CC BY
17Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №9. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/58
Получить тонкопленочный структурно совершенный полупроводниковый твердый раствор с заданными электрофизическими и фотоэлектрическими свойствами на дешевую подложку как кремний является весьма актуальной. Поэтому авторы старались получить структурно совершенные Sil-xGex эпитаксиальные слои и гетеропереходы 8 - (&2\_х_у (Ое2 )х (GaAs)y, 8 - хОвх - (Ов2 )1-х (ОаА$)х , 8г - 81х_£ех - на их основе [13]. Для этого они исследовали технологические режимы роста и электрические, фотоэлектрические свойства эпитаксиальных слоев Si1-xGex и структур.
В процессе роста из жидкой фазы эпитаксиальных слоев Sil-xGex используются кремниевые подложки, которым параметр решетки и коэффициент термического расширения (КТР) близки к образующим эпитаксиальным слоям. Подбирались разные методы и переменный варизонный состав твердого раствора чтобы избегать от дислокаций и микротрещин, частные растворения подложек (при положении недопересыщенного раствора к компонентам подложки) и т. д.
Однако, до настоящего времени режимы технологического роста такой системы изучены крайне недостаточно, особенно те, которые связаны с физическими и химическими свойствами выращиваемого раствора-расплава. В работе показаны, результаты исследований температурного состава раствора-расплава (Sn+Ge+Si, Ga+Ge+Si) используя, экспериментальные данные, а также теоретические формулы и расчеты полученные на основе литературы. Использованы апробированные экспериментальные научные методы. Обычно, используются подложки с определенными наименьшими уклонами во время роста пленок из жидкой фазы, которые, способствуют образованию эпитаксиальных слоев на поверхности (в нашем случае в качестве подложек были использованы монокристаллические &'(111) с отклонением — (0*157 + 0*30!) - (0*157 + 0*30) п-типа проводимости) подложке. Любая поверхность твердого тела имеет определенную шероховатость, поэтому поверхностная энергия распределяется неравномерно и влияет на выращивание твердого раствора на подложке, а также на образование дислокаций, которые связаны с технологическими параметрами, как температура начала кристаллизации (Тнк), скорость роста (и), зазор между подложками (5), состав компонентов в растворе-расплаве, с ориентациями подложек и т. д.
Для выращивания варизонноготвердого раствора 811_1@ех (0<х<1)нами был использован
кварцевый реактор вертикального типа с горизонтально расположенными подложками на установке типа ЭПОС. Рост эпитаксиального слоя осуществлялся из малого объема оловянного и галлиевого раствора-расплава, ограниченного двумя подложками в атмосфере, которые очищены палладием водорода, что дало возможность минимизировать количество расходуемого раствора-расплава. Сначала в реакторе создавался вакуум до остаточного давления 10-2 Ра, затем в течение 20 мин через реактор пропускался очищенный водород, и после этого начинался процесс нагревания. Когда температура доходила до необходимого значения, система переключалась в автоматический режим. В течение 40-60 мин производилась гомогенизация раствора-расплава. Потом подложки на графитовом держателе приводились в контакт с раствором-расплавом и после заполнения зазоров между подложками раствором-расплавом поднимались на 1 см выше уровня раствора. Рост эпитаксиальных слоев Sil-xGex в нужный момент прекращался сливом раствора-расплава с подложек, при помощи центрифуги. Состав раствора-расплава, состоящий из Si, Gе и Sn, а также Si, Gе и Ga определялся из диаграммы состояния двойного сплава Sn-Si, Sn-Gе и Ga-Si, Ga-Gе. Для приготовления жидкого раствора-расплава была изучена растворимость Si и Gе в Sn в интервале температур 442-1100 °С. Эпитаксиальные пленки Si l-xGex выращивались
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №9. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/58
при температуре начала (Тнк) и окончания кристаллизации (Тпк)соответственно в интервале 1050-450 °С. Образцы выращивались при различных значениях технологических параметров жидкостной эпитаксии.
Смачивание подложки со стороны раствора и диффузионные движения компонентов образующие твердый раствор способствует росту эпитаксиальных слоев, это приведено нами в работе [4]. Но это недостаточно для выращивания структурно совершенных Sil-xGex эпитаксиальных слоев и гетероструктур на их основе.
Проведя эксперименты было выяснено: изменяя зазор между подложками 3 (то есть изменяя объем раствора-расплава между подложками), при одинаковом режиме роста выращенные эпитаксиальные слои на нижних и на верхних подложках не отличились друг от друга с кристаллическими совершенностями на поверхности и на границе подложки-пленки до 5=1,2 мм. В условиях 5>1,2 мм всегда у верхних подложек образуются толстые и более низкокачественные слои, чем у нижней, который связан с диффузионным и с конвекционным потоком компонентов в ограниченном растворе (если плотность растворяемых компонентов меньше плотности растворителя) [5].
В литературе это объясняется массаподводом, конвекционным потоком раствора между подложками в поле силы тяготения [6]. Считаем, что в поле взаимодействует сила Архимеда и тяготения, а также диффузии большой концентрацией Si и Ge накапливается вблизи поверхности у верхней подложки, чем у нижнего, который ускоряет скорость роста эпитаксиальных слоев Sil-xGex. Для выращивания эпитаксиальных слоев, то есть повторение направления ориентации подложки со стороны выращиваемого слоя, должно выполнятся в минимальных условиях образования ячейки монокристалла, значит число атомов в одном квазичастиц должно быть в пределах от 1 до 14, не образуя совершенный элементарный ячейки Si, Ge или Sil-xGex. Только в этом случае мы сможем получить монокристалл из раствора-расплава. Но во время начала кристаллизации эпитаксиальных слоев из жидкой фазы, сначала идет подготовка к росту, что называется гомогенизацией, и потом при температуре насыщение раствора-расплава (это определяется из диаграмм состояний компонентов в определенном температуре) загружаются подложки с помощью графитовой кассетой и выращивается монокристалл из раствора. При выращивание эпитаксиальных слоев компоненты твердого раствора кремний и германий участвуют в виде атома и молекулы [7-8].
Одновременно, некоторые атомы успеют объединяться за счет процесса коагуляции (чем больше температура, тем больше число коагуляции) одинаковых компонентов раствора и образуют нанокластеры с размерами 1-10 нм, теоретически рассчитано нами использовав формулу Эйнштейна-Смолуховского, который составляет часть доли 0,01-0,02% всего растворенных элементов. Эти нанокластеры участвуя в процессе роста, с наименьшими концентрациями, чем выращиваемых компонентов не разрушают монокристалличность варизонного твердого раствора, но способствуют на образование дислокаций и на границу подложки-пленки и вдоль направления роста пленки, который ухудшает кристаллический совершенность пленок и структур, соответственно их нее электрофизические и фотоэлектрические свойства являющиеся важнейшими параметрами в применении приборостроения.
Учитывая вышеуказанное мы можем предположить атомы Si и Ge внутри раствора образуя достаточно малое число молекулярных или миникластерных соединений участвующие в кристаллообразовании и доминирует в процессе увеличения плотности дислокаций. Особенно на эпитаксиальных слоев пленки выращенных на верхней подложке,
который объясняется результатом силы Архимеда и тяжести, который проявляется укрупнением нанокластера и является незначительной величиной, хотя там доминирует диффузионный процесс атомов и молекул.
Скопление на верхней поверхности растворов вблизи подложек нанокластеров, и беспорядочные диффузионные их нее движение способствует, участие во время роста, и соответственно образование дислокаций. Применение седиментационного анализа для определения размеров частиц высокодисперсной, (ультрамикрогетерогенных) фазы дала возможность определить г-радиус частиц и состояние компонентов Si, Ge в растворе с помощью следующей формулы [9]:
r =
9-qdm
2gm0 (Рдф -Рдср )t
где, т — масса компонентов на поверхности подложек, t — различные моменты времени от начала крисстализации, й — путь седиментации, ш0 — общая масса компонентов
дисперсной фазы в объеме дисперсионной среды, ] — вязкость раствора, рдф, рдср — плотность дисперсионной среды и частиц дисперсной фазы, соответственно, g — ускорение свободного падения.
Таким образом, определены размеры кластеров компонента в растворе, которые, связаны с кристаллической совершенностью выращенных эпитаксиальных слоев, зависимо от величины зазора между подложками при разных температурах начало кристаллизации: Г81 = 4,4 нм для температуры начало кристаллизации Тнк = 900 °С Г81 = 4,71 нм для температуры начало кристаллизации Тнк = 970 °С Г81 = 5,55 нм для температуры начало кристаллизации Тнк = 1050 °С
Из уравнения Эйнштейна-Смолуховского можно найти перемещение молекулы или кластеры дисперсной фазы в дисперсной системе который, двигается тем быстрее, чем выше температура, меньше размер молекулы или кластера и вязкость дисперсионной среды.
А =
V
RTt
3NA7Ti7r
R — универсальная газовая постоянная, NA — число Авогадро, п— вязкость, г — радиус молекулы или кластера, к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, t — время.
Диффузия в полной мере проявляется в ультрамикрогетерогенных (высокодисперсных) системах, у которых интенсивность седиментации и диффузии близки, вследствие чего с течением времени в таких системах происходит выравнивание диффузионных и седиментационных потоков
сед дифф ^
и устанавливается седиментационно-диффузионное равновесие, описываемое гипсометрическим законом Лапласа:
„ = „. ехр(—
к!
С помощью этой формулы вычислено относительное изменение концентрации компонентов (п) в зависимости от расстояния от поверхности верхней подложки в растворе-
расплаве (Рисунок 1): —
— = ехр(-0,92 • d), для температуры начало кристаллизации ^к = 900 °С;
"0 n
= exp(-1,063 • d) для температуры начало кристаллизации ^к = 970 °С;
■ = exp(-1,61-d) для температуры начало кристаллизации ^к = 1050 °С;
Рисунок 1. Относительное изменение концентрации компонентов — в зависимости от
п0
расстояния, от поверхности верхней подложки в растворе-расплаве.
Из Рисунка 1 видно, с увеличением температуры начало кристаллизации ^нк) твердого раствора Sil-xGex, относительное изменение концентрации компонентов п — по высоте
—о
увеличивается, что объясняется увеличением размера кластера и скорость коагуляции компонентов. Это отличие явно наблюдается при большом размере между подложками особенно на поверхности верхних подложек.
Кластерообразования компонентов в растворе зависимо от его размера и от концентрации, отрицательно влияет на кристаллическую совершенность выращиваемого эпитаксиального слоя при выращивания полупроводникового Sil-xGex твердого раствора из жидкой фазы.
А также исследуя образования дислокаций, во время выращивания твердого раствора при разных технологических процессах, наблюдается 2 варианта (кроме классических общеизвестных факторов влияющие на образование дислокаций, таких как чистота и
n
0
n
n
0
достаточно наименьшие шероховатости на поверхности подложки, отсутствие других чужих летучих и растворимых компонентов в системе и в растворе):
а) если при температуре насыщения раствора-расплава по отношению своих компонентов начинается процесс роста, то относительно большая плотность дислокаций эпитаксиальных слоев, будет на границе подложки-пленки и уменьшается вдоль направления роста до поверхности пленки
б) если при температуре начала кристаллизации составляющие компоненты раствора является не насыщенным по отношению к подложке
в) компоненты раствора кремний и германий, подложка — кремний и в тоже время начинается рост, в том случае рост начинается с частичным подрастворением подложек.
Тогда плотности дислокаций сначала плавно увеличиваются вдоль направления роста до определенной толщины пленки и потом уменьшается до поверхности пленки. Выращенные варизонные эпитаксиальные слои имеют волнистую поверхность по распределении компонентов вдоль направления роста.
Оба случаи уменьшение плотности дислокаций в направлении роста, связано сглаживанием несоответственных решеток подложки и пленки.
Были получены зеркально гладкие эпитаксиальные слои полупроводникового твердого раствора Sii-xGex и определены оптимальные режимы роста для выращивания кристаллических совершенных Sii-xGex эпитаксиальных слоев из ограниченного оловянного раствора-расплава на монокристаллических подложках Si с ориентацией (111), которыми являются следующие технологические параметры:
-температуры в начале кристаллизации (Тнк) варьировались в интервале от Тнк = 900 °С до Тнк = 1050 °С;
-принудительные охлаждения раствора-расплава со скоростью 0,5-1,5 град/минут.
-зазор между подложками (соответствуя на высоту раствора-расплава) в интервале 0,51,5 мм.
Теоретические, экспериментальные исследования кристаллообразования при выращивании варизонных твердых растворов Si1-xGex из ограниченного оловянного, галлиевого раствора-расплава на кремниевые (относительно дешевые) подложки и получение кристаллически совершенных эпитаксиальных слоев с наименьшими плотностями дислокации является перспективным. Варизонные пленки Si1-xGe x можно использовать в качестве буферного слоя для сглаживания несоответствий решеток подложки и пленки при
получении гетероструктур Si-Si^Gex -(Ge2) 1-x(ZnSe)x, Si-Si1-xGex -
(Ge2)1-x-y(Ga As)x(ZnSe)y, Si-Sii-xGex -Ge^Sn*, Si-Sii-xGex -(Ge2)1-x(SnP)x, Si-Sii-xGex -
(Ge2)i-x(GaAs)x ,Si-Si1-xGex -(GaAs)1-x(ZnSe)x, а также как полупроводниковым материалом для изготовления фотоэлектрических приборов.
Список литературы:
1. Fadaly, E. M. T., Dijkstra, A., Suckert, J. R., Ziss, D., van Tilburg, M. A. J., Mao, C., ... Bakkers, E. P. A. M. Direct-bandgap émission from hexagonal Ge and SiGe alloys // Nature. 2020. V. 580. №7802. P. 205-209. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y
2. Saidov A. S., Usmonov S. N., Amonov K. A., Niyazov S., Khudayberdiyeva A. I. Photothermovoltaic Effect in p-Si-n-(Si2)1-x-y(Ge2)x(ZnSe)y Structure // Applied Solar Energy. 2019. V. 55. №5. P. 265-268. https://doi.org/10.3103/S0003701X19050116
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №9. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/58
3. Сапаев Б., Саидов А. С. Исследование некоторых свойств структур Si-Sii-xGex (0< x< 1), выращенных из ограниченного оловянного раствора-расплава методом жидкофазной эпитаксии // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39. №10. С. 1183-1188.
4. Раззаков А. Ш., Курбанов Д. Ш. Зависимость дислокаций на твердом растворе Si1-xGex от температур роста на контактной фазе «твердое тело-жидкость» // РИАК-ХП-2020. Республиканская конференция-2020. С. 275-277.
5. Saidov A. S., Razzakov A. S., Risaeva V. A., Koschanov E. A. Liquid-phase epitaxy of solid solutions (Ge2)1-x(ZnSe)x // Materials chemistry and physics. 2001. V. 68. №1-3. P. 1-6. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(00)00230-3
6. Боцелев С. П., Марончук И. Е., Марончук Ю. Е. Кристаллизация эпитаксиальных слоев AlGaAs из ограниченного объема раствора-расплава // Неорганические материалы. 1977. Т. 13. №5. С. 769-772.
7. Saidov A. S., Usmonov S. N., Kalanov M. U., Kurmantayev A. N., Bahtybayev A. N. Structural and some electrophysical properties of the solid solutions Sh-xSnx (0 < X < 0.04) // Physics of the Solid State. 2013. V. 55. №1. P. 45-53. https://doi.org/10.1134/S1063783413010290
8. Saidov A. S. et al. Photothermovoltaic Effect in p-Si-n-(Si2)1-x-y (Ge2)x(ZnSe)y Structure // Applied Solar Energy. 2019. V. 55. №5. P. 265-268. https://doi.org/10.3103/S0003701X19050116
9. Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. Коллоидная химия. М.: Высш. шк., 2004.
444 с.
References:
1. Fadaly, E. M. T., Dijkstra, A., Suckert, J. R., Ziss, D., van Tilburg, M. A. J., Mao, C., ... Bakkers, E. P. A. M. (2020). Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys. Nature, 580(7802), 205-209. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y
2. Saidov, A. S., Usmonov, S. N., Amonov, K. A., Niyazov, S., & Khudayberdiyeva, A. I. (2019). Photothermovoltaic Effect in p-Si-n-(Si2)1-x-y(Ge2)x(ZnSe)y Structure. Applied Solar Energy, 55(5), 265-268. https://doi.org/10.3103/S0003701X19050116
3. Sapaev, B., & Saidov, A. S. (2005). A study of some properties of Si-Si 1-xGex (0 < x < 1) structures grown from a confined tin solution-melt by the liquid phase epitaxy method. Semiconductors/Physics of the Solid State, 39(10). 1183-1188. (in Russian).
4. Razzakov, A. Sh., & Kurbanov, D. Sh. (2020). Zavisimost' dislokatsii na tverdom rastvore Si1-xGex ot temperatur rosta na kontaktnoi faze "tverdoe telo-zhidkost'". In RIAK-XII-2020. Respublikanskaya konferentsiya-2020, 275-277.
5. Saidov, A. S., Razzakov, A. S., Risaeva, V. A., & Koschanov, E. A. (2001). Liquid-phase epitaxy of solid solutions (Ge2)1-x(ZnSe)x. Materials chemistry and physics, 68(1-3), 1-6. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(00)00230-3
6. Botselev, S. P., Maronchuk, I. E., & Maronchuk, Yu. E. (1977). Kristallizatsiya epitaksial'nykh sloev AlGaAs iz ogranichennogo ob"ema rastvora-rasplava. Neorganicheskie materialy, 13(5). 769-772. (in Russian).
7. Saidov, A. S., Usmonov, S. N., Kalanov, M. U., Kurmantayev, A. N., & Bahtybayev, A. N. (2013). Structural and some electrophysical properties of the solid solutions Si1-xSnx (0 < X < 0.04). Physics of the Solid State, 55(1), 45-53. https://doi.org/10.1134/S1063783413010290
8. Saidov, A. S., Usmonov, S. N., Amonov, K. A., Niyazov, S., & Khudayberdiyeva, A. I. (2019). Photothermovoltaic Effect in p-Si-n-(Si2)1-x-y (Ge2)x(ZnSe)y Structure. Applied Solar Energy, 55(5), 265-268. https://doi.org/10.3103/S0003701X19050116
9. Shchukin, E. D., Pertsov, A. V., & Amelina, E. A. (2004). Kolloidnaya khimiya. Moscow. (in Russian).
Работа поступила в редакцию 15.08.2020 г.
Принята к публикации 19.08.2020 г.
Ссылка для цитирования:
Раззаков А. Ш., Матназаров А. Р., Латипова М. А., Жапаков А. И. Физико-химические основы выращивания варизонного полупроводникового Sh-xGex твердого раствора из жидкой фазы // Бюллетень науки и практики. 2020. Т. 6. №9. С. 10-17. https://doi.org/10.33619/2414-2948/58/01
Cite as (APA):
Razzakov, A., Matnazarov, A., Latipova, M., & Japakov, A. (2020). Physico-Chemical Bases Cultivation Variable-gap Semiconductor Solid Solution Sh-xGex from the Liquid Phase. Bulletin of Science and Practice, 6(9), 10-17. (in Russian). https://doi.org/10.33619/2414-2948/58/01
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №9. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/2414-2948/58
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НА УКИ/BIOLOGICAL SCIENCES
УДК 582.623.2:57.034 https://doi.org/10.33619/2414-2948/58/02
AGRIS F40
СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ДЛИНЫ МЕЖДОУЗЛИЙ ПОБЕГОВ SALIX DASYCLADOS WIMM. (SALICACEAE MIRB.) НА ФОНЕ СТРЕССА ОТ РАННЕЛЕТНЕЙ ЗАСУХИ
©Афонин А. А., ORCID: 0000-0002-9392-2527, SPIN-код: 6176-0399, д-р с.-х. наук, Брянский государственный университет им. акад. И.Г. Петровского, г. Брянск,
Россия, [email protected]
SEASONAL DYNAMICS OF INTERNODES LENGTH OF THE SHOOTS OF SALIX
DASYCLADOS WIMM. (SALICACEAE MIRB.) AGAINST THE BACKGROUND OF EARLY SUMMER DROUGHT STRESS
©Afonin A., ORCID: 0000-0002-9392-2527, SPIN-code: 6176-0399, Dr. habil., Bryansk State Academician I.G. Petrovski University, Bryansk, Russia, [email protected]
Аннотация. В статье обоснована необходимость изучения влияния гидротермических условий на линейный прирост побегов ивы шерстистопобеговой (Salix dasyclados). Цель: выявление и анализ структуры сезонной динамики длины междоузлий побегов S. dasyclados на фоне кратковременной атмосферной засухи. Объект: модельная инбредно-клоновая популяция S. dasyclados. Материал: растущие и вызревшие однолетние побеги на корнях второго года жизни. Методы исследования: эмпирические методы экспериментальной ботаники, компьютерные технологии анализа данных. Результаты. На фоне смены раннелетней засухи прохладной дождливой погодой годичный прирост наиболее сильных побегов составил 1,3 ... 2,5 м. Средняя длина междоузлий на побеге варьировалась в пределах от 23 до 31 мм. Сезонная динамика длины междоузлий в первом приближении может быть аппроксимирована линейными трендами. Отклонения длины междоузлий от линейных трендов носят нелинейный характер и аппроксимируются уравнениями гармонических колебаний с периодом 96 ... 192 сут. Сила влияния указанных гармоник на сезонную динамику отклонений длины междоузлий от линейных трендов составляет 2 ... 54%. Установлена цикличность сезонной динамики отклонений длины междоузлий от линейных трендов. Выявленная цикличность определяется взаимодействием эндогенных субаннуальных и инфрадианных биоритмов. Субаннуальные биоритмы аппроксимируются гармоническими колебаниями с периодом 48 (64) сут. Вклад указанных биоритмов в общую цикличность составляет 23 . 76%. Многодневные, или инфрадианные биоритмы аппроксимируются гармоническими колебаниями с периодом 19 ... 24 (32) сут. Вклад указанных биоритмов в общую цикличность составляет 3 . 35%. Высокочастотные колебания с периодом 12 .16 сут. носят неупорядоченный характер. Различия между рядами сезонной динамики длины междоузлий определяется различиями между побегами одной раметы, между разными раметами и между разными клонами. Влияние стресса от раннелетней засухи на сезонную динамику длины междоузлий не установлено.
Abstract. The article substantiates the need to study the influence of hydrothermic conditions on the linear growth of shoots of woolly-stemmed willow. Purpose of research: identification and
