Енергетична структура, хімічний зв’язок, оптичні та термодинамічні властивості тетраедрично координованих напівпровідникових твердих розчинів

2. Вперше досліджено вплив внутрішніх локальних деформацій та композиційної невпорядкованості на зонну структуру Ge_1-xSi_x, Ge_1-xSn_x, Si_1-xSn_x, Si_1-xC_x, Ga_xIn_1-xP, Ga_1-хIn_xSb, InAs_xSb_1-x, InSb_1-хBi_х, Ga_1-хAl_xN, Al_1-хIn_xN, Ga_1-хIn_xN. Показано, що композиційна невпорядкованість, як правило, відіграє основну роль у прогині композиційної залежності ширини забороненої зони досліджуваних сплавів. Врахування внутрішніх локальних деформацій (позиційної невпорядкованості), дозволяє кількісно пояснити особливості їх зонної структури.

3. В рамках методу модельного псевдопотенціалу на основі наближення “суперкомірки” вперше пояснено аномально великий прогин Eg(x) в потрійних твердих розчинах нітридів третьої групи.

4. Для пояснення основних особливостей композиційних залежностей оптичних піків Е1(х) та Е2(х), розрахованих в роботі теоретично та підтверджених експериментально для твердих розчинів заміщення з тетраедричною координацією Ge_1-xSi_x, Ge_1-xSn_x, Si_1-xSn_x, Si_1-xC_x, Ga_xIn_1-xP, InAs_xSb_1-x , Ga_xIn_1-xSb, InSb_1-хBi_х, Al_xGa_1-xN, Ga_1-xIn_xN, Al_1-xIn_xN, вперше послідовно враховано як вплив композиційної невпорядкованості, так і внутрішніх локальних деформацій. Показано, що сплавні ефекти приводять до нелінійної поведінки оптичних характеристик розглянутих твердих розчинів заміщення.

5. Вперше встановлено, що композиційна невпорядкованість є основним механізмом формування прогину Е1(х) та Е2(х) в III-V твердих розчинах, в той час як у бінарних IV-IV сплавах нелінійна поведінка положення основних оптичних піків пояснюється конкуренцією позиційного та композиційного механізмів.

6. Врахування біаксіальних напруг на границі плівка-підкладка дозволило вперше теоретично пояснити основні особливості оптичних характеристик тонких плівок розглянутих твердих розчинів. Вперше досліджено виникнення особливостей при 4.5 еВ в спектрі відбивання епітаксійної плівки Ga_0.9Al_0.1N на підкладці сапфіру. Біаксіальна деформація плівки з боку підкладки приводить до розщеплення верхньої валентної зони в точці Г, інвертуючи стани Г_6V та Г_1V. Міжзонні електронні переходи Г_6V-Г_1C є причиною вищевказаних особливостей.

7. Методом класичної молекулярної динаміки (NVT) змодельовано тверді розчини заміщення на основі елементів IV групи. Використано кластерний функціонал Терсофа для опису тричастинкової міжатомної взаємодії. На основі вибраної моделі досліджено парну функцію розподілу атомів та розподіл довжин зв'язків для кристалів Si, Ge, Sn, C та сплавів на їх основі Ge_1-xSi_x, Ge_1-xSn_x, Si_1-xSn_x, Si_1-xC_x. Підтверджено виконання закону Вегарда в Ge_1-xSi_x та показано, що великі неузгодженості ґраток приводять до значних відхилень від закону Вегарда в Ge_1-xSn_x, Si_1-xSn_x, Si_1-xC_x.

8. Проведено моделювання впорядкованих фаз епітаксійних твердих розчинів на прикладі Ge_1-xSn_x. Показано енергетичну вигідність утворення впорядкованих фаз цинкової обманки та ромбоедричної порівняно з невпорядкованим сплавом, а також зростання стабільності фази цинкової обманки порівняно з ромбоедричною фазою в епітаксійних псевдоморфних плівках.

9. Розроблено новий підхід до аналізу термодинамічної стабільності невпорядкованих твердих розчинів на основі молекулярно-динамічного моделювання їх термодинамічних функцій. Вперше розраховано інтервали незмішуваності та критичні температури спінодального розпаду кубічних напівпровідникових систем Ge_1-xSi_x, Ge_1-xSn_x, Si_1-xSn_x, Si_1-xC_x, Ga_xIn_1-xP, InAs_xSb_1-x Ga_xIn_1-xSb, InSb_1-хBi_х, Al_xGa_1-xN, Ga_1-xIn_xN, Al_1-xIn_xN з урахуванням як деформаційної енергії, так і ефекту пластичної релаксації, обумовленого дислокаціями невідповідності на границі плівка-підкладка. Показано, що врахування пружної енергії епітаксійної плівки веде до звуження області спінодального розпаду та, як правило, супроводжується пониженням його критичної температури.

10. Вперше досліджено вплив композиційної невпорядкованості та внутрішніх локальних деформацій на коефіцієнт зарядової асиметрії (g) та полярності (_p) відповідних твердих розчинів та пояснено нелінійні залежності g(x) та _p(x).

11. Аналіз просторового розподілу густини заряду валентних електронів, статичних та динамічних ефективних зарядів, тисків структурних фазових переходів в Ge_1-xSi_x, Ge_1-xSn_x, Si_1-xSn_x, Si_1-xC_x, Ga_xIn_1-xP, InAs_xSb_1-x Ga_xIn_1-xSb, InSb_1-хBi_х, Al_xGa_1-xN, Ga_1-xIn_xN, Al_1-xIn_xN показує, що коефіцієнт зарядової асиметрії найбільш повно описує закономірності хімічного зв'язку тетраедрично координованих напівпровідникових твердих розчинів заміщення.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах

1. Дейбук В.Г. Термодинамическая устойчивость эпитаксиальных пленок GaInSb, InAsSb, GaInP // ФТП. - 2003. -- Т. 37, №10. - С.1179-1183.

2. Дейбук В.Г. Розрахунок зонної структури твердого розчину InAs_xSb_1-x // УФЖ. - 1998. - Т.43,N2. - С.230-232.

3. Дейбук В.Г. Дослідження динаміки зонної структури твердих розчинів заміщення на основі напівпровідників А^IIIВ^V // Науковий вісник Чернівецького державного університету. Сер.Фізика-Електроніка. - 1998. - Вип.30. - С.26-30.

4. Дейбук В.Г. Зонна структура нових потрійних напівпровідникових твердих розчинів заміщення Si(1-x-y)Ge(x)Sn(y) та Si(1-x-y)Ge(x)C(y) // УФЖ. - 1996. - Т.41,N10. - С.954-957.

5. Дейбук В.Г., Студенец В.И. Влияние антиструктурных дефектов на зонную структуру и диэлектрическую функцию твердых растворов In_1-xGa_xSb // ФТП. - 1998. - Т.32, № 9. - С.1054-1056.

6. Дейбук В.Г., Виклюк Я.И., Раренко И.М. Расчет зонной структуры твердых растворов замещения InSb_1-xBi_x // ФТП. - 1999. - Т.33, №3. - С.289-292.

7. Vyklyuk J., Deibuk V.G. The band structure and electron density of InSb_1-xBi_x solid solutions // Acta Physica Polonica. - 1998. - V.94,N3. - P.611-615.

8. Дейбук В.Г., Возный А.В., Слетов М.М. Зонная структура и пространственное распределение заряда в Al_xGa_1-xN // ФТП. - 2000. - Т.34, № 1. - С.36-40.

9. 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.

10. Deibuk V.G., Korolyuk Yu.G. Thermodynamic stability of bulk and epitaxial GeSn semiconductor alloys // ФТП. - 2002. - Т.36, вып.10. - С.1153-1156.

11. 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 // SPQO. - 2002. - V.5,N3. - P.247-253.

12. Chernov V.M., Deibuk V.G., Shkil L.A. Simulation of spin-orbit interaction parameters // Journal of Thermoelectricity. - 1997. - N.3. - P.26-30.

13. Виклюк Я.І., Дейбук В.Г. Вплив внутрішніх локальних деформацій на оптичні характеристики Ga_xIn_1-xP // УФЖ. - 2001. - Т.46,№11. - С.1185-1190.

14. Дейбук В.Г., Возный А.В., Слетов М.М., Слетов А.М. Особенности оптических свойств твердых растворов Al_xGa_1-xN // ФТП. - 2002. - Т.36,№4. С.420-424.

15. Виклюк Я.И., Дейбук В.Г., Золотарев С.В. Оптические свойства неупорядоченных объемных и эпитаксиальных полупроводниковых сплавов Ga_xIn_1-xP // ФТП. - 2002. - Т.36,№8. - С.925-931.

16. Виклюк Я.І., Дейбук В.Г. Вплив внутрішніх локальних деформацій, композиційної невпорядкованості та підкладки на оптичні характеристики InAs_xSb_1-x // Журн. Фіз. Дослідж. - 2002. - Т.6,№3. - С.329-326.

17. Vyklyuk J.I., Deibuk V.G., Rarenko I.M. Calculation of absorption coefficients of InSb_1-xBi_x solid solutions//SPQO.-2000.-V.3,N2.-P.174-177

18. Королюк Ю.Г., Дейбук В.Г., Виклюк Я.І. Оптичні властивості невпорядкованих алмазоподібних твердих розчинів заміщення Ge_{1_x}Si_x, Ge_{1_x}Sn_x, Si_1-xSn_x, Si_1-xC_x та тонких плівок на їх основі // Журн. Фіз. Дослідж. - 2004. - Т.8,№ 1. - С.81-87 .

19. Дейбук В.Г., Виклюк Я.И. Химическая связь и упругие постоянные некоторых тройных твердых растворов А^IIIВ^V // ФТП. - 2002. - Т.36, №10. - С.1171-1176.

20. Voznyy O.V., Deibuk V.G. Chemical bonding and optical bowing in III-nitrides solid solutions // SPQO - 2003. - V.6,N2. - P.115-120.

21. Королюк С.В., Виклюк Я.І., Дейбук В.Г. Розрахунок зонної структури, ефективних мас та електронної густини потрійних твердих розчинів заміщення Ga_xIn_1-xP // УФЖ. - 2000. - Т.45,N3. - С.318 - 321.

22. Deibuk V.G., Shakhovtsova S.I., Shenderovski V.A., Tsmots V.M. Electronic band structure and magnetic susceptibility of SiGe alloys // SPQO.- 2002.- V.5,N1.- P.5-8.

23. Возний О.В., Дейбук В.Г., Мельничук С.В. Причини виникнення прогину в композиційних залежностях ширини забороненої зони твердих розчинів ІІІ-нітридів // Науковий вісник Чернівецького універ-ситету. Вип.132:Фізика.Електроніка.- Чернівці:Рута,2002.- С.65- 69.

24. 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.

25. Korolyuk Yu.G., Deibuk V.G. Investigation into the stability of A^IVB^IV thin solid films // Latv. Journal of Phys. Techn. Sci. - 2002. - N.5. - P.37-49.

26. Королюк Ю.Г., Дейбук В.Г., Мельничук С.В. Структурні та термодинамічні властивості деяких алмазоподібних твердих розчинів // Науковий вісник ЧНУ. Фізика. Електроніка. - 2002. - №132. - С.55-57.

27. Королюк Ю.Г., Дейбук В.Г. Дослідження структурних властивостей твердих розчинів заміщення Ge-Si методом молекулярної динаміки // Науковий вісник ЧНУ. Фізика. Електроніка. - 1999. - №66. - С.54-56.

28. Rarenko I.M., Deibuk V.G., Vykliuk J.I., Dremlyuzhenko S.G,, Zakharuk Z.I., Nichyi S.V. The investigation of electronic band parameters: obtaining and peculiarities of InSbBi crystal structures // Proceedings SPIE. -1998. - N3890. - P. BP-53(8).

29. Возный А.В., Дейбук В.Г. Роль сплавных эффектов в формировании электронной структуры неупорядоченных твердых растворов III-нитридов // ФТП. - 2004. - Т.38,№ 3. - С.316-321.

30. Возний О.В., Дейбук В.Г. Термодинамічна стабільність об'ємних та плівкових твердих розчинів ІІІ-нітридів // Матеріали ІХ Міжнародної конференції "Фізика і технологія тонких плівок",Т.1 - Івано-Франківськ: Місто НВ, 2003. - С.83-84.

Анотація

Дейбук В.Г. Енергетична структура, хімічний зв'язок, оптичні та термодинамічні властивості тетраедрично координованих напівпровідникових твердих розчинів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2004.

Дисертація присвячена комплексному дослідженню фізичних властивостей тетраедрично координованих твердих розчинів заміщення на основі напівпровідників зі структурою алмазу, цинкової обманки та вюрциту. В рамках методу модельного локального псевдопотенціалу розраховано їх електронну зонну структуру та діелектричну функцію. Показано, що композиційна невпорядкованість, як правило, відіграє основну роль у прогині композиційної залежності ширини забороненої зони досліджуваних сплавів. Врахування внутрішніх локальних деформацій (позиційної невпорядкованості), дозволяє кількісно пояснити особливості їх зонної структури та оптичних властивостей. Вперше встановлено, що композиційна невпорядкованість є основним механізмом формування прогину Е1(х) та Е2(х) в III-V твердих розчинах, в той час як у бінарних IV-IV сплавах нелінійна поведінка положення основних оптичних піків пояснюється конкуренцією позиційного та композиційного механізмів. Розроблено новий підхід до аналізу термодинамічної стабільності неупорядкованих твердих розчинів на основі молекулярно-динамічного моделювання їх термодинамічних функцій. Вперше з'ясовано вплив сплавних ефектів на формування хімічного зв'язку в твердих розчинах.

Ключові слова: напівпровідникові тверді розчини, енергетична структура, оптичні властивості, хімічний зв'язок, термодинамічна стабільність, композиційна та позиційна невпорядкованість.

Summary

Deibuk V.G. Band energy structure, chemical bonding, optical and thermodynamic properties of tetrahedral coordinated semiconductor solid solutions. - Manuscript.

Thesis for Doctor of Science (Physics and Mathematics) degree by speciality 01.04.10 - Physics of semiconductors and dielectrics. - Yuri Fedkovych Chernivtsi National University, Chernivtsi, 2004.

The thesis is devoted to the all-round studies of physical properties of tetrahedral coordinated substitution solid solutions in basis of semiconductors with diamond, zinc blend and wurtzite crystal structures. The electronic band structure and dielectric functions of solid solutions was calculated by the local model pseudopotential method upon consideration of compositional and positional disorder. It was shown the compositional disorder plays the principal role in the bowing of energy gap compositional dependencies of considered alloys. The peculiarities of band structure and main optical properties was quantitative explained by local deformations of lattice in the solid solutions. The new approach was proposed to analyze of the thermodynamic stability of disorder solid solutions in basis of molecular dynamics simulation of their thermodynamic functions. The influence of the alloying effects on the chemical bonding formation in the solid solutions was investigated.

Key words: semiconductor solid solutions, band structure, optical properties, chemical bonding, thermodynamic stability, compositional and positional disorder.

Аннотация

Дейбук В.Г. Энергетическая структура, химическая связь, оптические и термодинамические свойства тетраэдрически координированных полупроводниковых твердых растворов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2004.

Диссертация посвящена комплексному исследованию физических свойств тетраэдрически координированных твердых растворов замещения на основе полупроводников со структурой алмаза, цинковой обманки и вюрцита. Рассчитана электронная структура твердых растворов методом модельного локального псевдопотенциала с учетом композиционной и позиционной неупорядоченностей. Впервые исследовано влияние внутренних локальных деформаций и композиционной неупорядоченности на зонную структуру Ge_1-xSi_x, Ge_1-xSn_x, Si_1-xSn_x, Si_1-xC_x, Ga_xIn_1-x, Ga_1-хIn_xSb, InAs_xSb_1-x, InSb_1-хBi_х, Ga_1-хAl_xN, Al_1-хIn_xN, Ga_1-хIn_xN. Показано, что композиционная неупорядоченность, как правило, играет основную роль в прогибе композиционной зависимости ширины запрещенной зоны исследуемых сплавов. Учет внутренних локальных деформаций (позиционной неупорядоченности) разрешает количественно объяснить особенности их зонной структуры. В рамках метода модельного псевдопотенциала на основе приближения “суперячейки” впервые объяснен аномально большой прогиб Eg(x) в тройных твердых растворах нитридов третьей группы. Для объяснения основных особенностей композиционных зависимостей оптических пиков Е1(х) и Е2(х), полученных в работе теоретически и подтвержденных экспериментально для твердых растворов, впервые последовательно учтено как влияние композиционной неупорядоченности, так и внутренних локальных деформаций. Показано, что сплавные эффекты приводят к нелинейному поведению оптических характеристик рассмотренных твердых растворов замещения. Впервые установлено, что композиционная неупорядоченность является основным механизмом формирования прогиба Е1(х) и Е2(х) в III-V твердых растворах, в то время как в бинарных IV-IV сплавах нелинейное поведение положения основных оптических пиков объясняется конкуренцией позиционного и композиционного механизмов. Учет биаксиальных напряжений на границе пленка-подложка разрешило впервые теоретически объяснить основные особенности оптических характеристик тонких пленок рассмотренных твердых растворов. Методом классической молекулярной динамики (NVT) смоделированы твердые растворы замещения на основе элементов IV группы. Использованы кластерные функционалы Терсофа для описания трехчастичного межатомного взаимодействия. Подтверждены выполнения закона Вегарда в Ge_1-xSi_x и показано, что большая несогласованность решеток приводит к значительным отклонениям от закона Вегарда в Ge_1-xSn_x, Si_1-xSn_x, Si_1-xC_x. Проведено моделирование упорядоченных фаз эпитаксиальных твердых растворов на примере Ge_1-xSn_x. Показана энергетическая выгодность образования фаз цинковой обманки и ромбоэдрической сравнительно с неупорядоченным сплавом. Разработан новый подход к анализу термодинамической стабильности неупорядоченных твердых растворов на основе молекулярно-динамического моделирования их термодинамических функций. Рассчитаны интервалы несмешиваемости и критические температуры спинодального распада указанных твердых растворов с учетом как деформационной энергии, так и эффекта пластической релаксации, обусловленного дислокациями несоответствия на границе пленка-подложка. Показано, что учет упругой энергии эпитаксиальной пленки ведет к сужению области спинодального распада и, как правило, сопровождается понижением его критической температуры. Объяснены особенности магнитной восприимчивости твердых растворов в Ge_1-xSi_x в области низких концентраций кремния вследстивие изменения топологии закона дисперсии носителей в зоне Бриллюэна. Впервые исследовано влияние композиционной неупорядоченности и внутренних локальных деформаций на коэффициент зарядовой асимметрии и полярности соответствующих твердых растворов и объяснены их нелинейные зависимости. Анализ пространственного распределения плотности заряда валентных электронов, статических и динамических эффективных зарядов, давлений структурных фазовых переходов показывает, что коэффициент зарядовой асимметрии наиболее полно описывает закономерности химической связи тетраэдрически координированных полупроводниковых твердых растворов замещения.

Ключевые слова: полупроводниковые твердые растворы, энергетическая структура, оптические свойства, химическая связь, термодинамическая стабильность, композиционная и позиционная неупорядоченность.

Размещено на Allbest.ru