РОЗДІЛ 2
МОДЕЛЮВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ВИРОЩУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МІКРОКРИСТАЛІВ InAs
Моделювання фізико-хімічних процесів, що відбуваються при вирощуванні напівпровідникових кристалів за допомогою газотранспортних реакцій, допомагає швидко та якісно вирішити питання оптимізації технологічних умов вирощування та одержання кристалів з необхідними електрофізичними параметрами та геометрією.
Вихідними засадами моделювання цих процесів є термодинамічний аналіз складу газової фази хімічних сполук, які утворюються в результаті хімічної взаємодії напівпровідникових матеріалів з транспортним реагентом.
Одержання рівноважних характеристик комплексу хімічних реакцій, які складають основу технологічного процесу одержання напівпровідникових матеріалів з газової фази, дозволяє зробити висновки про найбільш важливі особливості даного процесу, тобто: про характер впливу окремих реакцій на сумарний процес, визначення ведучих стадій та реакцій даного процесу, обгрунованість нехтування окремими реакціями та компонентами, направленість реакцій в залежності від зовнішніх умов та інше.
Для вирішення поставленої в даній дисертаційній роботі задачі моделювання фізико-хімічних процесів вирощування напівпровідникових мікрокристалів InAs
Розрахунок констант рівноваги реакцій, що протікають в системі, проводили за рівнянням [45]:
,(2.1)де - газова стала; - температура; - ізотермічний потенціал реакції, який в загальному випадку може бути визначений за формулою:
,(2.2)де - сумарна ентальпія реакції при температурі 298 К; - сумарна ентропія реакції при температурі 298 К; - сумарна теплоємність реакції при температурі 298 К.
При умові , інтегруванням рівняння 2.2 можна отримати вираз:
.(2.3) Основними результатами термодинамічного аналізу є дані про рівноважні парціальні тиски компонентів при заданих температурах, які визначають стан системи. В якості таких параметрів використовуються температура, об'єм, загальний тиск, початкові та рівноважні концентрації компонентів. Мінімальна кількість параметрів для термодинамічного однозначного визначення рівноважної системи визначається за допомогою правил фаз Гіббса [45].
(2.4)де - кількість ступенів свободи (кількість незалежних параметрів) системи; - кількість незалежних компонентів, яке дорівнює кількості атомів (або атомних груп), з яких складається система; - кількість фаз.
Кількість незалежних реакцій (), які повністю описують систему визначається як різниця між кількістю компонентів () та кількістю незалежних параметрів ():
.(2.5) Рівняння матеріального балансу разом з рівнянням рівноваги утворюють систему рівнянь:
(2.6)2.1 Розрахунок складу газової фази системи InAs - Sn - HCl
Використання хлоридної системи для вирощування ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію має ряд переваг в порівнянні з йодидною. На відміну від йодидів індію, хлориди індію в робочому інтервалі температур (600?950) К завжди будуть перебувати в паровій фазі, що дає можливість при заданій температурі зони кристалізації контролювати загальний тиск в системі кількістю введеного газоподібного HCl в реактор. Використання саме хлористого водню є доцільним з точки зору простоти регулювання загального тиску в ампулі залишковим молекулярним H2. Крім того, атомарний водень, який утворюється на початкових стадіях процесу, вступає в реакцію з залишками плівок окислу на матеріалі і, таким чином, сприяє очищенню його, підвищенню ефективності подальшої взаємодії вихідного матеріалу з атомарним хлором та утворенню хлоридів індію.
Розрахунок парціальних тисків компонентів газової фази системи InAs-Sn-HCl проводився при різній початковій кількості завантаженого в ампульний реактор хлористого водню. Оскільки HCl за нормальних умов перебуває в газоподібному стані, то контроль кількості завантаженого газу проводився за тиском, створеним HCl в замкненому об'ємі. Розрахунок проводився в інтервалі температур (600?950) К.
Для проведення розрахунків були розглянуті всі можливі реакції взаємодії InAs та Sn з HCl.
Розрахунки констант хімічної рівноваги всіх можливих реакцій для даної системи проводились з використанням довідникових даних величин ентальпії, ентропії та питомої теплоємності компонентів [45], які представлені в таблиці 2.1.
Термодинамічні дані основних компонентів системи InAs-HCl
РечовинаСтанТпер?H0298
(кДж/моль)?S0298
(Дж/моль·град)?C0p
(Дж/моль·град)?Hпер
(кДж/моль)InAsтв1215 -61,9 66,5 23,7 -60,3р -589,0 75,8 66,9InClтв 498 -186,7 100,0 51,1 -12,6р -174,1 147,3 60,7г 881 -75,3 258,1 36,0 -88,8InCl2тв 508 -363,4 134,0 69,5 -14,7р -348,8 96,3г 758 -222,1 311,9 54,1 -92,1InCl3тв 771 -537,6 193,0 80,9-158,3г -36,5 338,9 77,3HClг -92,3 186,7 29,1As2г 222,2 239,3 37,7As4г 143,9 313,8 18,5AsCl3р 395 -299,4 233,6 133,6 -31,4г 268,0 313,1 82,2Snтв 505 -301,5 51,5 26,3 -7,1р -294,2 65,5 30,5SnCl2тв 520 -350,0 142,0 67,9 -12,7р -337,3 166,4 105,0г 925 -254,4 256,0 62,8 -82,9SnCl4р 386 -533,4 259,6 -34,9г -489,1 364,8 98,3H2г 0 130,6 28,8
За літературними даними [45,46] відомо, що результатом взаємодії арсеніду індію з хлористим воднем є можливість утворення трьох хлоридів індію InCl, InCl2, InCl3 за реакціями 2.7 - 2.12:
2InAs(тв.) + 2HCl(г) - 2InCl(г) +1/2As4(г) +H2(г)
- Киев+380960830922