Стабільність, зонна структура та оптичні властивості твердих розчинів на основі елементів IV групи

Размещено на http://allbest.ru

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків

СТАБІЛЬНІСТЬ, ЗОННА СТРУКТУРА ТА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТВЕРДИХ РОЗЧИНІВ НА ОСНОВІ ЕЛЕМЕНТІВ IV ГРУПИ

Виконав Королюк Юрій Григорович

Чернівці - 2003

Анотація

Королюк Ю.Г. Стабільність, зонна структура та оптичні властивості твердих розчинів на основі елементів IV групи.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2003.

Дисертацію присвячено теоретичному дослідженню структурних властивостей, стабільності, зонної структури, хімічного зв'язку та оптичних властивостей твердих розчинів заміщення Ge_1-xSi_x, Ge_1-xSn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_1-xC_x.

Структурні властивості та стабільність розраховувались методом класичної молекулярної динаміки(КМД). Описано вплив епітаксіальних деформації на картину стабільності даних сплавів. Досліджено стабільність упорядкованих фаз.

Електронна зонна структура твердих розчинів розраховувалась методом локального модельного псевдопотенціалу при врахуванні спін-орбітальної взаємодії, композиційної невпорядкованості та неузгодженості постійних ґратки отриманих з проведених КМД розрахунків.

Досліджено перебудову хімічного зв'язку при формуванні твердих розчинів Ge_1-xSi_x, Ge_1-xSn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_1-xC_x.

Коректне врахування внутрішніх локальних деформацій та композиційної невпорядкованості у досліджуваних сплавах дозволяє пояснити їх основні оптичні характеристики.

Досліджено вплив підкладки на зонну структуру та оптичні властивості тонких псевдоморфних плівок. Показано, що виникаючі при цьому біаксіальні деформації розтягу або стиску по-різному впливають на зміну положення піків Е1, Е2.

напівпровідник оптичний біаксіальний

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В останні роки зросло активне дослідження ізовалентних сплавів на основі елементів IV групи як вірогідних кандидатів для створення інфрачервоних детекторів і фотоприймачів. До них належать сплави Ge_1-xSi_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_1-xC_x. Основною перевагою пристроїв на основі даних матеріалів є висока швидкодія, технологічна сумісність з поширеними кремнієвими та германієвими технологіями. Ще однією перевагою є поява прямозонності в електронних властивостях ізовалентних твердих розчинів IV групи на основі олова, що розширює межі їх застосування в сучасній напівпровідниковій промисловості. За винятком Ge_1-xSi_x, це нові матеріали, термодинамічно нестабільні майже по всьому діапазону x і не здатні сформувати тверді розчини при нормальних умовах. Для їх отримання найбільш реальне використання технологій вирощування, які обмежують процеси сегрегації і підвищують розчинність компонент. Такими технологіями є лазерна перекристалізація, хімічне осадження з парової фази та ін.

У даний час гетероструктури на основі Ge_1-xSi_x/Si широко використовуються для отримання біполярних гетеротранзисторів, для 1.3_1.55 мкм детекторів оптоволоконних ліній зв'язку, інфрачервоних детекторів для дворозмірних площинних матриць нічного бачення і термобачення 2-12 мм, інфрачервоних емітерів для чіп-у-чіп оптичного зв'язку в оптоволоконних комунікаціях, хвильових модуляторах та ін. Однак цей матеріал має ряд недоліків, що обмежують його практичне використання. Це, в першу чергу, наявність критичної товщини, яка понижує термодинамічну стабільність плівки Ge_1-xSi_x/Si за рахунок появи дислокацій неузгодженості, що значно обмежує можливість створення ІЧ_детекторів на основі Ge_1-xSi_x по всьому діапазоні х. Значним недоліком даних сплавів залишається висока технологічна температура отримання, що унеможливлює нанометрову точність внесення домішок для створення високоякісних гетеропереходів.

Ge_{1_x}Sn_x в об'ємному випадку є нестабільним твердим розчином. Це пояснюється тим, що компонента -Sn стабільна тільки при температурі, нижчій за 13.2 ^оС і рівноважна розчинність системи Ge-Sn є малою, <1%. Більше того, олово є високолетким атомом у германієвій підґратці, що приводить до значної поверхневої сегрегації. Незважаючи на це, нещодавно отримані епітаксійні плівки Ge_{1_x}Sn_x/Ge(001) з 0<х<0.26 методом низькотемпературної молекулярно-променевої епітаксії[1]. Схожі термодинамічні й електричні властивості має і твердий розчин Si_{1_x}Sn_x. У ньому ґраткова неузгодженість компонент більша за Ge_{1_x}Sn_x. Внаслідок унікальних електронних властивостей сплави на основі Si, Ge з Sn можуть широко використовуватися в електронних і оптоелектронних гетероструктурах для створення ІЧ-детекторів, а також у лазерній техніці, що для елементів IV групи є новим і надзвичайно перспективним на тлі бурхливого розвитку оптоелектронних комунікацій.

б-С, як відомо, - широкозонний матеріал (ДЕ_g=5.5еВ), що робить його вірогідним кандидатом для синтезу матеріалів на основі Si, що є перспективним напрямком створення оптоелектронних приладів, які працюють у високоенергетичних хвильових діапазонах. На відміну від схожих стабільних систем Ge_{1_x}Si_x, ґраткова неузгодженість у Si_1-xC_x значна, а розчинність С в околі точки плавлення Si не перевищує 10^-6 ат.%. Нещодавно проблема високої нестабільності Si_{1_x}C_x була частково розв'язана. Використовуючи метод молекулярно-променевої епітаксії з твердофазовим джерелом, вдалося виростити псевдоморфний шар Si_1-xC_x з 0<х<0.02[2].

Аналізуючи вищенаведене, стає зрозуміло, що наявні успіхи в технології отримування вказаних твердих розчинів дозволяють перейти до питань їх практичного застосування. Надзвичайно важливою інформацію на даному етапі стає теоретичне передбачення термодинамічних і структурних властивостей, що і було однією з цілей наших досліджень. Крім того, побудова приладів на основі напівпровідникових матеріалів вимагає детального знання особливостей їх електронної структури, яка є основою для розрахунку і розуміння електричних, оптичних та термодинамічних властивостей. Саме уміння розраховувати електронну структуру та оптичні характеристики напівпровідникових сплавів є важливою передумовою аналізу фізичних явищ, що спостерігаються як у вказаних матеріалах, так і в приладах на їх основі. Все це дає підстави стверджувати, що обрана тема є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з планами науково-дослідних робіт кафедри напівпровідникової мікроелектроніки Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича за темами: «Розробка фізичних і технологічних основ напівпровідникових розширених твердих розчинів, гетероструктур, надґраток і створення на їх базі фотоприймальних пристроїв термовізійної техніки» (номер державної реєстрації 0197U014401), «Фізичні основи технології створення низькорозмірних і об'ємних напівпровідникових структур з екстремальними параметрами, їх електричні властивості, фотоелектронні і оптичні ІЧ-прилади на них» (номер державної реєстрації 0100U005493). Роль автора у виконанні науково-дослідних робіт полягала в дослідженні структурних властивостей, стабільності, електронної зонної структури, хімічного зв'язку та оптичних властивостей напівпровідникових твердих розчинів заміщення Ge_{1_x}Si_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x та плівок на їх основі.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є встановлення основних закономірностей поведінки структурних властивостей, термодинамічної стабільності та перебудови зонної структури, хімічного зв'язку, оптичних властивостей подвійних твердих розчинів заміщення Ge_{1_x}Si_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_1-xSn_x, Si_{1_x}C_x, а також плівок на їх основі.

Для досягнення мети необхідно було розв'язати такі основні задачі:

розрахувати методом класичної молекулярної динаміки на основі тричастинкового потенціалу Терсофа розподіл довжин зв'язків для сплавів Ge_{1_x}Si_x, Ge_1-xSn_x, Si_1-xSn_x, Si_{1_x}C_x;

дослідити особливості поведінки надлишкової енергії змішування сплавів Ge_{1_x}Si_x, Ge_1-xSn_x, Si_1-xSn_x, Si_{1_x}C_x у об'ємному і плівковому випадках та провести на її основі побудову діаграм стабільності;

вивчити вплив внутрішніх локальних деформацій та композиційної невпорядкованості на зонну структуру подвійних розчинів та дослідити особливості перебудови хімічного зв'язку при формуванні вказаних твердих розчинів;

дослідити перебудову оптичних функцій вищевказаних сплавів у залежності від концентрації їх, враховуючи вплив композиційної невпорядкованості, а також внутрішніх локальних і біаксіальних деформацій.

Об'єктом дослідження є напівпровідникові тверді розчини заміщення Ge_{1_x}Si_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x та плівки на їх основі.

Предмет дослідження: вплив деформацій на термодинамічну стабільність вищевказаних подвійних розчинів заміщення, перебудову їх зонної структури, хімічного зв'язку, оптичних функцій та структурних властивостей при наявності композиційної невпорядкованості та внутрішніх локальних деформацій.

Методи дослідження: метод класичної молекулярної динаміки(КМД) з використанням потенціалу Терсофа; метод модельного локального псевдопотенціалу; метод Брукса-Ю; метод тетраедрів.

Методом класичної молекулярної динаміки з використанням тричастинкового потенціалу Терсофа досліджено структурні властивості та побудовано діаграми стабільності.

Методом локального модельного псевдопотенціалу отримані електронні зонні структури подвійних розчинів заміщення з урахуванням впливу внутрішніх локальних деформацій та композиційних невпорядкованостей.

Методом Брукса-Ю враховано вплив температури на зонну структуру.

Методом тетраедрів проведено інтегрування при розрахунку уявної частини діелектричної функції.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Уперше отримано композиційну залежність розподілу довжин зв'язків подвійних твердих розчинів заміщення Ge_1-xSi_x, Ge_1-xSn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x.

2. На основі розрахованої вільної енергії змішування Гельмгольца вперше побудовано діаграми стабільності вищезазначених сплавів та їх плівок.

3. У розрахунках електронної зонної структури вказаних твердих розчинів заміщення вперше враховано вплив внутрішніх локальних деформацій та композиційної невпорядкованості.

4. Уперше отримано композиційну залежність фізичних параметрів, що характеризують хімічний зв'язок (полярність, коефіцієнт зарядової асиметрії) у розглядуваних твердих розчинах.

5. На основі розрахованих зонних структур уперше були отримані діелектричні функції для сплавів Ge_1-xSi_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x з урахуванням сплавних ефектів, а також біаксіальних деформацій.

Практичне значення роботи

1. Побудовані діаграми стабільності твердих розчинів заміщення Ge_{1_x}Si_x, Ge_1-xSn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x та плівок на їх основі становлять значний практичний інтерес при розробці нових технологій вирощування даних матеріалів.

2. Уперше отримані композиційні залежності різних фізичних характеристик (міжзонні віддалі, іонності) твердих розчинів на основі елементів IV групи можуть бути використані для пояснення результатів експериментальних досліджень напівпровідникових сплавів Ge_{1_x}Si_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x.

3. Результати, отримані при аналізі оптичних властивостей об'ємних зразків і тонких псевдоморфних плівок, можуть бути використані при розробці та створенні нових напівпровідникових приладів.

Особистий внесок автора. В роботах [1-3; 8] особистий внесок дисертанта полягає у розробці програми молекулярно-динамічного моделювання, аналізу різноманітних алгоритмів збіжності методу КМД і здійсненню підбору параметрів у використовуваних потенціалах взаємодії(Ленарда-Джонса і Терсофа). Тут же проводився аналіз отриманих результатів структурних і динамічних властивостей твердих розчинів заміщення. У роботах [4-7] автором проаналізовано підходи опису стабільності термодинамічних систем і проведено побудову діаграм розпаду твердих напівпровідникових розчинів заміщення Ge_{1_x}Si_x, Ge_1-xSn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x та плівок на їх основі. Проаналізовано умови поліпшення стабільності досліджуваних матеріалів. У [9,10] методом локального модельного псевдопотенціалу проведено розрахунок зонної структури та оптичних властивостей Ge_{1_x}Si_x, Ge_1-xSn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x. На основі результатів розрахунку автор проаналізував вплив різноманітних сплавних ефектів на перебудову досліджуваних властивостей. Особливості перебудови хімічного зв'язку при формуванні твердих розчинів Ge_{1_x}Si_x, Ge_1-xSn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x досліджено на основі проведеного розрахунку розподілу зарядової густини валентних електронів і наведено у [11]. Дисертант брав участь у постановці задач і обговоренні результатів усіх опублікованих робіт.

Апробація роботи Основні результати досліджень, викладених у дисертаційній роботі, доповідались і обговорювались на конференціях і нарадах: 5^th International Conference «Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics» (May 2000, Kiev, Ukraine); XXX Internat. School on the Physics of Semicond. Compounds. (Jaszowiec. (Poland), 2001); 6^th International Conference «Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics» (22-24 May 2002, Kiev, Ukraine); 1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників. УНКФН-1(Одеса, вересень 2002 р.); IX міжнародна конференція «Фізика і технологія тонких плівок» (Ів_Франківськ, травень 2003 р.).

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовані мета та завдання дисертаційної роботи, висвітлено її наукове і практичне значення, подано інформацію про апробацію роботи, публікації автора.

Перший розділ. На початку розділу проведено опис методу класичної молекулярної динаміки (КМД). Детально описано основні алгоритми розв'язку рівнянь руху, що використовуються в методі КМД, проведено порівняльний аналіз дво- та тричастинкових потенціалів.

Для проведення моделювання було обрано тричастинковий потенціал Терсофа :

(1)

,

, (2)

(3)

А, В, м, л, R, S - параметри потенціалу, що визначаються емпірично, b_ij -функція, яка описує вплив локального атомного оточення на енергію зв'язку.

З метою апробації моделі було проведено молекулярно-динамічне моделювання елементарних напівпровідників -C, Si, Ge, -Sn зі структурою алмазу. Параметри потенціалу Терсофа підбиралися на основі експериментально відомих енергій когезії та парної функції розподілу. Модель містила 216 часток. Збіжність розв'язку рівнянь Ньютона перевірялась за допомогою умови незмінності в часі повної енергії системи. Крок часу моделювання становив 1.210^-15 с. На модельовану комірку накладались періодичні граничні умови.

Отримавши задовільне узгодження з експериментом структурних та динамічних властивостей елементарних напівпровідників(коефіцієнта лінійного розширення, теплоємностей), було проведено КМД моделювання твердих розчинів на їх основі: Ge_{1_x}Si_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x. Аналізуючи розраховану парну функцію розподілу сплавів, проведено побудову розподілу довжин зв'язків. При зростанні ґраткових неузгодженостей довжина зв'язку між атомами різного сорту сильніше відхиляється від довжини, отриманої у наближенні віртуального кристала. Чітко помітна тенденція до слабкої залежності довжини зв'язку між атомами олова від складу х.

Дана особливість підтверджується експериментально схильністю до міжвузольного росту твердих подвійних розчинів на основі олова в області технологічно отримуваних на сьогодні концентрацій.

Як відомо, розчин як фізико-хімічна система може бути описаний за допомогою термодинамічних функцій: внутрішньої енергії, вільних енергій Гібса(G) та Гельмгольца(F), ентальпії й ентропії(S).

Для напівпровідників при визначенні термодинамічної стабільності та при побудові фазових діаграм зручно використати вільну енергію змішування Гельмгольца:

(4)

де ?E - надлишкова енергія змішування, ?S - ентропія змішування, яку згідно з моделлю регулярного твердого розчину A_xB_1-x можна представити:

(5)

де R - універсальна газова стала. Надлишкова енергія змішування вибиралась у формі:

(6)

де E_A-B, E_A і E_B - відповідні повні енергії на атом для A_xB_1-x, A і B.

Вирощування плівок напівпровідникових сплавів з параметрами ґраток, що відрізняються від параметрів підкладки, супроводжується виникненням ґраткових напружень. Вільна енергія Гельмгольца системи(F_плівки) в такому випадку буде складатися із суми вільної енергії Гельмгольца об'ємного твердого розчину(F_{об'ємного}) та енергії напруження плівки(E_{напружень}):

, (7)

, (8)

Е - модуль пружності Юнга, v - коефіцієнт Пуассона, - відносна деформація.

Реальні епітаксійні шари повністю напружені лише при умові, що їх товщина менша за критичну товщину плівки. В іншому випадку відбуватиметься процес пластичної релаксації, який може супроводжуватися генеруванням дислокацій невідповідності, що понизить напруження плівки. Чим товща плівка, тим менша величина залишкових напружень.

Використовуючи отримане з КМД моделювання значення надлишкової енергії змішування, було проведено побудову діаграм стабільності. Область вище бінодальних кривих повністю стабільна, між бінодаллю і спінодаллю - метастабільна. Ділянка фазового простору, обмежена спінодальною кривою, нестабільна, де сплав має тенденцію до безактиваційного розпаду. Критична товщина епітаксійної плівки для всіх досліджених у роботі матеріалів визначалась з моделі балансу сил. Показано, що плівковий твердий розчин більш стабільний за об'ємний такого ж складу. При епітаксійному вирощувані сплаву Ge_{1_x}Si_x буде спостерігатись значне пониження критичної температури (T_MG) спі-нодального розпаду.

В об'ємному випадку сплав термодинамічно метастабільний по всьому діапазону х та повністю нестабільний при х > 0.24 (Т=300К). Спостерігається розширення меж стабільності матеріалу при його отриманні у плівковому вигляді. Так, у межах 0 < х < 0.1 плівка даної товщини повністю стабільна, а у діапазоні 0.1 < х < 0.33 - метастабільна (при Т=300К). Як показали розрахунки, тверді розчини Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x термо-динамічно нестабільні по всьому діапазону х і практичне отримання об'ємних зразків при рівноважних умовах неможливе. Накладання напружень, індукованих підкладкою, підвищує стабільність даних матеріалів. Так, для сплавів Si_{1_x}Sn_x та Si_{1_x}C_x при їх вирощуванні на підкладці Si (001) область стабільності розширюється до х < 0.14 та до х < 0.151, відповідно. На відміну від Ge_1-xSi_x, у сплавах Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x пониження критичної температури (Т_MG) у тонких псевдоморфних плівках не спостерігалось.

Для твердого розчину Ge_{1_x}Sn_x, поряд з невпорядкованою фазою, проведено дослідження стабільності впорядкованих ромбоедричної (RH) фази та фази цинкової обманки (ZB). З аналізу надлишкових енергій змішування отримано, що впорядковані фази (О) більш стабільні за невпорядковані (D), ?E(D)>?E(O). Впорядкована фаза цинкової обманки (ZB) (вільна енергія формування Гельмгольца 0.01 еВ) стабільніша за ромбоедричну (вільна енергія формування Гельмгольца 0.385 еВ).

Другий розділ присвячений дослідженню зонної структури та хімічного зв'язку твердих невпорядкованих розчинів заміщення Ge_1-xSi_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x.

Дослідження проведені методом модельного локального псевдопотенціалу. В розділі детально описано основні положення методу. Для розрахунку зонної структури був узятий атомний псевдопотенціал у формі[3]:

, (9)

де а₀, а₁, а₂, а₃ - параметри псевдопотенціалу, що визначаються емпірично та відповідають за його форму, - вектори оберненої ґратки.

Вибір псевдопотенціалу (9) був зумовлений тим, що він не має точок розриву при всіх значеннях та осциляцій в оберненому просторі, достатньо швидко спадає зі збільшенням хвильового вектора .

Вплив температури при розрахунку зонної структури було враховано за допомогою методу Брукса та Ю.

Підбір параметрів псевдопотенціалу (9) був здійснений на основі експериментально відомих значень енергетичних зазорів у високосиметричних точках зони Бріллюена для елементарних напівпровідників -C, Si, Ge, _Sn. Проведений розрахунок зонної структури для вищевказаних елементарних напівпровідників, дозволив перейти до моделювання твердих розчинів на їх основі: Ge_1-xSi_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x. Сплавні ефекти враховувались на основі позиційних та композиційних невпорядкованостей. Вихідними величинами для врахування перших були результати розподілу довжин зв'язку, отримані методом КМД. Вплив внутрішніх локальних деформацій, що виникають у подвійних розчинах заміщення за рахунок відмінності віддалей між атомами різних сортів, враховувався доповненням (9) множником :

, (10)

де - відносна локальна деформація. Композиційна невпорядкованість у сплаві А_1-хВ_х враховувалась у другому порядку теорії збурень, причому в якості збурення брався неперіодичний доданок до псевдопотенціалу (9) у вигляді:

, (11)

де a_j = 1-x, якщо в положенні знаходиться атом компоненти В, та a_j = _x, якщо в положенні знаходяться атом компоненти сорту А, _ різниця псевдопотенціалів атомів В і А, N - кількість атомів у кристалі.

Композиційна залежність ширини забороненої зони Eg(x) подвійного твердого розчину заміщення Ge_1-xSi_x має точку кросоверу х₀, в якій відбувається зміна типу переходів з Г₈^v-X₅^c на Г₈^v-L₆^с. За нашими розрахунками х₀ = 0.156, експериментально визначене значення х₀^exp = 0.15[4]. Як видно, наближення VCA не дає задовільного узгодження отриманих композиційних залежностей ширини забороненої зони з експериментом. Врахування ж локальних деформацій дозволило розв'язати дану проблему і зробити висновок, що саме цей механізм розупорядкування основний, порівняно з композиційною невпорядкованістю у формуванні зонної структури подвійного напівпровідникового твердого розчину заміщення Ge_1-xSi_x.

Розрахована композиційна залежність ширини забороненої зони біаксіально деформованого Ge_1-xSn_x/Ge(001) сплаву. Характерним є існування точки кросоверу, в якій відбувається перехід від непрямозонного напівпровідника до прямозонного. Розрахунки показують, що біаксіальна деформація з боку підкладки Ge(001) веде до зміщення точки кросоверу у бік вищих концентрацій х (х_с = 0.1), звужуючи в такий спосіб область прямозонності даного твердого розчину. Цей факт нещодавно експериментально підтверджений на відповідних зразках, отриманих методом низькотемпературної молекулярно-променевої епітаксії [5], де х_с = 0.11.

Характерним для Si_{1_x}Sn_x є наявність двох точок кросоверу(х_с1, х_с2), які відповідають за зміну типу переходів у забороненій зоні, при зростанні x (Sn) у розчині, з Г₈^v-X₅^c до Г₈^v-L₆^с(x_c1), та з Г₈^v-L₆^c до Г₇^v-Г₈^с(х_с2). Отримані нами координати цих точок х_с1 = 0.539, х_с2 = 0.763.

Дослідження перебудови хімічного зв'язку при формуванні твердих розчинів вивчалась нами на основі розрахунку розподілу густини заряду валентних електронів, що проводився за допомогою сумування псевдохвильових функцій по спеціальних точках зони Бріллюена.

Аналізуючи отримані результати видно, що у випадку Ge_xSi_1-x, при формуванні зв'язку між компонентами, на систему накладається мале збурення внаслідок незначного перетікання заряду валентних електронів до більш електронегативної компоненти. У випадку же Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x помітна тенденція посилення збурення. У твердих розчинах на основі повністю ковалентних компонент спостерігається прояв іонно-ковалентного зв'язку, найзначніше у випадку сплаву Si_{1_x}C_x.

Розраховані значення коефіцієнта зарядової асиметрії та полярності свідчать, що їх збільшення у даних матеріалах веде до росту термодинамічної нестабільності і посилення нелінійної поведінки композиційної залежності розподілу довжин зв'язку.

Третій розділ присвячений дослідженню оптичних властивостей подвійних твердих розчинів заміщення, а також тонких псевдоморфних плівок на їх основі.

У розділі детально проаналізовано методи розрахунку діелектричної функції напівпровідників.

У рамках моделі локального псевдопотенціалу з урахуванням матричних елементів імовірності переходів (узгоджених з правилами відбору) розрахована уявна і дійсна частини діелектричної функції елементарних напівпровідників -C, Si, Ge, -Sn. Задовільне узгодження діелектричної функції з експериментальними даними підтвердило достовірність отриманих результатів і дозволило перейти до розрахунку композиційних залежностей оптичних піків подвійних сплавів на їх основі.

У випадку Ge_{1_x}Sі_x отримано добре узгодження з експериментальними вимірами [6]. Більшого збігу вдалось досягнути для піку Е1, де отримано чітке відтворення експериментально виміряної композиційної залежності. Теоретично розрахована залежність Е2(х) виявилась нелінійною, на відміну від експериментальної. Накладання біаксіальних деформацій призводить до пониження енергій Е1, Е2. Характер нелінійної поведінки композиційної залежності Е1(х) у випадку епітаксії не змінюється. Дані особливості оптичних властивостей сплаву Ge_1-xSi_x пояснюються конкуренцією впливу композиційних і позиційних механізмів невпорядкованості.

Вплив позиційної невпорядкованості на діелектричну функцію сплаву Ge_{1_x}Sі_x виявився незначним, однак саме завдяки її врахуванню вдалось пояснити отримувані експериментально залежності. Для сплавів Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x вплив зазначеної невпорядкованості був порядку 2%, 5% та 9% відповідно. Біаксіальні деформації, вплив яких на властивості псевдоморфних плівок є домінуючим, приводять до пониження величини енергії оптичних піків досліджуваних матеріалів, за винятком Si_{1_x}Sn_x. Для твердого розчину Si_{1_x}С_x/Si(001) нещодавно експериментально було встановлено[7], що епітаксійні деформації приводять до характерної лінійної залежності енергії оптичних піків від х.

Наші розрахунки дозволили вперше пояснити дане явище в області низьких концентрацій, що є наслідком коректного врахування сплавних ефектів і поєднання молекулярно-динамічного моделювання з псевдопотенціальним підходом. Отримана поведінка оптичних властивостей об'ємних і плівкових твердих розчинів Ge_1-xSi_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x складна, що пояснюється конкуруючим впливом композиційних і позиційних невпорядкованостей, наявністю точок кросоверу і перебудовою зонної структури тонких плівок.

Висновки

1. Вперше методом класичної молекулярної динаміки, використовуючи потенціал Терсофа, досліджено композиційну залежність розподілу довжин зв'язків твердих розчинів заміщення Ge_{1_x}Si_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_1-xSn_x, Si_{1_x}C_x. Установлено нелінійність поведінки розподілу довжин зв'язку, зумовлену релаксаційними процесами, що приводить до значного відхилення постійних ґраток вищезазначених матеріалів від закону Вегарда.

2. На основі побудованих діаграм розпаду сплавів Ge_{1_x}Si_x, Ge_1-xSn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}C_x вивчено вплив епітаксійних деформацій і показано, що виникаючі напруги зумовлюють розширення меж стабільності у порівнянні з об'ємними зразками.

3. Показано, що основні особливості електронної енергетичної структури, в тому числі композиційні залежності точок кросоверу твердих розчинів заміщення Ge_{1_x}Si_x, Ge_1-xSn_x, Si_{1_x}Sn_x та Si_1-xC_x можуть бути пояснені домінуючим впливом внутрішніх локальних деформацій порівняно з композиційною невпорядкованістю.

4. Вперше показано, що хімічний зв'язок розглянутих твердих розчинів проявляє частково іонний характер, що зумовлено відмінністю атомних потенціалів компонент і впливом сплавних ефектів. Розраховані значення полярності та іонності дозволили задовільно пояснити особливості термодинамічної стабільності та структурних властивостей даних матеріалів. Установлено, що зростання ступеня іонності зв'язку у сплавах Ge_{1_x}Si_x, Ge_1-xSn_x, Si_{1_x}Sn_x та Si_1-xC_x веде до зменшення їх стабільності.

5. Основні особливості поведінки композиційних залежностей оптичних піків Е1(х) та Е2(х) подвійних твердих розчинів заміщення Ge_{1_x}Si_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_{1_x}Sn_x, Si_1-xC_x та плівок на їх основі пояснюються конкуруючим впливом на електронний спектр композиційної невпорядкованості та внутрішніх локальних, а також біаксіальних деформацій.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах

Королюк Ю.Г., Дейбук В.Г. Дослідження структурних властивостей твердих розчинів заміщення Ge-Si методом молекулярної динаміки // Науковий вісник ЧНУ. Вип.66. Фізика. Електроніка. - 1999. - С.54-56.

Deibuk V.G., Korolyuk Yu.G., Rarenko I.M. Structural and dynamical properties of Ge_{1_x}Sn_x semiconductor alloys // Material science and material properties for infrared optoelectronics. V International conference. - Kyiv(Ukraine). - 2000. - P.56.

Дейбук В.Г., Королюк Ю.Г. Молекулярно-динамическое моделирование структурных свойств твердых растворов замещения Ge(1-x)Sn(x) // ФТП. - 2001. -Т.35, №3. - С.298-300.

Deibuk V.G., Korolyuk Yu.G. Termodynamic stability of Ge_{1_x}Sn_x alloys // XXX International school on the physics of semiconducting compounds.- Jaszowiec (Poland). - 2001. - P.42.

Deibuk V.G., Korolyuk Yu.G. Thermodynamic stability of bulk and epitaxial GeSn semiconductor alloys // ФТП. - 2002. - Т.36, №.10. - С.1153-1156.

Korolyuk Yu.G., Deibuk V.G. Theoretical investigations of structure and thermodynamic properties of Si_Ge, Ge_Sn, Si_Sn solid solutions // Material science and material properties for infrared optoelectronics. VI International conference. - Kyiv (Ukraine). - 2002. - P.68.

Deibuk V.G., Korolyuk Yu.G. The effect of strain on the thermodynamic properties of Ge-Si, Ge_Sn, Si-Sn, Si-C thin solid films // Semiconductor Physics &Quantum Optoelectronics. - 2002. - V.5, №3. - P.247-253.

Королюк Ю.Г., Дейбук В.Г., Мельничук С.В. Структурні та термодинамічні властивості деяких алмазоподібних твердих розчинів // Науковий вісник ЧНУ. Вип.66. Фізика. Електроніка. - 2002. - С.55-57.

Korolyuk Yu.G., Deibuk V.G., Shahovtsova S.I., Shenderovskiy V.A. A theoretical study of electronic and optical properties of binary IV-IV alloys // I-шa українська наукова конференція з фізики напівпровідників. - Одеса (Україна). - 2002. - С.78-79.

Дейбук В.Г., Королюк Ю.Г., Шаховцова С.І., Шендеровський В.А. Електронна структура алмазоподібних твердих розчинів ІV групи // Фотоэлектроника. - 2003. - №12.- С.27-32.

Королюк Ю.Г., Дейбук В.Г., Мельничук С.В. Особливості хімічного зв'язку в алмазоподібних псевдоморфних плівках Ge-Si/Si, Ge-Sn/Ge, Si-Sn/Si, Si-C/Si // Фізика і технологія тонких плівок. IX міжнародна конференція. Івано_Франківськ (Україна). - 2003. - С. 92-93.

Размещено на Allbest.ru