Физико-технологические основы ионообменных процессов в кристаллах полупроводников и сегнетоэлектриков для исследования свойств материалов и целей интегральной оптоэлектроники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук Федоров, Вячеслав Александрович

• Федоров, Вячеслав Александрович
• доктор физико-математических наук
• 1996

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Федоров, Вячеслав Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. МЕТОД ИОННОГО ОБМЕНА - ИСТОРИЯ, ОСНОВЫ, СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ.

1.1. История ионного обмена.

1.2. Основы ионообменной технологии.

1.2.1. Ионообменное равновесие.

1.2.2. Ионообменная диффузия.

1.3. Ионообменная технология интегральной оптики.

1.3.1. Оптические волноводы.

1.3.2. Базовые материалы интегральной оптики и основные методы создания волноводных структур.

1.3.3. Ионообменные световоды в стеклах.

1.3.4. Ионообменные процессы в монокристаллах.

1.4. Этапы разработки технологии ионного обмена в кристаллах . 60 Выводы к главе 1.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технологические основы ионообменных процессов в кристаллах полупроводников и сегнетоэлектриков для исследования свойств материалов и целей интегральной оптоэлектроники»

Современная история ионного обмена насчитывает уже более ста лет, в течение которых ионообменные процессы в различных средах и материалах нашли разнообразные как практические, так и научные приложения во многих областях науки и техники. В оптоэлектронике ионный обмен нашел широкое применение прежде всего как эффективный метод формирования слабопоглощающих градиентных волоконных световодов, а также планарных и канальных световодов в стеклах. Ионообменные световоды в подложках различных стекол являются наиболее перспективными структурами для создания различных интегрально-оптических элементов и устройств.

В результате предыдущих работ в области ионообменных процессов в стеклах и ионных кристаллах достигнуты значительные результаты, которые можно сформулировать следующим образом : ионный обмен можно считать сложившимся универсальным методом технологии интегральной оптоэлектроники. Важнейшими достоинствами и преимуществами ионообменной технологии, открывающими широкие перспективы ее эффективного использования в различных объектах, и прежде всего в монокристаллах, являются : проведение ионообменных процессов при низких температурах и атмосферном давлении; низкая стоимость и доступность технологического оборудования; простота технологических операций; относительная безопасность; высокая интенсивность процессов и возможность создания на основе ионообменных структур высокоэффективных интегрально-оптических устройств, таких как планарные линзы, поляризаторы, модуляторы, дефлекторы, интерферометры, спектроана-лизаторы, твердотельные лазеры и различные нелинейно-оптические элементы.

Однако, до последнего времени многие вопросы использования монокристаллов в качестве ионообменных сред оставались недостаточно изученными, что значительно сдерживало их широкое применение. Как правило, все проведенные многочисленные исследования касались либо физических свойств получаемых световодов, либо параметров ионообменного диффузионного процесса. Физико-технологические основы ионообменных процессов в кристаллах были недостаточно развитыми, что ограничивало возможности как разработки и моделирования новых, так и использования на практике известных ионообменных процессов.

Так, на современном этапе наибольшее распространение получили протонообменные процессы формирования структур для создания гибридных интегрально-оптических элементов на основе сегнето-электрических кристаллов ниобата и танталата лития. Возможности формирования методами протонного обмена высокопреломляющих световодов в кристаллах ниобата лития, а также световодов в кристаллах танталата лития без необходимости последующей моно-доменизации пластин (процессы протекают при температурах ниже точки Кюри) привлекли внимание большого числа технологов и разработчиков интегрально-оптических схем. При этом поиск оптимальных условий процессов формирования световодов осуществлялся многими исследователями на основе определения взаимосвязи между технологическими условиями и оптическими свойствами протонообменных слоев. Однако, часто оказывается, что варьирование в широких пределах параметрами протонного обмена не влияет существенно на приращения и профили показателей преломления, в то время как остальные физические свойства световодов, такие как коэффициент оптических потерь, электро- и нелинейно-оптические коэффициенты, стабильность и ряд других, меняются значительно. При этом возникающие недоразумения по поводу того, что волноводы с практически одинаковыми профилями распределения показателей преломления по глубине характеризуются различными оптико-физическими свойствами относят, как правило, к невоспроизводимости процесса протонного обмена. Для объяснения этих и других закономерностей и особенностей ионообменных процессов и обеспечения возможности создания ионообменных структур, обладающих заданными свойствами, необходима разработка комплексного подхода, включающего проведение исследований кристаллической структуры и ее взаимосвязи с оптическими свойствами формируемых ионообменных слоев твердых растворов.

Так как образующиеся при ионном обмене в монокристаллах (или другом методе формирования) твердые растворы замещения существуют в виде тонких напряженных поверхностных слоев, важное как научное, так и практическое значение имеет разработка неразрушающего метода определения параметров решетки, тензоров деформации (в общем случае тензора дисторсии) и напряжений в упруго-напряженных слоях. До настоящего времени задача определения деформаций в эпитаксиальных слоях была решена только для кубических структур, при этом или без учета анизотропии упругих свойств или в предположении отсутствия сдвиговых деформаций.

Очевидно, что деформированное и напряженное состояния в ионообменных структурах зависит от ориентации подложки, и поэтому важной задачей является определение фундаментальных структурных и оптических характеристик этих твердых растворов, соответствующих их ненапряженному состоянию. Важное научное и прикладное значение имеет также разработка метода определения фундаментальных структурно-физических параметров равновесных твердых растворов, которые могут существовать или могут быть исследованы только в виде неравновесных поверхностных слоев. Неравновесная упруго-напряженная структура в этом случае определяется стабилизирующим влиянием подложки. Для прогнозирования свойств формируемых поверхностных слоев (эпитаксиальных, ионообменных и т.д.) важно получить уравнения связи структурно-физических параметров неравновесных поверхностных слоев и соответствующих равновесных соединений или твердых растворов.

Так как диэлектрические материалы не позволяют реализовывать оптические интегральные схемы (ОИС) на единой подложке, поскольку на их основе невозможно создание планарных излучателей и фотоприемников, перспективной является возможность создания ОИС на основе полупроводниковых материалов, с высокими значениями акусто- и электрооптических, фотоупругих и фотоэлектрических коэффициентов, обладающие широким интервалом изменения ширины запрещенной зоны, уровня проводимости и значений показателя преломления. Этим требованиям в достаточной степени удовлетворяют соединения класса А2В6. В последнее время все больший интерес проявляется к их использованию и в устройствах интегральной оптики. Однако, известные технологические процессы получения поверхностных структур в кристаллах этих соединений (эпитаксия, диффузия) не в полной мере удовлетворяют современным требованиям.

Поэтому разработка и исследование надежной, научно обоснованной технологии формирования элементов интегральной оптоэлектрони-ки в соединениях А2В6 является актуальной задачей. Такой технологией при создании надлежащих научных основ процесса может стать ионообменная технология.

Кроме наиболее известного практического применения в качестве одной из перспективных технологий оптоэлектроники, ионный обмен может быть с успехом использован как эффективный метод исследования свойств материалов, могущий дать важную научную информацию, не доступную для получения другими методами. Известно, что данные об ионообменном равновесии успешно используются для определения некоторых важных свойств, например, типа формируемого твердого раствора, энергии взаимообмена катионов и области фазового разделения в стеклах. Из анализа экспериментальных ионообменных диффузионных профилей могут быть рассчитаны коэффициенты само диффузии обменивающихся ионов. Очевидно, что в приложении к новым объектам, кристаллам сегнетоэлектриков и полупроводников А2В6, исследование ионообменных процессов при разработке необходимых методов расчета является перспективным и актуальным для получения новой научной информации о различных фундаментальных свойствах материалов, важной при разработке новых и развитии традиционных методов роста кристаллов и получения тонких кристаллических слоев.

Целью диссертационной работы является развитие нового перспективного направления, связанного с разработкой физико-технологических основ процессов ионного обмена в различных кристаллах полупроводников и сегнетоэлектриков, и в рамках этого направления:

- разработка, изучение, моделирование и практическое применение процессов ионного обмена в кристаллах сегнетоэлектриков ЬПЧЮз и ЬГГаОз и полупроводниковых соединений А2В6 для формирования элементов интегральной оптоэлектроники на основе предложенного комплекса физико-химических и оптико-физических исследований свойств ионообменных слоев;

- развитие возможностей применения ионообменного метода как эффективного метода исследования фундаментальных свойств материалов,

- разработка новых методов расчета деформированного и упруго-напряженного состояний в поверхностных структурах, разработка метода определения фундаментальных структурно-фазовых параметров неравновесных упруго-напряженных поверхностных слоев.

Основные задачи, определяемые целями работы :

- разработка и реализация комплекса оптико-физических и физико-химических исследований свойств и параметров формируемых ионообменных монокристаллических слоев на основе разработанных методов расчета;

- разработка нового метода расчета всех компонент тензора дисторсии в поверхностных структурах произвольной сингонии по данным двухкристальной рентгеновской дифрактометрии;

- разработка метода определения фундаментальных структурно-фазовых параметров (параметры кристаллической решетки, показатели преломления) неравновесных упруго-напряженных поверхностных слоев, соответствующих их ненапряженному состоянию;

- полное структурно-фазовое и оптическое описание (построение структурно-фазовых диаграмм, определение взаимозависимостей показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей и параметров кристаллической решетки) ненапряженных ионообменных твердых растворов Нх1л1-хМЬОз, Нх1л1-хТаОз и 2пх/2Ы1-х[ ]х/гТаОз на основе разработанных методов расчета.

- разработка новых ионообменных процессов формирования структур интегральной оптоэлектроники с комплексом необходимых свойств на подложках кристаллов А2В6 и сегнетоэлектриков 1л№Юз и 1лТаОз;

- разработка методик определения фундаментальных термодинамических и диффузионно-кинетических характеристик материалов на основе результатов исследования ионообменных процессов в кристаллах;

- разработка физико-математической модели ионного обмена в монокристаллах, учитывающей влияние возникающих упругих напряжений на гетерогенное ионообменное равновесие и последующую диффузию, и применение ее для описания ионообменных процессов.

- 15

Научная новизна диссертационной работы :

1. Предложен, разработан и реализован комплексный подход к исследованию напряженных ионообменных структур на поверхности монокристаллов ниобата и танталата лития для научного прогнозирования свойств интегрально-оптических элементов на их основе. Подход основан на систематическом исследовании как оптических, так и структурных свойств волноводов в кристаллах сегнетоэлектриков. Показано, что формируемые ионообменные топотаксиальные слои характеризуются когерентным сопряжением с подложкой (отсутствием деформаций в поверхностной плоскости). На основе разработанных методов формирования и расчета дано полное структурно-фазовое описание систем НТаОз - 1лТаОз и НЫЬОз - ПМЮз, широко используемых в интегральной оптике. Впервые идентифицированы различные кристаллические фазы, реализуемые в протонообменных световодах на различных срезах ЫКЬОз и 1лТаОз в зависимости от условий обмена и отжига. Определены взаимозависимости параметров решетки и их зависимости от показателя преломления в различных фазах этих систем. Предложена методика для определения отрицательных изменений показателя преломления обыкновенного луча в протонообменных волноводах, основанная на параллельном исследовании процессов обратного обмена и отжига. Впервые построены зависимости между приращениями показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в различных Нх1л1-х1ЧЬОз и НхЬн-хТаОз фазах, реализуемых в протонообменных световодах. На основе полученных зависимостей в рамках полуколичественной модели изменения показателя преломления в сегнетоэлектрических материалах рассчитаны зависимости между приращениями показателей преломления и концентрацией протонов в Н:1л№>(Та)Оз световодах.

Знание структурно-фазовых диаграмм монокристаллических твердых растворов, а также зависимости приращений показателей преломления необыкновенного и необыкновенного лучей во всех фазах позволяет научно выбирать оптимальные технологические режимы формирования ионообменных структур для создания интегрально-оптических элементов с требуемыми свойствами.

2. На основе обнаруженного структурно-фазового многообразия и полученных зависимостей оптических и структурных свойств напряженных слоев протонообменных твердых растворов объяснены различные закономерности (главная из которых : возможность существования различных волноводных структур с одинаковым приращением показателя преломления, но различными, иногда значительно, структурными и, соответственно, другими физическими (электро-, акусто,- и нелинейно-оптическими) свойствами) и известные и обнаруженные особенности протонного обмена в кристаллах ЫЫЬОз и ЫТаОз, такие как аномальное увеличение показателя преломления при отжиге; возбуждение мод обыкновенной поляризации, аномальное затухание и деполяризованное рассеяние излучения, разориентация оптических осей обменного слоя и подложки, распространение гибридных мод в протонообменных световодах в 1л]ЧЬОз; явление "самозавершаемости" протонного обмена в танталате лития и др. Таким образом, получены новые знания, которые закрывают многие вопросы технологии интегральной оптики, ранее связывавшиеся с невоспроизводимостью протонного обмена. В действительности, многие из этих вопросов связаны с обнаруженными структурно-фазовыми переходами в протонообменных световодах в кристаллах ниобата и танталата лития.

Представлено термодинамическое описание фазовых равновесий в упруго-напряженных структурах. Показано, что упругие напряжения, возникающие в ионообменных слоях, играют важную роль в фазовых равновесиях. Рассмотрено влияние напряжений на стабильность двухфазной области и стабилизацию в напряженных слоях фаз, отсутствующих или нестабильных в равновесной диаграмме состояния. Дано качественное объяснение наблюдаемым различиям между равновесной диаграммой состояния протонообменного ниобата лития, построенной исследованием протонообменных порошков, и структурно-фазовой диаграммой, полученной нами в напряженных монокристаллических слоях Нх1л1-х]ЧЬОз . Изучена термодинамика существования различных фаз НхЬЬ-хТаОз. Установлено, что границы существования фаз зависят от ориентации пластины и определяются только значением мольной упругой энергии в напряженных протонообменных слоях.

Подробно изучен фотоупругий эффект в ионообменных световодах. Показано, что возникающие напряжения могут оказывать различное влияние на оптические свойства волноводных слоев в зависимости от ориентации подложки. Так, в общем случае (включая структуры на X-иУ-срезах) несоответствия параметров кристаллической решетки между ионообменным слоем и подложкой вызывают двухосность и возникновение недиагональных элементов в тензоре диэлектрической проницаемости, которые могут вызывать разориентацию оптических осей волноводного слоя и подложки.

3. Разработан новый метод расчета деформированного состояния в поверхностных структурах произвольной сингонии на основе экспериментальных данных двухкристальной рентгеновской дифрактометрии. Впервые показана возможность определения всех шести компонент тензора деформации и, в общем случае, всех трех компонент тензора вращений. В общем виде получены соотношения между компонентами тензора деформации и изменениями кристаллографических параметров кристаллов.

4. Разработан метод определения фундаментальных структурно-фазовых параметров (параметры кристаллической решетки, показатели преломления) неравновесных упруго-напряженных поверхностных слоев, соответствующих их ненапряженному состоянию. Получены уравнения связи структурно-физических параметров упруго-деформированных неравновесных поверхностных слоев и соответствующих ненапряженных равновесных соединений и твердых растворов. Получены уравнения связи между экспериментально определяемыми компонентами тензора деформации в структурах на специально подобранных кристаллических срезах ниобата и танталата лития и параметрами решетки соответствующих ненапряженных твердых растворов.

5. Разработаны и проведены комплексные физико-технологические исследования новых ионообменных процессов в кристаллах ниобата лития (обратный обмен в отожженных протонообменных световодах) и танталата лития (неизовалентный ионный обмен, двойной ионный обмен и обратный протонный обмен), позволяющих формировать световоды с широким диапазоном оптико-физических параметров.

Предложен и изучен процесс обратного протонного обмена в отожженных протонообменных световодах в кристаллах ниобата лития. Формирование световодов с симметричным ППП методом обратного протонного обмена позволит привести к снижению потерь при стыковке волновода с волокном, и делает перспективной данную технологию для создания интегрально-оптических устройств с малыми потерями.

Разработаны процессы неизовалентного ионного обмена Ме2+ -» 2Li+ в кристаллах 1лТаОз (при температурах ниже точки Кюри) и способы получения качественных Ме:1лТаОз световодов (а<1 дБ/см), поддерживающих распространение мод обеих поляризаций. Изучены закономерности и особенности процессов. Проведены исследования состава, структуры и волноводных свойств получаемых слоев. Разработаны процессы двойного ионного обмена в кристаллах ЬГГаОз, заключающиеся в одновременном протекании ионного обмена Ме2+ -» 2Li+ и Н+ —> Li+. Получаемые световоды характеризуются аномально высоким приращением показателей преломления о- и е-луча (zlwe=0.15, Ап0=ОЛ\) и различным знаком контролируемого двулучепреломления в ионообменных слоях. Изучен механизм процесса и свойства получаемых световодов.

Дано полное структурно-фазовое описание цинк-замещенных нестехиометричных твердых растворов с катионными вакансиями на основе танталата лития Znx/2Lil-x[ ]х/2ТаОз. Обнаружена новая /?-фаза твердых растворов в системе ZnTa206-LiTa0з. Построены взаимозависимости параметров кристаллической решетки и показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей для каждой из фаз.

Обнаруженные возможности ионообменного легирования ЫТаОз редкоземельными элементами после оптимизации технологии могут быть использованы для реализации простых и высокоэффективных волноводных лазеров и оптических усилителей.

Впервые показана возможность протекания процессов обратного протонного обмена в кристаллах танталата лития для изготовления планарных поверхностных планарных световодов, поддерживающих распространение мод обыкновенного луча, и заглубленных световодов, поддерживающих распространение мод необыкновенного луча. Проведены исследования получаемых структур и параметров процесса обратного протонного обмена как в послеобменных, так и в отожженных протонообменных световодах.

Таким образом, показано, что высококачественные оптические волноводы с большим разнообразием свойств могут быть получены методом ионного обмена в ниобате и танталате лития. Полученные результаты свидетельствуют о разработке новых процессов, позволяющих сделать ионообменный метод универсальной технологией формирования интегрально-оптических структур.

6. Показана возможность эффективного применения метода ионного обмена для определения фундаментальных термодинамических и диффузионных параметров соединений и взаимных твердых растворов.

Исследованием ионообменных процессов Сс12+ —» Ъп2+ в системах порошок 2п8е ^п8)-расплав (раствор) солей в температурном интервале 100-ь700°С изучены структурно-фазовые равновесия в субсолидусной области систем ZnSe-CdSe и 2п8-Сс18 и определены равновесные границы существования и сосуществования фаз твердых растворов Сс^П1-х8е (Сс^П1-х8) со структурой сфалерита и вюрцита. Построены и дано полное термодинамическое описание диаграмм состояния систем 2п8е-Сс18е и ZnS-CdS в субсолидусной области. Определена температура структурно-фазового перехода сфалерит-вюрцит в Сс18е. Показано, что твердые растворы Сс^т.х8е и Сс^т-Х8 обоих структурных типов подчиняются закономерностям регулярных растворов. Используя предложенные методики, впервые определены энтальпии структурных фазовых переходов сфалерит-вюрцит в СёБе, 2п8е, Сс18 и ZnS. Получено хорошее совпадение рассчитанных диаграмм состояния с нашими и известными экспериментальными данными.

Построены температурные зависимости коэффициентов самодиффузии ионов цинка в ZnSe, ZnS и кадмия в сфалеритных модификациях Сс18е и Сс18. Получены эмпирические соотношения между параметрами Аррениуса коэффициентов самодиффузии металлов в халькогенидах цинка и кадмия.

Построена зависимость показателя преломления от состава твердого раствора СсУ£п1-х8е со структурой сфалерита для двух длин волн. Показано, что с учетом этой зависимости разработанные термодинамическая и кинетическая модели ионообменного процесса позволяют достаточно точно прогнозировать профили показателя преломления в световодных Сс^ш-Х8е слоях.

7. Разработаны новые способы получения различных ионообменных варизонных слоев твердых растворов и гетероструктур в кристаллах полупроводниковых соединений А2В6: ZnS, гпйе, Сё8, Сс18е и СсГГе и проведены комплексные физические и физико-химические исследования закономерностей и особенностей этих ионообменных процессов.

8. Предложена физико-математическая модель ионообменного гетерогенного равновесия и ионообменной диффузии в монокристаллах

А2В6, учитывающая роль возникающих в процессе ионного обмена в монокристалле упругих напряжений и генерируемых дислокаций несоответствия. Модель экспериментально подтверждена исследованиями ионообменных процессов Сс12+ —> Zn2+ в системах расплав - монокристалл 2пБе ( и позволяет моделировать процесс получения ионообменных слоев твердых растворов Сс1х2п1-х8е (Сс^щ-Х8) с заданными составом на поверхности монокристалла и концентрационным профилем по глубине.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

1. Разработаны системы легирующих расплавов и растворов и способы формирования ионообменных структур в кристаллах полупроводниковых соединений А2В6 и сегнетоэлектриков Ы]ЧЬОз и 1лТаОз, которые могут найти успешное применение в различных устройствах интегральной оптоэлектроники.

2. Дано полное структурно-фазовое описание систем НТаОз ЫТаОз и Н№Юз - 1л№Юз, широко используемых в интегральной оптике. Определены взаимозависимости параметров решетки и их зависимости от показателя преломления в различных фазах этих систем. Установлены технологические режимы формирования различных фаз в протонообменных световодах в кристаллах 1л№Юз и ЫТаОз. Выработаны практические рекомендации для формирования волноводов с комплексом необходимых свойств. Знание впервые построенных структурно-фазовых диаграмм позволяет научно выбирать оптимальные технологические режимы формирования и прогнозировать свойства ионообменных структур для создания интегрально-оптических элементов с требуемыми параметрами;

3. Построены и полностью термодинамически описаны диаграммы состояния в субсолидусной области квазибинарных систем Сс18-2п8 и Сс18е-2п8е. Определены важные термодинамические параметры чистых соединений и взаимных твердых растворов.

Определены коэффициенты самодиффузии цинка в ZnS и ZnSe и кадмия в Сс18 и Сс18е. Полученные данные могут эффективно использоваться при совершенствовании и моделировании различных технологических методов роста кристаллов и получения поверхностных кристаллических слоев соединений А2В6.

4. Разработанный новый метод полного определения деформированного состояния в поверхностных структурах перспективен для высокоэффективных исследований различных эпитаксиальных, ионообменных или диффузионных процессов получения поверхностных кристаллических слоев и расчета или оценки важных структурных, физических или функциональных параметров формируемых структур.

5. Разработан процесс изготовления методом обратного протонного обмена в отожженных Н:1л]ЧЬОз световодах двухплечевого интегрально-оптического фазового модулятора для волоконно-оптического гироскопа. Предложенный процесс обладает значительными преимуществами перед традиционными методами, позволит снизить оптические потери, повысить точность и уменьшить габариты волоконно-оптических гироскопов и обеспечивает возможность их массового производства за счет применения планарной технологии изготовления на одной пластине У-разветвителя и фазового модулятора.

Научные положения, выносимые на защиту :

1. Разработка и реализация комплексного подхода к исследованию напряженных ионообменных структур на поверхности монокристаллов ниобата и танталата лития для научного прогнозирования свойств интегрально-оптических элементов на их основе. Подход основан на систематическом исследовании как оптических, так и структурных свойств волноводов в кристаллах сегнетоэлектриков.

2. Разработка нового метода расчета всех компонент тензора дисторсии в поверхностных кристаллических слоях произвольной сингонии по данным двухкристальной дифрактометрии. Определение характеристик деформированного и напряженного состояний в ионообменных структурах.

3. Разработка метода определения фундаментальных структурно-фазовых параметров (параметры кристаллической решетки, показатели преломления и др.) неравновесных упруго-напряженных поверхностных слоев, соответствующих их ненапряженному состоянию (метод независимого определения обоих параметров кристаллической решетки ненапряженных твердых растворов тригональной (гексагональной) сингонии на основе данных рентгено-дифракционного анализа соответствующих напряженных поверхностных слоев). Построение структурно-фазовых диаграмм и полное структурно-фазовое описание напряженных волноводных слоев твердых растворов НхЬц-хМЮз, Нх1л1-хТаОз и гпх/гЬп-хТаОз

4. Разработка новых ионообменных процессов в кристаллах сегнетоэлектриков и полупроводниковых соединений А2В6 с целью получения варизонных слоев твердых растворов или гетероструктур с широким диапазоном изменения физических и функциональных параметров. Комплексные физико-химические исследования ионообменных слоев, изучение закономерностей и особенностей ионообменных процессов в кристаллах.

5. Разработка научных основ использования ионного обмена в кристаллах как эффективного метода исследования фундаментальных термодинамических и диффузионных характеристик чистых соединений и твердых растворов. Определение энтальпии структурного фазового перехода в Сс18, 2п8, Сс18е и 2п8е и температуры структурного перехода в Сс18е. Построение диаграмм состояния в субсолидусной области систем Сс18е-2п8е и Сс18- 2п8. Определение коэффициентов самодиффузии катионов в халькогенидах цинка и кадмия.

6. Разработка и экспериментальное подтверждение физико-математической модели ионообменного гетерогенного равновесия и ионообменной диффузии в монокристаллах А2В6, учитывающей влияние возникающих в ионообменных структурах упругих напряжений и дислокаций несоответствия.

Публикации и апробация работы. В ходе выполнения работы опубликованы : 1 монография (первая в мировой научной литературе монография, посвященная ионообменным процессам в монокристаллах), 1 обзор, 18 статей в отечественных и 28 статей в зарубежных научных журналах, получено 4 авторских свидетельств на изобретения.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:

- Всесоюзном постоянном научно-техническом семинаре "Низкотемпературные технологические процессы в электронике" (Ижевск, 1990г.);

- VIII Региональном семинаре " Оптические и оптоэлектронные методы и устройства обработки информации" ( Краснодар, 1990г.);

- XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (КиНО-91) (Санкт-Петербург, 1991г.);

- Twelveth European Symposium on Optoelectronics (OPTO-92) (Paris, 1992r.);

SPIE's International Symposium OE/LASE'94 Integrated Optoelectronics (Los Angeles, 1994 г.);

- 39th SPIE Annual Symposium on Optics, Imaging & Instrumentation (San Diego, 1994 г.);

- SPIE's International Symposium Photonic West'95 Optoelectronic and Micro-Optical Devices (San Jose, 1995 г.);

- 7-th European Conference on Integrated Optics (ECIO 95) (Delft, The Netherlands, 1995);

- Tenth International Conference on Integrated Optics and Optical Fibre Communications (Hong Kong, 1995);

- 8-th European Meeting on Ferroelectricity (EMF 95)(Nijmegen, The Netherlands, 1995);

-25- International Symposium on Application of Ferroelectrics (ISAF'96), (East Brunswick, USA, 1996);

- 3-rd European Conference on Applications of Polar Dielectrics (ECAPD 96) (Bled, Slovenia, 1996);

- Workshop 96 Ferroelectrics for Integrated Optics (FOI III) (St Martin Vesubie, France, 1996).

Личный вклад. Автору принадлежит постановка задач исследований, обоснование способов их осуществления, непосредственное выполнение значительной части экспериментов, расчетов и подготовки их математического обеспечения, систематизация и анализ результатов.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, шесть глав и заключение. Список использованных источников, приведенный по главам в конце каждой главы в алфавитном порядке, включает 795 ссылок. В работе имеется 121 рисунок и 34 таблицы. Ее полный объем 555 страниц.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Федоров, Вячеслав Александрович

Выводы к главе 2:

1. Рассмотрены особенности и последовательность необходимых операций для формирования ионообменных структур в подложках монокристаллов ниобата и танталата лития и полупроводниковых соединений А2В6.

2. Разработаны способы изготовления варизонных поверхностных слоев, гетероструктур и планарных световодов в монокристаллах полупроводниковых соединений А2В6.

3. Сформулированы требования к методам исследования ионообменных структур. Предложен комплекс взаимодополняющих методов исследований ИОС в монокристаллах соединений 1л1ЧЬОз, 1лТаОз и А2В6 ( а также в их порошках), включающий анализ профилей распределения элементов, исследования фазового состава, определения параметров кристаллической структуры, анализ модового спектра и профилей показателей преломления, спектров пропускания структур. Создан пакет программ расчета на ЭВМ физико-химических и оптических параметров ионообменных структур.

4. Приведено краткое описание основных выбранных методов анализа, использованных в работе для исследования свойств ионообменных слоев.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Федоров, Вячеслав Александрович, 1996 год

1. Chiang K.S. Construction of refractive index profiles of planar dielectric waveguides from the distribution of effective indices. // J.Lightwave Techn., 1985, v.3, N2, pp.385-391.

2. Pickardt V.Y., Smith D.L. Chemomechanical Polishing of CdS // J.Electrochem.Soc., 1974, v. 121, N8, pp. 1064-1066.

3. Pous F., Hericy J., Langeron I.P. Quantitative approach of Auger Electron Spectrometry // Surf.sci., 1977, v.69, N3. pp.547-553.

4. White J.M., Heidrich P.F. Optical Waveguide Refractive Index Profiles Determined from Measurement of Mode Indices: a Simple Analysis //Appl.Optics, 1976, v.15, N1, pp. 151-155.

5. Алексанян A.O. Ионообменное легирование селенида цинка для получения световодных элементов интегральной оптики // Дис. канд. техн. наук, М.: МИЭТ, 1990, 166 с.

6. Алексанян А.О., Ганыпин В.А., Коркишко Ю.Н., Петрова В.З., Федоров В.А. Новый метод получения структур А2В6 // Электронная промышленность, 1990, N 9, с.54-56.

7. Алексанян А.О., Ганыпин В.А., Коркишко Ю.Н., Петрова В.З., Федоров В.А., 1990а, Способ получения планарных световодов на пластинах монокристаллов халькогенидов цинка / А.с. N 1748466, СЗО В31/04,29/50 от 04.06.90 .

8. Алексанян А.О., Ганыиин В.А., Коркишко Ю.Н., Петрова В.З., Федоров В.А., 19906, Способ получения планарных световодов на пластинах монокристаллов сульфида кадмия / А.с. N 1748467, СЗО В31/04, 29/50 от 04.06.90.

9. Алексанян А.О., Ганьшин В.А., Коркишко Ю.Н., Федоров В.А., 1990 в, Способ получения слоев HgxCdi-xTe / А.с. N 1811233, СЗО В31/04, 29/48.

10. Бойко Т.М., Ганьшин В.А., Коркишко Ю.Н. Воспроизводимость процесса получения ионообменных световодов в кристаллах Y-среза LiNbOs // ЖТФ, 1985, т.55, N7, с.1441-1444.

11. Ганьшин В.А., Коркишко Ю.Н., Петрова В.З. Метод ионного обмена в технологии получения световодов в кристаллах ниобата лития // Электронная промышленность, 1984, N8, с.28-31.

12. Говорова Р.Ф., Лукашенко В.И., Чернышев A.A. Исследование нарушений, возникающих при механической обработке монокристалла ZnSe // В кн.: Физ. и хим. кристаллов, Харьков, 1977, с.55-58.

13. Гуревич М.А., Жукова Л.А. Электронография поверхностных слоев и пленок полупроводников // М.: Наука, 1971, 250 с.

14. Дикаев Ю.М., Копылов Ю.А., Котелянский И.М. Простой метод определения профилей диффузионных волноводов // Квантовая Электроника, 1981, т.8, с.378.

15. Зевеке Т.А., Бузырин Ю.Н., Толомасов В.А., Перевощиков В.Ф. Подготовка поверхности ниобата лития и германата висмута // Электронная техника, Материалы, 1976, N11, с.46-49.

16. Коба Е.С., Костин Н.И., Крюкова И.В. Фазовые превращения в приповерхностных слоях CdS при механической полировке и различных видах отжига // Физ. и хим. обработки материалов, 1987, N6, с.88-92.

17. Коркишко Ю.Н. Физика и технология ионного обмена в кристаллах для формирования элементов интегральной оптики // Дис. докт. физ.мат. наук, М.: МИЭТ, 1992, 315 с.

18. Ратников В.В. Рентгендифрактометрическая оценка структурного совершенства монокристаллов теллурида кадмия // Письма в ЖТФ, 1988, т. 14, N15, с.1410-1413.

19. Федоров В.А. Ионообменные процессы в кристаллах А2В6 // Дис. канд. физ.мат. наук, М.: МИЭТ, 1990, 220 с.-95-Глава 3

20. РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ДЕФОРМИРОВАННОГО И НЕНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЙ В

21. ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУРАХ ПО ДАННЫМ ДВУХКРИСТАЛЬНОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ДИФРАКТОМЕТРИИ

22. Таким образом, актуальность разработки методов исследования деформированного состояния и структурного совершенства тонкихповерхностных слоев кристаллов определяется всем ходом развития твердотельной микро- и оптоэлектроники.

23. Анализ существующих методов определения деформаций в поверхностных кристаллических слоях

24. Рис.3.1. Схема двухкристального рентгеновского спектрометра.

25. Рис.3.3. Параллельное (п, т) и антипараллельное (п, +т) расположение кристаллов М и А в схеме двухкристального рентгеновского спектрометра.

26. Характеристиками совершенства структуры кристаллов являются следующие параметры кривой качания :

27. Интегральный коэффициент отражения ЯИ, который определяется как отношение всей интенсивности, отраженной кристаллом А, умноженной на угловую скорость, к интенсивности, отраженной кристаллом М;- Процент отражения Я(а>=0) равен00 +оо

28. Я(со=0)=К \ Ям(у/) ЯА(у/- со)йу/ /К! | Ям(у/)йу/-со -оо

29. Дефекты в кристаллах изменяют теоретические значения Яи и Ь, что и позволяет использовать двухкристальный спектрометр для оценки совершенства их структуры.31.2. Метод широкорасходящегося пучка

30. Рис. 3.5. Схемы определения знака изгиба эпитаксиальной гетероструктуры по изменению взаимного расположения отражений Ка\ И Ка2.

31. Разработка нового метода расчета деформированного состояния по данным двухкрнстальной дифрактометрии

32. В окрестности Зг материальной точки, находившейся до деформации в точке г , смещения равны:и(г+дг) = и(г) + (ди/дг) • 5г , щ(г+8г) = щ (г)+ £у Sxj + ч>у 8х(3.2)

33. Смещения ди частиц окрестности относительно избранной нами частицы, находившейся до деформации в точке г, равны:5и(г+дг) = и(г+3г)-и(г)= (ди/дг)-Зг , (3.3)ди,(г+3г)= щ(г+8г)-щ (г)- £у Зxj + м?у 8х.

34. Ау/+ = у/1 =(вь + (рь)-(в5+ <р5) (3.4а)

35. Лу/~= Ц/\ у/. =(вь-

36. Ав =вь в5 = (Ау/ + Ау/)/2 (3.5а)

37. А(р =(рь <р3 = (Ау/+ -Ау/~)/2 (3.56)

38. Переход от одной геометрии съемки к другой осуществляется поворотом образца на 180° вокруг оси, перпендикулярной к его поверхности, и одновременно поворотом образца на угол 2ср вокруг оси гониометра.

39. На рис.3.6 показаны различные геометрии съемки и типичные наблюдаемые кривые дифракционного отражения.

40. Для полного описания деформированного состояния в поверхностных структурах необходимо получить соотношения между экспериментальными данными ДКД (Ав и Аф) (3.5) и общим полем деформации.пленка подложка1|/=е+ф1. Ац!—*

41. Рис.3.6. Различные геометрии съемки и типичные наблюдаемые кривые дифракционного отражения.