Ausarbeitung der apparativ-technologischen Austattung des technologischen Prozesses zur Darstellung fünfkomponentiger Heterostrukturen

Diplomarbeit von Lyonel Ehrl

Zusammenfassung:

Es wurde ein thermodynamisches Modell zur Berechnung des Phasengleichgewichts fünfkomponentiger Systeme des Typs Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z) auf dem Substrat GaP erarbeitet, unter Berücksichtigung der elastischen Spannungen an der Phasengrenze zwischen der festen Lösung und der assoziierten flüssigen Schmelze. Gemäß dem Modell wurde eine theoretische Berechnung des Systems mit einem eigens dafür entwickelten Programms durchgeführt. Es wurden die Bedingungen für die Darstellung der Heterostruktur Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z)/GaP mittels Flüssigphasenepitaxie im Feld eines Temperaturgradienten (FPETG) bzw. Zonenschmelzen im Feld eines Temperaturgradienten (ZSTG) ermittelt und das dafür notwendige thermische Prozessregime bestimmt. Im Zuge der Versuchsdurchführungen entschloss man sich zur Anfertigung einer neuen Kassette. Eine Kolbenkonstruktion mit den Vorteilen der Möglichkeit einer Entfernung der überschüssigen Schmelze während des Prozesses, besserer und bequemerer Regelung der Dicke der flüssigen Phase, dünnerer Bauweise und ökonomischerer Verwendung der Beschickung im Vergleich zur Kassette alter Bauweise. Mit der neuen Kassette erhielt man homogene epitaxiale Schichten aus mit Indium angereicherten fünfkomponentigen Schmelzen Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z) auf dem Substrat GaP. Dicke und Eigenschaften der Schichten wurden noch nicht vermessen. Zusätzlich wurde ein Diffusionsmodell für das fünfkomponentige System Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z) vorgeschlagen, welches es ermöglicht die Konzentrationsprofile entlang der Wachstumsrichtung der epitaxialen Schicht und die Wachstumsgeschwindigkeit zu berechnen.

Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der Möglichkeiten und Bedingungen der Darstellung fünfkomponentiger Heterostrukturen Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z)/GaP mit vorgegebener Konzentration der epitaxialen Schicht aus mit Indium angereicherten Schmelzen im Feld eines Temperaturgradienten. Diese können Anwendung finden als Lichtdioden im gelb-grünen Bereich des sichtbaren Spektrums in Instrumenten optischer Kommunikationssysteme und CD-Playern. Für die Realisierung des dargelegten Ziels hat man sich für folgende Teilaufgaben entschlossen:

- Erschließen der physiko-chemischen Grundlagen des Zonenschmelzens im Feld eines Temperaturgradienten.

- Berechnung und Analyse des Phasengleichgewichts der Heterostruktur Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z)/GaP.

- Apparativ-methodische Ausarbeitung des Prozesses zur Bildung der Heterostruktur Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z)/GaP; im speziellen:

- Erarbeiten des thermischen Prozessregimes für die Bildung der Heterostruktur Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z)/GaP.

- mögliche konstruktive Änderungen und Ergänzungen zur Verbesserung einzelner Prozessabschnitte.

Aktuelle wissenschaftliche Aspekte der Arbeit:

Ausarbeitung eines Programms zur Berechnung des Phasengleichgewichts des fünfkomponentigen Systems Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z) auf dem Substrat GaP, unter Berücksichtigung der elastischen Spannungen an der Phasengrenze zwischen fester Lösung und der assoziierten flüssigen Phase, basierend auf dem Modell von Losowskiji und Lunin.

Darstellung fünfkomponentiger Heterostrukturen Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z)/GaP.

Zusätzlich wird ein Diffusionsmodell für das fünfkomponentige System Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z) zur Berechnung der Konzentrationsprofile entlang der Wachstumsrichtung der epitaxialen Schicht und der Wachstumsgeschwindigkeit vorgeschlagen.

Praktische Resultate:

Mit Hilfe des speziell für diesen Zweck entwickelten Programms Five (% A.1) wurde eine Berechnung des in der Halbleiterheterostruktur Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z)/GaP auftretenden Phasengleichgewichts durchgeführt, unter Berücksichtigung der elastischen Spannungen an der Phasengrenze zwischen fester Lösung und der assoziierten flüssigen Phase.

Es wurden die zur Darstellung dieser Heterostruktur mittels Flüssigphasenepitaxie im Feld eines Temperaturgradienten (FPETG) nötigen Bedingungen bestimmt und das thermische Regime des Prozesses aufgestellt.

Es wurden homogene epitaxiale Schichten aus mit Indium angereicherten fünfkomponentigen Schmelzen Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z) auf dem Substrat GaP hergestellt. Dicke und Eigenschaften der Schichten wurden noch nicht vermessen. Die erhaltenen Muster wurden zur Vermessung nach Stawropol geschickt.

Im Zuge der konstruktiven Änderungen und der Entwicklung neuer Einrichtungen wurde eine neue Grafitkassette gebaut. Es handelt sich dabei um ein Kolbenkonstruktion mit den Vorteilen der Möglichkeit einer Entfernung der überschüssigen Schmelze während des Prozesses, besserer und bequemerer Regelung der Dicke der flüssigen Phase, dünnerer Bauweise und ökonomischerer Verwendung der Beschickung im Vergleich zur Kassette alter Bauweise.

Gang der Untersuchung:

Vorliegende Arbeit besteht aus einer Zusammenfassung, einem Vorwort zur deutschen Ausgabe, einer Einführung und fünf Kapiteln, Anhängen, einer Nomenklatur, Auflistung der verwendeten Abkürzungen, der Tabellen und der Abbildungen, sowie Bibliografie. Sie besteht aus 124 maschinengeschriebenen Seiten, 34 Abbildungen im Hauptteil, 12 im Anhang, 10 Tabellen im Hauptteil, 1 im Anhang. Die Bibliografie weist 71 Verweise auf.

Erstes Kapitel: Physiko-chemische Grundlagen des Zonenschmelzens im Feld eines Temperaturgradienten.

Zweites Kapitel: Darstellung der Berechnung des Phasengleichgewichts in fünfkomponentigen Systemen gemäß der Erweiterung der Modelle von Onabe und Illegems und Panish durch Losowskiji und Lunin.

Drittes Kapitel: Beschreibung der Anlage zur Züchtung mehrkomponentiger Heterostrukturen im Feld eines Temperaturgradienten, der apparativ-technologischen Aspekte ihrer Darstellung und des Prozessregimes und der konstruktiven Änderungen und Erweiterungen.

Viertes Kapitel: Betrachtung der erhaltenen Heterostrukturen und Zusammenfassung der experimentellen Resultate.

Fünftes Kapitel: Mathematische Beschreibung der Konzentrationsprofile und Berechnung der Wachstumsgeschwindigkeit der Schichten im System Al(x)In(y)Ga(1-x-y)As(z)P(1-z)/GaP, basierend auf einem Diffusionsmodell.

Anhang: Dokumentation der verwendeten Programme, Auflistung der verwendeten chemischen Stoffe und ihrer Eigenschaften, Inhalt der beigefügten CD.

Keywords: Flüssigphasenepitaxie (FPE) bzw. Liquid Phase Epitaxy (LPE); Zonenschmelzen; Temperaturgradient; A3B5-Verbindungen; Leuchtdioden bzw. Light Emitting Diodes (LED).

Inhaltsverzeichnis:

	Vorwort zur deutschen Ausgabe	5
	Einleitung	7
	Mehrkomponentige AIIIBV-Verbindungen in der Optoelektronik	7
	Lichtdioden im sichtbaren, gelb-grünen Strahlungsbereich	9
	Beschreibung der Diplomarbeit	10
1.	Physiko-chemische Grundlagen des ZSTG	14
1.1	Grundlegender Mechanismus des ZSTG	14
1.1.1	Wanderungsgeschwindigkeit der flüssigen Zone	14
1.1.2	Prozesswiderstände und –regime	16
1.2	Faktoren, welche die Wachstumsgeschwindigkeit des ZSTG beeinflussen	18
1.2.1	Einfluss der Grenzflächenkinetik	19
1.2.2	Näherungsgleichung des ZSTG	21
1.2.3	Abhängigkeit von der Dicke der flüssigen Zone	24
1.2.4	Abhängigkeit von Temperaturbedingungen	25
1.2.5	Abhängigkeit von der Zonenzusammensetzung	27
1.3	ZSTG als Methode physiko-chemischer Untersuchungen	32
2.	Phasengleichgewichte in fünfkomponentigen Systemen	34
2.1	Allgemeine Bemerkungen	34
2.2	Berechnung der Freien Energie FFL der Zusammensetzung AIIIBV	35
2.2.1	Berechnung der Bindungszahl erster und zweiter Koordinationssphäre	37
2.2.2	Freie Energie durch die Näherung paarweiser Wechselwirkungen	42
2.2.3	Berechnung der Inneren Energie	43
2.2.4	Berechnung des Entartungsgrades und der Mischungsentropie	45
2.2.5	Freie Energie fünfkomponentiger Systeme	46
2.2.6	Verteilung der nächstbenachbarten Paare	48
2.3	Phasengleichgewichte in fünfkomponentigen Systemen	50
2.3.1	Grundlegende Wechselbeziehungen in Phasengleichgewichten	50
2.3.2	Berücksichtigung der elastischen Spannungen an der Heterogrenze	52
2.3.3	Modell nach Illegems und Panish	54
2.3.4	Thermodynamische Analyse der Stabilität FFL	58
3.	Ausstattung und Prozessregime	63
3.1	Heizvorrichtung für das Einstellen des Temperaturgradienten	65
3.2	Thermoelemente	65
3.3	Kassetten drehenden Typs	67
3.4	Prozessregime	70
3.5	Ein- und Ableiten der Prozessgase	70
3.6	Technische Charakteristika der Anlage zur FPETG	70
3.7	Steuerung des Temperaturfelds	70
3.8	Temperaturregime	72
3.9	Konstruktive Änderungen und neue Vorrichtungen	72
3.9.1	Neue Grafitkassette	72
3.9.2	Vorrichtung zur Vorbereitung der Substratscheiben	75
4	Versuchsdurchführung und erhaltene Heterostrukturen	81
5	Diffusionsmodell für fünfkomponentige Systeme	88
5.1	Instationäre Diffusion bei wandernder Phasengrenze	89
5.2	Anfangs- und Randbedingungen	89
5.3	Suche der Molbruchdifferenzen aufgrund Abkühlens	93
5.4	Lösung mittels der Methode finiter Elemente	94
A.	Verwendete Programme	95
A.1	Programm Five	95
A.2	Phasengleichgewichtsbetrachter - Programm Fiequil	95
A.3	Betrachtung gemäß dem Gesetz nach Vegard	103
B.	Verwendete Stoffe	108
C.	Beigelegte CD	109
	Nomenklatur	110
	Abkürzungsverzeichnis	117
	Tabellenverzeichnis	118
	Abbildungsverzeichnis	120
	Literaturverzeichnis	121