.  Выражение (3) отражает тот  факт, что образование димеров  В₂  на поверхности раствора происходит за счет парных столкновений атомов элемента В.  

Используя соотношение  (3)  и данные работ [1, 3]  по растворимости  фосфора в индии

                          X₀( T) = exp (-11304/T +7. 38)   ,                           (4)

можно легко оценить как толщину слоя жидкой фазы, возникающего на поверхности монокристалла  при инконгруэнтном испарении, так и изменение концентраций элемента В по толщине слоя раствора - расплава.  Вычисления показывают, что в условиях проведенного эксперимента усредненная толщина слоя жидкой фазы не превышала 6´10^-3 см, а отношение X_L(T)/X₀(T) было больше 0.70. Таким образом, в процессе инконгруэнтного ленгмюровского  испарения  фосфида индия элемент В практически равномерно распределен по слою жидкой фазы.  Это указывает на то, что фактор лимитирующий скорость испарения элемента В из раствора - расплава, определяется совокупностью процессов протекающих на  межфазной поверхности раствор - вакуум.

С учетом соотношения X_L(T) @ X₀(T) была вычислена температурная зависимость функции  G₂(T) для InP

                             G₂(T) = 66. 0 exp [ -(8838 ± 628)/T ]   .                       (5)

Из (5) следует, что энергия активации DЕ многостадийного процесса образования и десорбции  молекул Р₂ из насыщенного индиевого раствора - расплава равна  73. 5±5. 2 кДж/моль. 

Энергия активации процесса образования и десорбции димеров фосфора  из адсорбционного слоя составляет 0.56 от величины энтальпии испарения димеров фосфора  (132. 2 кДж/моль ) [2] из конденсированной фазы чистого фосфора при Т » 900К.  Такое отношение  энергии активации к энтальпии испарения указывает на мономолекулярную (вероятно, островковую) адсорбцию димеров фосфора на поверхности индиевого раствора-расплава.

Список литературы:

1.Паниш М.Б., Илегемс М. Материалы для оптоэлектроники. - М.: Мир, 1976. – 39 с.

2.Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Спр. Под. Ред. В.П. Глушко. – М.:Наука, 1978. – Т.1. – 326 с.

3.Хухрянский Ю.П., Ермилин В.Н. Молекулярная структура растворов фосфора в индии   // АН СССР. Неорганические материалы. - 1980. - Т. 16. - N 3. - С. 380-382.

4.Хухрянский Ю.П. Кинетика испарения летучего компонента идеального раствора // Журн. физ. химии. - 1980. - Т. 54. -  N 8. - С. 2017-2020.

5.Farrow R.F.C. The evaporation of InP under Knudsen  (equilibrium) and Langmuir (free) evaporation conditions  // J. Phys. D.:  Appl. Phys. -  1974. - V. 7. – 2436 р.

6.Panish M.B., Arthyre J.R. Phase equilibria and vapor pressure of the system In-P // J. Chem. Thermodinamics. - 1970.- V. 2. - P. 299-318.