Тройные полупроводниковые твёрдые растворы
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра Оптоэлектроники Курсовая РАБОТА по дисциплине «ФХОТИЭиНЭ» Тема: Тройные полупроводниковые твёрдые растворы III‑V
Санкт-Петербург 2021 ЗАДАНИЕ на курсовую работу
Аннотация В данной работе исследуются полупроводниковые твёрдые растворы на основе алмазоподобных соединений элементов III и V групп (In, P, As) и способы описания зависимости свойств этих растворов от их состава. Рассмотрение проводится для периода кристаллической решётки и величин энергетических зазоров EL, EΓ и EX. Так же в задании требуется найти состав раствора, для которого значение энергетического зазора EΓ соответствует длине волны λ = 2,5 мкм и оценить согласование материала на основе этого раствора с подложкой InAs. Summary In this paper, semiconductor solid solutions based on diamond-like compounds of elements of groups III and V (In, P, As) and methods for describing the dependence of the properties of these solutions on their composition are investigated. The consideration is carried out for the crystal lattice period and the values of the energy gaps EL, EY and EX. Also in the task it is required to find the composition of the solution for which the value of the energy gap EY corresponds to the wavelength λ = 2.5 microns and evaluate the alignment of the material based on this solution with the InAs substrate. СодержаниеВведение 5
ВведениеЦель работы: изучение полупроводниковых твёрдых растворов на основе бинарных соединений III-V на примере тройных систем. Основные задачи: – написать химическую формулу твёрдого раствора, который образуется на основе элементов (In, P, As) - написать выражения, описывающие зависимость от состава для периода кристаллической решётки a и величин энергетических зазоров EL, EΓ и EX; - изобразить графически зависимости периода решётки a и энергетических зазоров EL, EΓ и EX от состава; - рассчитать состав твёрдого раствора, для которого EΓ соответствует длине волны λ = 2,5 мкм - для данного состава – определить, является ли материал прямозонным; - оценить величину несоответствия периода решётки активного слоя и подложки; Методы решения: описываем, какой твёрдый раствор может образоваться на основе химических элементов, представленных в задании записываем наше вещество по правилам записи химической формулы раствора строим зависимость периода кристаллической решётки от состава по параметрам, данным в справочных данных строим зависимость величин энергетических зазоров EL, EΓ и EX от состава Находим состав раствора с требуемым параметром проводим оценку согласования материала с подложкой 1. Описание твердого раствора. Раствор - гомогенная система, которая состоит из нескольких компонентов. Растворы можно разделить на жидкие и твёрдые. На основе химических элементов, представленных в задании, то есть In, P, As может быть образован твердый раствор арсенид фосфора-индия (InPAs). Химическая формула твёрдого раствора, записанная по правилам записи химической формулы раствора: InPxAs1-x Здесь параметр x принимает значения от 0 до 1 и показывает относительное количество атомов фосфора и мышьяка в соединении. При x=0 формула отвечает арсениду индия (InAs), при x=1 — фосфиду индия (InP). 2. Построение зависимостей свойств от состава. 2.1. Зависимость периода кристаллической решётки от состава. Для тройных твердых растворов зависимость периода кристаллической решетки от состава подчиняется правилу Вегарда. При введении независимой переменной для мольных индексов InPxAs1-x , то с учетом того что xInAs =1-x, xInP =x, можно перейти к такой зависимости: a(x) = aInP∙x + aInAs∙(1-x) гдеaInP и aInAs периоды решётки соединений InP и InAs соответствено. Выпишем параметры, которые будут использованы в расчете – периоды решетки соединений, входящих в раствор: aInP =5.8697 Å aInAs∙ = 6.0583 Å  Рис. 1. Зависимость периода решетки от состава для раствора InPxAs1-x 2.2. Зависимость величин энергетических зазоров EL, EΓ и EX от состава. Данные, по которым будем рассчитывать эти величины в буквенном виде - InPxAs1-x Энергетические зазоры соединений, входящих в раствор: Для InP: EL= 1.94 эВ, EΓ=1.353 эВ, EX=2.27 эВ Для InAs: EL=1.07 эВ, EΓ=0.353 эВ, EX=1.37 эВ Параметры нелинейности для тройных систем: cL=0.27 эВ, cГ=0.10 эВ, cX=0.27 эВ Выражение для расчета зависимости:   Рис. 2. Зависимость величины энергетических зазоров от состава для раствора InPxAs1-x. 3. Нахождение состава раствора с требуемым параметром 3.1. Требуемый параметр Найдем энергию излучения фотона на длине волны  по формуле: Найдем состав твердого раствора, который излучает на данной длине волны. Так как излучательным переходам соответствует энергетический зазор  , то нужно приравнять энергию фотона  к энергии и найти какой состав соответствует этому значению. Подставим числовые значения в формулу:  Получили квадратное уравнение, решив которое находим 2 значения x: x1=0,156179, x2= - 9,15618 x2= - 9,15618 для нашей ситуации не подходит, так как значение  может находиться в пределах от 0 до 1. Следовательно, х=0,156179.Получается, что твердый раствор InPAs излучает на длине волны 2,5 мкм при следующем составе: InP0,156As0,844 3.2. Оценка согласования материала с подложкой Проверим наш твёрдый раствор (InPxAs1-x) на согласование с подложкой (InAs) Рассчитываем период решётки состава InP0,156As0,844: af = aInP∙x + aInAs∙(1-x) = 5.8697∙0,156179+6.0583∙(1-0,156179)= 6,02884Å Период решётки (InAs) aInAs = 6.0583 Å Рассчитываем несоответствие периодов решёток (НПР):   Полученное значение НПР больше удовлетворительного условия стыковки  , что означает трудноосуществимость совмещения соединения InP0,156As0,844 с подложкой InAs.заключение На основе химических элементов, представленных в задании, то есть In, P, As может быть образован твердый раствор арсенид фосфора-индия InPxAs1-x . По этому веществу были построены зависимость периода кристаллической решётки от состава (рис.1) и зависимость величин энергетических зазоров EL, EΓ и EX от состава (рис.2). На графике зависимости величин энергетических зазоров EL, EΓ и EX от состава видно, что пересечения между разными энергетическими зазорами отсутствуют. Так как EΓ =min(EL, EΓ, EX) во всем диапазоне составов, то и материал у нас прямозонный на всей прямой состава раствора. Также найден состав твёрдого раствора - InP0,156As0,844, для которого величина энергетического зазора EГ соответствует длине волны из задания: λ =2,5 мкм. Делаем вывод, что при такой длине волны на основе полученного раствора возможно излучение с данной длиной волны. Относительное НПР в нашем случае равно: f=4,86·10-3. Так как у нас  , то есть имеют место небольшие значения. Связь между данными веществами будет мало реализуема на практике. Таким образом осуществима удовлетворительная стыковка, на стыке будут присутствовать кристаллические дефекты в виде пропущенных химических связей (дефекты несоответствия), качество гетерограницы между подложкой и слоем приемлемого уровня.список использованных источников 1. I. Vurgaftman, J. R. Meyer and L. R. Ram-Mohan. Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys. J. Appl. Phys. 2001 v 89-11 p. 5815-5875. 2. Тарасов С. А., Пихтин А. Н. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Учеб. Пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008, 96 с. 3. https://translate.yandex.ru/?lang=en-ru 4.file:///C:/Users/ermol/Downloads/ФХОТИЭиНЭ%20Тема%207%20-%20Полупроводниковые%20твёрдые%20растворы%20на%20основе%20бинарных%20соединений%20AB.pdf | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||