Актуальність теми. Леговані монокристали напівпровідникової сполуки InSb знаходять застосування як підкладки епітаксіальних структур і матеріал для виготовлення високочутливих приймачів ІЧ-випромінювання в області довжин хвиль від 3 до 5 мкм. Фоторезистори, виготовлені з монокристалів InSb, мають чутливість вище 104 В/Вт і можуть виявляти випромінювання потужністю 10-11 Вт при температурі 77К.

Монокристали InSb, що вирощуються методами спрямованої кристалізації, мають високі електрофізичні й оптичні параметри. Однак досягнення найкращих характеристик приладів на їхній основі обмежено неоднорідністю розподілу легуючих домішок. У цьому зв'язку, найважливішою задачею напівпровідникового матеріалознавства і технології вирощування монокристалів є одержання монокристалів напівпровідників з однорідним розподілом домішок у всьому обсязі. Крім того, низька температура кристалізації й чутливість електрофізичних властивостей до структурної досконалості кристалів дозволяють використовувати монокристали InSb для вивчення фундаментальних закономірностей процесу росту монокристалів напівпровідників.

Мікроскопічна неоднорідність розподілу легуючих компонентів, що виявляється у виді смуг росту з підвищеною їхньою концентрацією, спостерігається в монокристалах багатьох напівпровідників і вперше була вивчена в монокристалах InSb, вирощених методом Чохральського. Концентрація легуючої домішки в шарі може перевищувати її концентрацію між шарами на 50-80%. Відстань між домішковими шарами змінюється від декількох одиниць до сотень мікрометрів. Однак механізм утворення смуг росту шаруватої неоднорідності дотепер остаточно не з'ясований. Серед факторів, що впливають на утворення шаруватості й, можливо, що обумовлюють її, відзначають радіальну несиметричність теплового поля вздовж границі кристал-розплав, обертання кристала в цьому полі при витягуванні методом Чохральського, коливання швидкості росту, викликане пульсацією температури на фронті кристалізації та іншими факторами. Виявити роль кожного з цих факторів, ідентифікувати шаруватість і знайти умови її зниження до можливого мінімуму є складною задачею.

Один зі способів зниження шаруватості складається в зменшенні пульсацій температури в розплаві, обумовлених термогравітаційною конвекцією в ньому. Це досягається при вирощуванні кристалів у магнітному полі. Позитивний ефект був отриманий при вирощуванні монокристалів Ge і Si, а також монокристалів напівпровідникових сполук типу АIIIВV.

Проведені раніше дослідження з росту кристалів показали, що кавітаційний режим впливу ультразвуку сприяє руйнуванню фронту кристалізації і виникненню порожнеч у кристалі. Звукові коливання в розплаві з частотою до 5 кГц впливають на формування шарів телуру в кристалах InSb. Застосування ж ультразвуку з частотою до 5 МГц сприяє зниженню шаруватості в монокристалах GaAs і сплавах Bi-Sb.

У цьому зв'язку вплив ультразвуку на розплав у процесі росту монокристалів напівпровідників є одним з ефективних засобів зменшення шаруватої неоднорідності компонентів.

Вивчення шаруватості телуру в монокристалах InSb, вирощених методом Чохральського при впливі ультразвуку на розплав у процесі росту, становить інтерес як з погляду розуміння механізму утворення шаруватості, так і можливості її зниження. Останнє вимагає встановлення оптимальних умов ультразвукового впливу, вибору придатних матеріалів для хвилевідно-випромінюючої системи, визначення оптимальних геометричних розмірів вузла витягування й ін.

Актуальність теми полягає у тому, що в даний час відсутня методика вирощування однорідних монокристалів InSb в ультразвуковому полі. Недостатньо повно вивчений механізм впливу ультразвуку на процес росту кристалів методом Чохральського. Відсутність експериментальних даних про вплив дії ультразвуку з частотою від 0,6 до 5,0 МГц на розплав, на зниження шаруватості легуючих компонентів у монокристалах InSb, що витягаються, про поводження конвективних плинів у рідинах в умовах близьких до росту кристалів методом Чохральського, не дозволяє розробити технологію вирощування досконалих монокристалів напівпровідникових матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Виконання досліджень, наведених у роботі, проводили відповідно до напрямків науково-дослідних робіт Східноукраїнського національного університету в 1983-1990 р., а також постановами Мінелектронпрому і Мінелектротехпрому СРСР.

Дисертаційна робота виконувалася в рамках госпдоговірної науково-дослідної теми №H-23-82 “Дослідження неоднорідного розподілу компонентів при вирощуванні кристалів”. Автор у процесі виконання роботи, розробив спосіб вирощування кристалів напівпровідникових матеріалів в ультразвуковому полі і проводив дослідження з впливу ультразвуку на ріст монокристалів InSb.

Мета і задачі дослідження

Мета роботи складалася в розробці способу зниження шаруватості при вирощуванні монокристалів InSb методом Чохральського, легованих телуром.

Об'єктом досліджень була шарувата неоднорідність компонентів, що виникає при вирощуванні монокристалів напівпровідникових матеріалів.

Предметом дослідження був процес вирощування монокристалів InSb, легованих телуром, методом Чохральського при впливі ультразвуку на розплав.

Для досягнення цієї мети зважуються наступні задачі:

Розробка способу вирощування монокристалів при впливі ультразвуку на розплав.

Розробка методики дослідження шаруватості в монокристалах InSb, легованих телуром.

Вивчення закономірності зміни шаруватості при витягуванні кристалів в ультразвуковому полі.

Розрахунок інтенсивності ультразвуку, який вводиться в розплав.

Розробка методики моделювання ультразвукового впливу на розплав.

Дослідження впливу ультразвуку на конвекцію в модельній рідині в умовах, подібних до вирощування кристалів методом Чохральського.

Методи досліджень. Використано наступні методи: для вирощування монокристалів - модифікований метод Чохральського; для виявлення шаруватості - метод хімічного травлення, оптична й електронна мікроскопія; для візуалізації плинів у модельній рідині - метод “світлового ножа” із застосуванням відеозапису і комп'ютерної обробки результатів експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів складається:

1. У розробленому способі вирощування монокристалів напівпровідникових матеріалів модифікованим методом Чохральського в ультразвуковому полі.

2. В отриманих закономірностях зміни шаруватості телуру в монокристалах InSb, вирощених в ультразвуковому полі. Показано, що вплив ультразвуку з частотою від 0,6 до 5,0 Мгц усуває шаруватість в області “грані”.

3. У розробці моделі зниження шаруватості в області “грані” при впливі ультразвуку на розплав, що складається в ймовірному зменшенні ефективного коефіцієнту розподілу домішки і його наближенні до 1 унаслідок збільшення ефективної в'язкості розплаву в полі стоячої звукової хвилі, що може формуватися поблизу міжфазної границі.

4. У розробці удосконаленої методики вивчення конвекції в модельній рідині із застосуванням цифрового відеозапису і комп'ютерної обробки отриманих результатів.

Форма профілю концентрації для одномірної задачі отримана при рішенні рівняння безперервності Бартоном, Примом, Слихтером. Ними отримане вираження, що зв'язує ефективний і рівноважний коефіцієнти розподілу домішки й умови кристалізації.

Утворення грані (111) на опуклому в розплав фронті кристалізації приводить до того, що швидкості росту і захоплення домішки в області “грані” відрізняються від їхніх значень поза “гранню”. Ефективний коефіцієнт розподілу Te у InSb в області грані складає 3-4 і перевершує його значення за її межами більш ніж у 6 разів.

Методи спрямованої кристалізації Бріджмена, зонної перекристалізації і Чохральського успішно застосовують для одержання монокристалів InSb. Метод витягування з розплаву по Чохральському має переваги перед іншими у зв'язку з його високою продуктивністю і керованістю. Тому він був обраний у даній роботі як експериментальний метод одержання монокристалів InSb.

Другий розділ містить огляд літератури по шаруватій неоднорідності легуючої домішки в монокристалах напівпровідників і методам зниження цього типу неоднорідностей. Складна структура домішкових шарів ускладнює їхню ідентифікацію і визначення умов, що сприяють усуненню шаруватості. Однією з головних причин утворення шаруватості вважається нестаціонарна конвекція в розплаві, що викликає пульсації температури на фронті кристалізації, і періодична зміна мікроскопічної швидкості росту.

У теперішній час використовується два способи зниження шаруватості - вплив на розплав магнітних і ультразвукових полів у процесі вирощування монокристалів.

Вплив магнітного полю і його взаємодія з розплавом, що володіє металевими властивостями, змінює конфігурацію конвекційних потоків і за певних умов підвищує стійкість течій. Це виявляється в усуненні пульсацій швидкості потоків і температури на фронті кристалізації. Підвищення стійкості течій, перехід їх у стаціонарний режим є наслідком зростання ефективної в'язкості розплаву. При цих умовах забезпечується дифузійний масоперенос у прикордонному шарі. Таким чином, вплив магнітного поля можна врахувати в рівняннях, що описують рух рідини в межфазній межі за допомогою параметра , де - товщина дифузійного шару. Відносна товщина цього шару в магнітному полі зростає, а, отже, ефективний коефіцієнт розподілу домішки наближається до 1.

Установлено межу напруженості магнітного поля, що складає 1500 Е, при перевищенні якої шаруватість у кристалах InSb з'являється знову. Шаруватість, обумовлена обертанням кристала, є присутньою незалежно від величини магнітного поля.

Застосування магнітних полів при вирощуванні монокристалів напівпровідників обмежується великими розмірами, високою енергоємністю і недостатньою ефективністю їх впливу на шаруватість у InSb.

Ультразвукова обробка розплаву в процесі вирощування монокристалів також зменшує, а в деяких матеріалах приводить до повного усунення шаруватості. Низькочастотні коливання викликають стаціонарні течії в рідині. При високій інтенсивності ультразвуку в розплавах In-Sb виникає кавітація. Зв'язана з нею потужна ударна хвиля приводить до руйнування фронту кристалізації і, отже, до одержання полікристалічного зливка з високою однорідністю складу.

Ріст монокристала можливий у докавітаційному режимі ультразвукового впливу. У цьому випадку в розплаві виникають акустичні течії, що можуть впливати на процеси масопереносу в прикордонному шарі.

При впливі ультразвуку мегагерцового діапазону частот і інтенсивністю, набагато меншою порога кавітації, отримані монокристали GaAs і сплавів Bi-Sb без шаруватості. Вплив ультразвуку з частотою до 10 МГц на шаруватість у зазначених матеріалах, можливо, зв'язаний з утворенням стоячої звукової хвилі в розплаві під зростаючим кристалом.

Наявні експериментальні дані підтверджують доцільність застосування ультразвукового впливу для зниження шаруватості в монокристалах напівпровідників і необхідність вивчення його впливу на процес кристалізації.

У третьому розділі описані методики вирощування монокристалів InSb, підготовки поверхні досліджуваних зразків, виявлення і спостереження шаруватості телуру.

Витягування монокристалів здійснювали методом Чохральського. Після розрощування кристала до діаметру 10 мм проводили витягування зливка постійного діаметра. Швидкість витягування, що складає 0,05 мм/хв, підтримували постійною в усіх експериментах. Частоту обертання регулювали від 0 до 10 об/хв. В отриманих кристалах чергувалися області, вирощені при впливі ультразвуку на розплав і без нього, а також з різними швидкостями обертання.

Запропоновано спосіб вирощування монокристалів напівпровідників при впливі ультразвуку на розплав, у якому ультразвукові коливання вводяться через хвилевід, вварений у дно тигля, у середину якого приміщали розплав. напівпровідниковий монокристал ультразвук

Вирощені монокристали InSb розрізали на електроіскровому верстаті паралельно площини (211), орієнтацію якої контролювали рентгенівським методом. Отриману поверхню шліфували, а потім полірували на механічному полірувальному верстаті “Metapolan”.

Шаруватість телуру виявляли методом хімічного травлення, використовуючи травитель СР-4.

Розподіл телуру вивчали за допомогою оптичного МІМ-7 і електронного “Nanolab-2100” мікроскопів.

У четвертому розділі приведені експериментальні результати дослідження шаруватості телуру в монокристалах InSb, вирощених в ультразвуковому полі. Для реалізації описаного в розділі 3 способу вирощування кристалів напівпровідників обрані матеріали для виготовлення хвилевідно-випромінюючої системи. Хвилевід в експериментальній установці, виконаний із плавленого кварцу, що має малий коефіцієнт поглинання ультразвуку в частотному діапазоні від 0,6 до 5 Мгц. Випромінювачем була пластина з п'єзокерамики ЦТС. Інтенсивність ультразвуку, що вводиться в розплав при використовуваних умовах, приведена в табл. 1

Таблиця 1 - Інтенсивність ультразвуку, що вводиться в розплав.

Інтенсивність ультразвуку, що вводиться в розплав, не перевищувала порога кавітації в розплаві антимоніду індію. Тиск, необхідний для утворення кавітації, можна оцінити за формулою

, (1)

де коефіцієнт поверхневого натягу розплаву,

радіус критичного зародка,

тиск у камері.

Його величина для розплаву In-Sb, для зародків з радіусами 10-8 і 10-7 м складає 3106 і 3107 Па відповідно. Амплітуда звукового тиску в експериментальних умовах не перевищує 6,3105 Па, тому кавітаційні ефекти в розплаві не виникають.

При впливі на розплав ультразвуку в процесі витягування кристала цілком усувається шаруватість, обумовлена ефектом “грані”. На мал.1 показана картина шаруватості на поверхні (211) у різних областях кристала, що відповідають росту під впливом ультразвуку і без нього.

Дрібні шари домішки з періодичністю 2-3 мкм не усуваються під впливом ультразвуку з частотою від 0,6 до 5 МГц і інтенсивністю до 0,1 Вт/см2.

Механізм впливу ультразвуку на шаруватість в області “грані” може бути зв'язаний з формуванням стоячої звукової хвилі під зростаючим кристалом. В полі стоячої хвилі сили, що діють на частки домішки, значно перевищують гравітаційні, що виштовхують ії і можуть привести до зміни гідродинамічних властивостей розплаву. Придушення конвекції можливо при збільшенні ефективної в'язкості розплаву, а ефективний коефіцієнт розподілу домішки може бути визначений із співвідношення

, (2)

де 1/6 - постійна, залежна від профілю концентрації

кутова швидкість обертання кристала,

кінематична в'язкість розплаву,

коефіцієнт дифузії домішки в розплаві,

швидкість росту кристала.

Наближення до 1 сприяє зниженню шаруватості в кристалі.

Дифузія в кристалі в процесі його росту й охолодження не може істотно вплинути на шаруватість і привести до її розмиття, оскільки дифузійна довжина при експериментальних умовах не перевищує 0,2 мкм, у той час як мінімальна відстань між шарами складає 1-2 мкм.

У п'ятому розділі приведені результати дослідження акустичного впливу на модельну рідину, проведені для перевірки обґрунтованості запропонованого механізму впливу ультразвуку на шаруватість. Гідродинамічні властивості води, як модельної рідини, близькі до розплаву In-Sb. Так, наприклад, число Релея, що відповідає виникненню конвекції у воді і розплаві однаково, складає 3103 і визначається співвідношенням:

, (3)

де коефіцієнт об'ємного розширення,

прискорення сили ваги,

висота рівня рідини в камері,

різниця температури між дном камери і диском, що контактує з поверхнею рідини,

коефіцієнт температуропровідності рідини,

діаметр камери.

Геометричні розміри камери з модельною рідиною і тигля з розплавом пропорційні. Вищевказане дозволяє перенести результати модельного експерименту на процес кристалізації розплаву в ультразвуковому полі.

Вивчення конвекції у воді методом “світлового ножа” за схемою, приведеної на мал.2, дозволило встановити характер її зміни при впливі ультразвуку. У якості світлорозсіючих часток використовували порошки Al2O3 і Al з розмірами часток 50 і 100 мкм відповідно.

Мал..2. Схема установки вивчення конвекції в рідині методом “світлового ножа”:

1 - вузький пучок світла;

2 - камера з досліджуваною рідиною;

3 - джерело світла;

4 - фокусирующа лінза;

5 - коліматор;

6 - оглядове вікно;

7 - відеокамера;

8 - комп'ютер.

Характер вільної термогравітаціоної конвекції, що спостерігається в експериментах, відповідав розрахунковому.

В обсязі води між хвилеводом і диском частки алюмінію, що мають форму пластин, орієнтуються площиною перпендикулярно напрямку поширення хвилі. Частки Al2O3 концентруються в площинах, відстань між якими відповідає половині довжини ультразвукової хвилі у воді. Картина розподілу цих часток при частоті ультразвуку 1,25 МГц і його інтенсивності 0,04 Вт/см2 показана на мал.3.

Отримані дані підтверджують, що в зазначеному обсязі формується стояча звукова хвиля. Конвекційні потоки в області стоячої хвилі придушуються, а масоперенос забезпечується дифузією. Таким чином, збільшується відносна товщина дифузійного шару.

Подібне поводження домішки телуру в розплаві In-Sb, як і в модельній рідині може привести до зменшення ефективного коефіцієнта розподілу від 4 в області грані до значення близького до 1, що сприяє зменшенню шаруватості в монокристалах InSb.

Мал. 3. Фотографії розподілу часток Al2O3 під плоскою поверхнею диска при впливі ультразвуку з частотою 1,25 Мгц у воді.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО ДИСЕРТАЦІЇ

1. Розроблені засіб вирощування монокристалів InSb в ультразвуковому полі і без нього, метод підготовки поверхні досліджуваних зразків монокристалів, виявлення шаруватості телуру методом хімічного травлення і спостереження її методами оптичної й електронної мікроскопії. Розрахунок і експериментальні данні підтвердили, що використовувані умови вирощування монокристалів InSb, близькі до рівноважних, і не створюють умов для виникнення концентраційного переохолодження розплаву під фронтом кристалізації. Вивчено шаруватість телуру в монокристалах InSb, обумовлена ефектом “грані” і обертанням кристала.

2. Встановлено, що витягування монокристалів InSb в ультразвуковому полі з частотою від 0,6 до 5 МГц і інтенсивністю до 0,1 Вт/см2 приводить до повного усунення шаруватості, обумовленої ефектом “грані”. Шаруватість з меншою періодичністю, обумовлена обертанням кристала, не усувалася при вирощуванні монокристалів в ультразвуковому полі цим способом. Інтенсивність ультразвуку в експериментах у всьому використовуваному діапазоні частот була значно нижче порога кавітації в розплаві In-Sb і не перевищувала 0,1 Вт/см2.

3. Розраховано гідродинамічні параметри розплаву In-Sb і інтенсивність ультразвуку на межі розділу фаз з урахуванням його поглинання в розплаві. Обґрунтовано вибір частотного діапазону ультразвуку від 0,6 до 5 МГц для зниження шаруватості в монокристалах InSb. Запропоновано модель ультразвукового впливу на шаруватість в області “грані”. Утворення стоячої звукової хвилі в розплаві In-Sb під фронтом кристалізації може сприяти збільшенню ефективної в'язкості розплаву і придушенню конвекційних течій у ньому. Ефективний коефіцієнт розподілу домішки в цьому випадку може зменшитися від 4 до 1.

4. Розроблено методику вивчення конвекції в модельній рідині при умовах, подібних до вирощування кристалів в ультразвуковому полі, що дозволило підтвердити обґрунтованість запропонованого механізму ультразвукового впливу на шаруватість.

5. Вивчено вплив ультразвуку інтенсивністю до 0,04 Вт/см2 з частотою 0,6 МГц і 1,25 МГц на конвекцію в модельній рідині, у якості якої обрана дистильована вода. Цей вибір обумовлений тим, що гідродинамічні параметри, характеризуються числами Релея і Шмідта, і деякі фізичні параметри, наприклад, коефіцієнт поглинання ультразвуку і кінематична в'язкість, мають близькі значення. Встановлено, що у воді утворюється стояча звукова хвиля. Частки, зважені у неї, концентруються в площинах рівнобіжних меж розділу рідина-диск. Відстань між шарами часток відповідає половині довжини ультразвукової хвилі у воді.

6. Показано, що акустичні течії поза областю стоячої хвилі мають вихорообразний характер і сприяють перемішуванню рідини. Форма границі розподілу відіграє важливу роль при формуванні стоячої хвилі. При опуклій чи ввігнутій границі розподілу звужується область, у якій формується стояча хвиля під диском.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Komarov N.V., Kozhemyakin G.N. Ultrasonic effect on Te distribution in InSb single crystals // Functional Materials. 2000. - 7. - No 4(2). - P. 797 - 800.

2. Комаров Н.В., Кожемякин Г.Н. Методика исследования конвективных потоков в растворах // Ресурсосберегаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Луганськ: СУДУ, 2000. С. 268 - 271.

3. Комаров Н.В., Кожемякин Г.Н. Моделирование вынужденной конвекции в расплаве In-Sb // Ресурсосберегаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Луганськ: СНУ, 2001. С. 239 - 243.

4. А.с. № 1365749. Способ выращивания монокристаллов и устройство для его осуществления / Кожемякин Г.Н., Комаров Н.В., Антонов В.А., Пукари Р.А. / Приоритет 29 августа 1985 г., зарегистрировано 8 сентября 1987 г.

5. Комаров Н.В., Кожемякин Г.Н. Моделирование течений в расплавах. Тезиси докл. VI Міжнародної науково-практичної конференції “Університет і регіон”, Луганськ, СУДУ, 28-30 листопада 2000 р.

6. Kozhemyakin G.N., Komarov N.V. Observation of acoustic flow in the melts with ultrasonic vibrations // UI'01: Ultrasonics International, Delft, Holland, July 2-5, 2001.

Комаров М.В. Вирощування легованих монокристалів InSb і моделювання конвекції в розплаві при впливі ультразвуку. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.01 - матеріалознавство. Національна Академія наук України, НТК “Інститут монокристалів”, Інститут монокристалів, м. Харків, 2002 р.

Дисертація присвячена розробці способу зниження шаруватої неоднорідності легуючої домішки телуру в монокристалах InSb, вирощених методом Чохральського.

Рішення цієї задачі здійснювали шляхом впливу ультразвуку на розплав у процесі витягування монокристала. Частота ультразвуку установлювалась від 0,6 до 5,0 МГц. Встановлено, що ультразвуковий вплив приводить до зниження шаруватості телуру, обумовленої ефектом “грані”. Запропоновано механізм впливу ультразвуку на шаруватість у цій області кристала завдяки утворенню стоячої звукової хвилі у розплаві.

Дослідження конвекції в модельній рідині показало, що в її обсязі між хвилеводом і диском формується стояча звукова хвиля. Як модельна рідина обрана дистильована вода, а домішки - частки Al та Al2O3. Частки концентруються у полі стоячої хвилі в площинах, відстань між якими відповідає половині довжини ультразвукової хвилі у воді.

Ключові слова: шаруватість, ефективний коефіцієнт розподілу домішки, конвекція, стояча звукова хвиля.

Komarov N.V. The growth of doped InSb single crystals and the convection modeling in the melt under ultrasound influence. - Manuscript. The thesis for obtaining scientific Degree of the Candidate of science (Engineering), the speciality 05.02.01 - Materials studied. National Academy of Science of Ukraine, STC “Institute of Single Crystals”, Institute of Single Crystals, Kharkіv, 2002.

The thesis deals with elaborating the method of Te striations inhomogeneity decrease in InSb single crystals grown by Czochralski method.

Introducing ultrasound in the melt during the crystal growth has solved this problem. The ultrasound frequency was changed from 0.6 to 5 MHz. It was noted that ultrasound had an influence on decreasing Te striations in the facet. The mechanism of ultrasound influence on the striations in the central part of the crystal thanks to appearing of standing wave in the melt was suggested.

The investigation of the convection in the model liquid showed, that the standing sound wave is formed in the volume between the waveguide and the disk. The model liquid was distilled water; Al and Al2O3 were used as dopant. The parts are concentrated in the field of standing wave in the planes the distance between which is equal to the half of the wavelength in the water.

Keywords: striations; effective distribution coefficient of a dopant; convection; standing ultrasonic wave.

Комаров Н.В. Выращивание легированных монокристаллов InSb и моделирование конвекции в расплаве при воздействии ультразвука. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. Национальная Академия наук Украины, НТК “Институт монокристаллов”, Институт монокристаллов, г. Харьков, 2002 г.

Диссертация посвящена разработке способа снижения слоистости легирующей примеси теллура в монокристаллах InSb, выращенных методом Чохральского.

Решение этой задачи осуществляли путем введения ультразвука от пьзопреобразователя через кварцевый волновод в расплав в процессе вытягивания монокристалла. Частота ультразвука устанавливалась от 0,6 до 5,0 МГц, а его интенсивность не превышала 0,1 Вт/см2. Слоистость теллура выявляли методом химического травления на предварительно подготовленной поверхности монокристалла InSb параллельной плоскости (211). Распределение теллура изучали с помощью оптического МИМ-7 и электронного “Nanolab-2100” микроскопов.

Установлено, что ультразвуковое воздействие приводит к снижению слоистости теллура, обусловленной эффектом “грани”. Узкие слои теллура с периодичностью 2-3 мкм не устранялись при данных условиях ультразвукового воздействия.

Предложен механизм воздействия ультразвука на снижение слоистости теллура в области “грани”, состоящий в формировании стоячей ультразвуковой волны в расплаве под вытягиваемым монокристаллом. При образовании стоячей ультразвуковой волны в ее поле может увеличиваться эффективная вязкость расплава, что способствует приближению эффективного коэффициента распределения примеси к 1, а, следовательно, и снижению слоистости. Воздействие ультразвука, таким образом, может снижать конвекцию в расплаве и обеспечить преобладание диффузионного массопереноса. Это подтверждается расчетами эффективного коэффициента распределения согласно модели Острогорского-Мюллера.

Разработана методика изучения конвекции в модельной жидкости при воздействии ультразвука в условиях подобных выращиванию монокристаллов методом Чохральского. Данная методика подобна известному методу “светового ножа”. Размеры камеры с жидкостью в 5 раз превышали размеры тигля с расплавом. В качестве модельной жидкости выбрана дистиллированная вода, гидродинамические свойства которой приближаются к исследуемому расплаву In-Sb. Критериями подобия были выбраны числа Рэлея и Шмидта. Наблюдение конвективных потоков в жидкости осуществляли с помощью цифровой видеокамеры на светорассеивающих частицах Al и Al2O3, взвешенных в ней.

Характер свободной термогравитационной конвекции, наблюдаемый в экспериментах, соответствовал расчетным данным. Отличие температуры на 0,1 градуса между дном камеры и поверхностью диска, имитирующего кристалл, приводило к возникновению нестационарной конвекции.

Изучено влияние вращения диска, формы границы раздела диска с жидкостью, градиента температуры и высоты уровня жидкости на конвекцию при воздействии ультразвука с частотой 0,6 и 1,2 МГц.

Экспериментально установлено, что в объеме жидкости между волноводом и диском формировалась стоячая ультразвуковая волна. Частицы алюминия, имеющие форму пластин, ориентировались в ультразвуковом поле плоскостью перпендикулярно направлению распространения волны. Частицы Al2O3 сферической формы концентрировались в поле стоячей волны в плоскостях, расстояние между которыми соответствовало половине длины ультразвуковой волны в воде. Процесс формирования стоячей волны осуществлялся в течение 5-7 секунд с момента включения ультразвукового преобразователя. Образование стоячей волны не зависело от высоты уровня жидкости и изменения интенсивности ультразвука от минимального порогового значения. При высоком уровне нестационарной конвекции эффективность воздействия ультразвука снижалась. Это было обусловлено увеличением градиента температуры в жидкости до 2 К/см и частоты вращения диска более 20 об/мин.

Было исследовано влияние плоской, выпуклой и вогнутой формы поверхности диска на формирование стоячей ультразвуковой волны. Наилучшие результаты наблюдали при плоской поверхности диска. В объеме жидкости за пределами области стоячей ультразвуковой волны конвективные течения сохранялись, что способствовало ее перемешиванию.

Аналогичные процессы, надо полагать, протекают в расплаве при воздействии на него ультразвука. Уменьшение конвективного перемешивания расплава под кристаллом в объеме ультразвукового поля способствует снижению слоистости в вытягиваемом монокристалле. Конвекция вне указанного объема может положительно влиять на однородность расплава в результате его перемешивания.

Таким образом, данный способ можно использовать для выращивания однородных монокристаллов полупроводниковых материалов наряду с известными методами воздействия на расплав магнитных и электромагнитных полей.

Использование предложенного способа выращивания монокристаллов полупроводниковых материалов, в частности GaAs и сплавов Bi-Sb, позволило значительно снизить неоднородность распределения компонентов в них.

Ключевые слова: слоистость, эффективный коэффициент распределения примеси, конвекция, стоячая звуковая волна.

Размещено на Allbest.ru