Технологія отримання мікрокристалів арсеніду індію, стійких до дії опромінення високоенергетичними електронами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ „ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Технологія отримання мікрокристалів арсеніду індію, стійких до дії опромінення високоенергетичними електронами

05.27.06 - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

ШУРИГІН ФЕДІР МИХАЙЛОВИЧ

Львів - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “30” червня 2008 р. о 14³⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.12 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий ” ” травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Заячук Д. М.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Подальший розвиток електронної техніки, зокрема вимірювальних систем, ставить нові вимоги щодо матеріалів, на основі яких створюються ці системи. На сьогоднішній день ефективний розвиток практично будь якої наукової чи промислової галузі не обходиться без використання сучасної вимірювальної техніки та систем автоматизації. Вимірювальна апаратура та системи автоматизації, в яких використовуються напівпровідникові матеріали, постійно розширюють галузі використання. Зростаючі потреби вимірювальної апаратури вимагають появи як нових матеріалів, так і відомих вже матеріалів в нових формах.

Одним з відомих напівпровідникових матеріалів є арсенід індію, який зарекомендував себе в електронній техніці в зв'язку із високою рухливістю носіїв заряду. Завдяки його електрофізичним властивостям розроблялися різні технологічні підходи до вирощування об'ємних кристалів з рідкої фази та тонких плівок арсеніду індію. Особливий інтерес для наукових досліджень та практичного застосування представляють мікрокристали арсеніду індію у формі ниткоподібних монокристалів, оскільки вони характеризуються високою досконалістю структури та поверхні, мінімальним вмістом власних дефектів у порівнянні з об'ємними та тонкоплівковими зразками, а також низькою вартістю технологічного обладнання для їх вирощування.

Завдяки мінімальній кількості власних структурних дефектів ниткоподібні монокристали арсеніду індію представляють собою прекрасний модельний матеріал для наукових досліджень, пов'язаних із введенням в них дефектів, викликаних дією зовнішніх факторів таких, наприклад, як опромінення прискореними електронами з високою енергією.

Дана дисертаційна робота спрямована на вирішення задач створення технології вирощування легованих мікрокристалів арсеніду індію методом осадження з газової фази в хлоридній системі та дослідження впливу високоенергетичних електронів на властивості цих кристалів. Завдання дослідження впливу опромінення електронами на параметри арсеніду індію, так само як і створення технології вирощування з хлоридної системи ниткоподібних мікрокристалів цього матеріалу раніше не вирішувалися. Дослідження по вивченню впливу електронного опромінення на властивості ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію доведені до практичних результатів - визначення оптимального складу InAs<Sn>, стійкого до опромінення електронами, та використання їх в магнітометричних модулях космічних апаратів, а також в диференційних магнітометрах.

Таким чином, тема дисертаційної роботи є актуальною і перспективною з точки зору використання її результатів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в Лабораторії Магнітних Сенсорів науково-дослідного центру „Кристалл” при кафедрі „Напівпровідникова електроніка” Інституту телекомунікацій радіоелектроніки та електронної техніки Національного університету "Львівська політехніка". Дисертаційна робота є складовою частиною комплексних досліджень, які проводились і проводяться в межах науково-дослідних держбюджетних програм Міністерства освіти і науки України та госпдоговірних тем, а саме: ДБ „Лантан” (2004 - 2006 рр.), госпдоговір № 1333 „Виготовлення та поставка магнітометричних модулів ММ для магнітних виконавчих органів (МВО) кількістю 27 шт.” (Державне підприємство „ Виробниче Об'єднання Південний машинобудівний завод ім. О.М. Макарова”, м.Дніпропетровськ, 2003 - 2004 рр.), ДК № 235-2006 „Дослідження впливу зовнішніх та внутрішніх факторів на характеристики мікросенсорів магнітного поля” (2006 - 2007 рр.), ДБ „Іріда” (2007 - 2009 рр.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка технології одержання напівпровідникових мікрокристалів арсеніду індію, стійких до дії опромінення високоенергетичними електронами.

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі задачі:

· Математичне моделювання фізико-хімічних процесів легування напівпровідникових мікрокристалів арсеніду індію в процесі їх вирощування донорною домішкою оловом.

· Експериментальне дослідження технологічних режимів вирощування напівпровідникових мікрокристалів арсеніду індію з різним вмістом легуючої домішки.

· Дослідження впливу дії високоенергетичних електронів на електрофізичні параметри мікрокристалів арсеніду індію.

Об'єктом дослідження є напівпровідникові мікрокристали арсеніду індію, леговані оловом.

Предметом дослідження є процеси, що відбуваються при вирощуванні мікрокристалів з газової фази методом хімічних транспортних реакцій, а також фізичні явища, що відбуваються в напівпровідниковому матеріалі арсеніді індію під дією опромінення його високоенергетичними електронами.

Методи дослідження: термодинамічний аналіз, моделювання фізико-хімічних процесів, рентгеноструктурні дослідження, електрофізичні вимірювання параметрів мікрокристалів арсеніду індію, дослідження взаємодії високоенергетичних електронів з напівпровідниковими мікрокристалами. електрон електрофізичний напівпровідниковий

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше моделюванням фізико-хімічних процесів в хлоридній системі InAs-Sn-HCl показана можливість введення домішки олова при вирощуванні ниткоподібних кристалів арсеніду індію з газової фази з участю хімічних транспортних реакцій.

2. Шляхом експериментальних досліджень масопереносу компонентів хлоридної системи InAs-Sn-HCl та кінетики росту кристалів визначені технологічні режими росту ниткоподібних монокристалів арсеніду індію в широких межах концентрації вільних електронів (5•10¹⁶ ч 1•10¹⁹) см^-3.

3. Визначено оптимальну концентрацію вільних носіїв заряду в ниткоподібних монокристалах InAs, легованих оловом, за якої їх електрофізичні параметри є стабільними при опроміненні високоенергетичними електронами. Встановлено, що у випадку швидких електронів з енергією 13 МеВ такою концентрацією є n ? 10¹⁸ см^-3.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена технологія забезпечує можливість отримання з газової фази в хлоридній системі мікрокристалів InAs та управляти їх властивостями шляхом легування в процесі їх вирощування донорною домішкою Sn в широких межах концентрацій вільних носіїв заряду.

На основі вирощених мікрокристалів InAs<Sn> виготовлені сенсори магнітного поля, які характеризуються мініатюрними розмірами, достатньою чутливістю до магнітного поля та високою стабільністю вихідного сигналу при опроміненні високоенергетичними електронами. Вони знайшли практичне застосування в магнітометричних модулях для космічних апаратів на заводі „Південмаш”, також в магнітометрах для дослідження намагніченості в Дрогобицькому державному педагогічному університеті ім. І.Франка.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, представлені в дисертації, доповідались на конференціях: 18th International Conference on Solid-State Transducers (EUROSENSORS XVIII) (Rome, Italy, September 2004); 15th International Conference on Crystal Growth (ICCG 15) held in conjunction with the 13th Conference on Vapor Growth and Epitaxy (Salt Lake City, USA, 12-17 August, 2007); 8th International Symposium on Microelectronics Technologies and Microsystems (Львів, Україна, жовтень 2004); а також на щорічних відкритих Науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки НУ „Львівська політехніка” з 2004р. по 2007р. включно.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 12 наукових працях: 8 статтях у фахових журналах та 4 тезах доповідей на українських та міжнародних конференціях.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. Всі основні наукові положення, що виносяться на захист, та висновки дисертації сформульовані автором особисто. В працях [1,4] автор шляхом математичного моделювання показав можливість введення домішки олова в мікрокристали арсеніду індію при вирощувані з парової фази з використанням хімічних транспортних реакцій в хлоридній системі InAs-Sn-HCl. Автор реалізовував технологію одержання з хлоридної системи легованих оловом ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію, безпосередньо проводив технологічні експерименти по вирощуванню таких кристалів, визначив технологічні режими одержання ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію, легованих оловом в широкому діапазоні концентрацій. Автор проводив вимірювання електрофізичних параметрів мікрокристалів та обробку результатів вимірювань, приймав участь в аналізі одержаних результатів [4,5,8,12]. В роботах [6,7,10] автор займався підготовкою експериментів по опроміненню мікрокристалів. В роботах [2,3,9,10] автор брав участь в аналізі результатів експериментів, пов'язаних із дослідженням опромінення ниткоподібних мікрокристалів високоенергетичними електронами.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел. Дисертація викладена на 122 сторінках і містить 50 рисунків та 14 таблиць, а також список цитованої літератури із 68 найменувань.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми та сформульовано мету і задачі проведених досліджень, представлені методи, об'єкт і предмет досліджень, визначено наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, наведені дані щодо апробації та особистого внеску автора в отримані результати.

Перший розділ дисертаційної роботи присвячений аналізу властивостей, структури та методів одержання напівпровідникової сполуки InAs. Проаналізовані методи отримання монокристалів та плівок InAs, а також особливості методів отримання мікрокристалів арсеніду індію з газової фази. Проведений аналіз даних по впливу дії високоенергетичного опромінення на властивості арсеніду індію. Встановлено, що під дією опромінення високоенергитичними частинками в такому матеріалі утворюються дефекти як донорного, так і акцепторного характеру, а ефективність утворення певного типу дефектів буде визначатись початковим рівнем легування матеріалу.

Другій розділ дисертаційної роботи розкриває результати проведеного моделювання фізико-хімічних процесів, що протікають в газовій фазі хлоридної системи при отриманні ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію, легованих оловом.

Проведений термодинамічний аналіз складу газової фази системи InAs - Sn - HCl дозволив проаналізувати всі можливі реакції взаємодії HCl з твердими компонентами системи та розрахувати температурні залежності констант рівноваги хімічних реакцій. Аналіз температурних залежностей констант рівноваги хімічних реакцій дозволив визначити основні реакції, що відповідають за транспорт твердих компонентів системи. На основі проведеного аналізу сформована система незалежних рівнянь та розраховані температурні залежності парціальних тисків компонентів системи.

На основі результатів термодинамічного аналізу була сформована математична модель, яка описує процес дифузійного переносу твердих компонентів системи In, As та Sn при протіканні хімічних транспортних реакцій в системі InAs - Sn - HCl. Масопереніс виражається через середній коефіцієнт дифузії, градієнт концентрацій, температуру та парціальні тиски компонентів системи на межах дифузійної області. Показано, що перенесення миш'яку із зони джерела в зону кристалізації відбувається сублімацією, а перенесення індію та олова відбувається за рахунок протікання хімічних транспортних реакцій, при цьому в системі одночасно відбувається декілька реакцій і в обраному діапазоні температур встановлюється одночасно декілька рівноважних станів.

Виходячи з основних положень, прийнятих в моделі, були проведені розрахунки залежності масопереносу компонентів системи від температури зони джерела при фіксованій температурі зони кристалізації Т_з.к. = (790 ± 2) К. Як показали одержані температурні залежності (рис.1), масопереніс миш'яку в більшій степені залежить від температури джерела, ніж масопереніс індію. Визначена оптимальна температура зони джерела, яка становить (890 ± 2) К та забезпечує стехіометрію масопереносу основних компонентів.

Аналіз експериментальної залежності швидкості росту кристалів від оберненого діаметру дозволив визначити основні кінетичні параметри росту ниткоподібних кристалів арсеніду індію, легованих оловом. Результати розрахунку представлені в табл.1.

Таблиця. 1 . Основні кінетичні параметри росту ниткоподібних кристалів арсеніду індію, легованих оловом

Проведені дослідження кінетики росту ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію дали можливість розрахувати кінетичні параметри процесу, знання яких полегшує розуміння процесів кристалоутворення, спрощує прогнозування результатів технологічних процесів, а також дає можливість проводити моделювання росту ниткоподібних кристалів з метою визначення оптимального часу проведення процесу для одержання кристалів заданих геометричних розмірів.

В третьому розділі представлені результати експериментів та технологічні параметри одержання ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію, легованих оловом. На основі результатів проведених розрахункових робіт по моделюванню процесів осадження з парової фази, аналізу складу газової фази та кінетики росту кристалів, була сформована технологія отримання ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію в хлоридній системі, а також реалізовані способи легування їх домішкою олова з метою керування властивостями. Було сформовано та розроблено два основних методи осадження мікрокристалів InAs з парової фази з використанням хімічних транспортних реакції, а саме: метод закритого кварцового реактора ампульного типу та метод використання проточної системи.

Метод проточної системи дає можливість гнучко контролювати рівень пересичення в зоні кристалізації, і одержувати ниткоподібні кристали із діаметрами від одиниць мікрометрів (рис.3а) до десятків мікрометрів (рис.3б).

Використовуючи метод закритого реактора можна створити більш високі рівні пересичення порядку 10³ і одержувати кристали більших розмірів, до 500 мкм. Однак регулювати рівень пересичення можна лише у вузьких межах, змінюючи температуру зони джерела та зони кристалізації. Зменшення температури зони кристалізації менше ніж 780 °С призведе до зміни різкості спаду температурного градієнту що буде сприяти осадженню об'ємних кристалів, а підвищення температури зони кристалізації більше за 820 °С створить сприятливі умови для осадження плівок. Подібна картина буде спостерігатись і при зміні температури зони джерела більше ніж на 20°С. Тому при вирощуванні ниткоподібних кристалів методом закритого реактора, для досягнення максимальної ефективності процесу необхідно підтримувати температуру зони джерела 930 ± 5 °С, та температуру зони кристалізації 890 ± 5 °С.

Для створення заданого рівня легування мікрокристалів арсеніду індію незалежно від вибраної системи (проточна система чи закритий реактор ампульного типу) в шихту завантажується додатково олово (Sn). В результаті проведених досліджень визначено кількість олова на одиницю об'єму ампули для одержання мікрокристалів InAs<Sn> з необхідною концентрацією носіїв заряду.

Представлені технологічні режими дозволяють, використовуючи метод осадження з газової фази за участю хімічних транспортних реакцій, одержувати високоякісні ниткоподібні мікрокристали арсеніду індію з низьким рівнем власних структурних дефектів. Такі кристали прекрасно підходять для проведення досліджень процесів дефектоутворення внаслідок опромінення їх високоенергетичними частинками. Створена технологія дає можливість отримувати кристали арсеніду індію, леговані оловом в широкому діапазоні концентрацій.

В четвертому розділі представлені результати морфологічних особливостей та електрофізичних досліджень одержаних ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію. В результаті проведених експериментальних процесів вирощування ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію було встановлено, що рівень пересичення та температура зони кристалізації впливають на кінцеву форму вирощених кристалів. Леговані оловом мікрокристали арсеніду індію, вирощені за методом хімічних транспортних реакцій, при оптимальних термодинамічних умовах кристалізуються у вигляді видовжених ниткоподібних кристалів із поперечним перерізом трикутної форми. Таким умовам відповідають температура зони джерела (9302)К, температура зони кристалізації (7932)К, градієнт 10 град/см. При відхиленні від оптимального режиму спостерігається поява двійникових кристалів.

Результати досліджень одержаних мікрокристалів на дифрактометрі HZG-4A показали, що параметр гратки легованих кристалів InAs<Sn> не залежить від рівня легування матеріалу. Отримані значення параметру гратки (6,0580 Е) як для слаболегованих зразків (n=5•10¹⁶ см^-3), так і для сильнолегованих зразків (n=1•10¹⁹ см^-3) відповідають довідковим даним для InAs.

З проведених досліджень електрофізичних параметрів напівпровідникових мікрокристалів InAs<Sn> видно, що збільшення кількості введеного Sn в ампульний реактор приводить до зростання концентрації вільних носіїв заряду у вирощених кристалах, зменшення питомого опору та зменшення рухливості носіїв заряду. При цьому значення рухливості та питомого опору мікрокристалів InAs<Sn>, вирощених з хлоридної системи методом хімічних транспортних реакцій, відповідають оптимальним значенням питомого опору та рухливості носіїв заряду об'ємних кристалів, вирощених за методом Чохральського з відповідною концентрацією носіїв заряду, що свідчить про відсутність в таких об'єктах прояву розмірних явищ. Результати температурних залежностей постійної Холла, питомого опору та рухливості носіїв заряду представлені на рис.6,7,8.

В результаті проведених досліджень було встановлено, що всі досліджувані мікрокристали InAs<Sn> мають електронний тип провідності.

З температурної залежності постійної Холла та питомого опору видно, що для зразків із низьким рівнем легування (5•10¹⁶ ч 5·10¹⁷) см^-3 в області високих температур (100ч250) °С спостерігається область змішаної провідності, де концентрація вільних носіїв заряду сильно залежить від температури. Для зразків із більш високім рівнем легування (>1•10¹⁸ см^-3) в представленому інтервалі температур концентрація вільних носіїв заряду практично не залежить від температури.

Аналізуючи результати температурної залежності рухливості носіїв заряду(рис.8) можна побачити, що в області низьких температур (150ч200) К відбувається зміна механізму розсіювання носіїв заряду. На механізм розсівання на іонізованих домішках, який проявляється при низьких температурах поступово накладається механізм розсіювання носіїв заряду на теплових коливаннях гратки.

Характер зміни постійної Холла, питомого опору та рухливості носіїв заряду вирощених мікрокристалів InAs<Sn> у досліджуваному інтервалі температур відповідає типовій поведінці цих параметрів для об'ємних кристалів InAs n-типу. Результати розрахунку ширини забороненої зони досліджених мікрокристалів InAs<Sn> показали, що введення домішки олова в мікрокристали арсеніду індію до рівня 5•10¹⁷ см^-3 не приводить до змін значення ширини забороненої зони матеріалу. Залежність ЕРС Холла від величини індукції магнітного поля в інтервалі магнітних полів від -1 Тл до +1 Тл зберігає лінійний характер, що свідчить про можливість використання отриманих зразків в якості чутливих елементів сенсорів магнітного поля в цьому діапазоні магнітних полів.

П'ятий розділ представляє результати досліджень впливу дії опромінення високоенергетичними електронами на електрофізичні параметри мікрокристалів арсеніду індію, легованих оловом. Опромінення проводили при температурі 300 К електронами з енергією 13 МеВ до флюенсів Ф=1,0•10¹⁶ см^-2; Ф=8,0•10¹⁶ см^-2 та Ф=1,6•10¹⁷ см^-2. Температура опромінення 300 К забезпечувалася обдувом контейнера із зразками парами рідкого азоту.

В результаті досліджень були одержані концентраційні (рис.9) та дозові залежності (рис.10) відносної зміни концентрації носіїв заряду n/n, а також концентраційні залежності швидкості зміни концентрації носіїв заряду n/Ф (рис.11) для мікрокристалів InAs з різним значенням вихідних концентрацій.

Під дією опромінення високоенергетичними електронами концентрація носіїв заряду досліджуваних зразків зростає і найбільших значень її зміна досягає в зразках з меншим початковим рівнем легування. Так, якщо при флюенсі електронів Ф > 8•10¹⁶ см^-2 для кристалів InAs<Sn> з початковою концентрацією носіїв заряду n_o 1•10¹⁷ см^-3 відносна зміна концентрації становить n/n 120%, то для кристалів з початковою концентрацією n_o 1,5•10¹⁸ см^-3 вона зменшується до 15%. Зростання концентрації носіїв заряду в InAs<Sn> обумовлено утворенням в матеріалі радіаційних дефектів переважно донорного типу і зміщенням рівня Фермі під дією опромінення в область дозволених енергій.

Аналіз дозових залежностей показав, що зразки InAs із більшою вихідною концентрацією носіїв заряду є менш чутливі до дії опромінення їх високоенергетичними частинками. Для зразків з початковою концентрацією n₀ = 1·10¹⁸ cм^-3 відносна зміна концентрації вільних носіїв заряду не перевищує (5ч6)% при флюенсі 10¹⁷ н•см^-2.

Швидкість видалення носіїв заряду (n/Ф, см^-1) залежить від початкового рівня легування матеріалу та визначається фундаментальними властивостями напівпровідникового матеріалу. З одержаних концентраційних залежностей швидкості зміни концентрації носіїв заряду видно, що значення швидкості зміни носіїв заряду не залежить від зростання кількості радіаційних дефектів при збільшенні дози опромінення, а залежить від вихідного рівня легування матеріалу.

Екстраполяція даної залежності до перетину з віссю абсцис дає можливість визначити граничне значення вихідного рівня легування матеріалу, при якому n/Ф ? 0 см^-1, тобто зміна концентрації носіїв заряду прямує до нуля.

Аналіз результатів проведених досліджень показав, що для InAs зміна електрофізичних параметрів під дією електронного опромінення, зокрема концентрації носіїв заряду, визначається початковим рівнем легування матеріалу. Значення оптимальної вихідної концентрації носіїв заряду, для якої вірним є співвідношення n/Ф 0 см^-1, не залежить від отриманої дози опромінення. Значення цієї вихідної концентрації відповідає сильно виродженому матеріалу і становить n₀ = (2 ч 3)·10¹⁸ cм^-3.

Проведені в роботі дослідження електрофізичних параметрів ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію, визначення температурних коефіцієнтів основних параметрів, а також оцінка їх стабільності під дією високоенергетичного опромінення дають цінну інформацію щодо практичного використання таких мікрокристалів в якості чутливих елементів сенсорів магнітного поля. На основі результатів проведених досліджень були сформовані критерії вимог до основних параметрів мікрокристалічних чутливих елементів сенсорів. Відповідно до встановлених вимог були одержані мікрокристалічні зразки InAs<Sn> із заданими параметрами, які стали основою чутливих елементів сенсорів для магнітометричної апаратури.

Прикладом практичного використання мікрокристалічних сенсорів магнітного поля є диференційний магнітометр DT-1, виготовлений на замовлення Дрогобицького Державного Педагогічного Університету ім. І.Франка, та магнітометричний модуль для магнітного виконавчого органу, розроблений для Дніпропетровського машинобудівного заводу „Південмаш”.

Диференційний зонд DP сформований з двох холлівських сенсорів HG1 та HG2, які розміщені один відносно одного на певній відстані. Це дозволяє одночасно вимірювати в двох точках простору індукцію магнітного поля B₁, B₂ та її градієнт з метою визначення магнітних властивостей досліджуваних речовин.

На замовлення Дніпропетровського машинобудівного заводу „Південмаш” був розроблений магнітометричний модуль (ММ) для магнітного виконавчого органу (МВО) систем орієнтації космічних апаратів, в якому в якості сенсора магнітного поля використовувався мікрокристал InSb<Sn> з оптимальною концентрацією носіїв заряду 210¹⁸ см^-3, стійкий до опромінення високоенергетичними електронами.

Використання у магнітометричних модулях космічних апаратів сенсорів магнітного поля на основі напівпровідникових кристалів InAs<Sn> дозволило покращити їх енергозберігаючі та динамічні характеристики.

основні результати та висновки

1. Шляхом математичного моделювання фізико-хімічних процесів, що протікають в газовій фазі хлоридної системи InAs-Sn-HCl при вирощуванні ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію за методом хімічних транспортних реакцій, показано можливість легування їх домішкою олова в широкому інтервалі концентрації вільних електронів. На основі проведених експериментальних досліджень масопереносу компонентів хлоридної системи InAs-Sn-HCl та кінетики росту визначені оптимальні технологічні режими росту ниткоподібних монокристалів арсеніду індію.

2. Реалізована технологія отримання з хлоридної системи газової фази ниткоподібних мікрокристалів арсеніду індію, легованих оловом. Розроблені технологічні режими дозволили отримати мікрокристали InAs<Sn> в широких межах концентрації вільних електронів від 5•10¹⁶ см^-3 до 1,5•10¹⁹ см^-3.

3. Рентгеноструктурними дослідженнями показано, що при високих рівнях легування параметр гратки кристалів практично не змінюється, що свідчить про те, що олово в мікрокристалах арсеніду індію поводить себе як домішка. Показано також, що легування різною кількістю домішки олова не впливає на морфологічні особливості мікрокристалів арсеніду індію, такі як кристалографічний напрямок та форми росту кристалів.

4. На підставі дослідження температурних залежностей електрофізичних параметрів мікрокристалів InAs<Sn> показано, що електрофізичні характеристики мікрокристалів узгоджуються з параметрами кращих об'ємних монокристалів з мінімальним вмістом структурних дефектів та відповідними значеннями концентрації вільних електронів.

5. Показано, що стабільність характеристик опромінених електронами з енергією 13 МеВ мікрокристалів InAs<Sn>, вирощених з газової фази, залежить від вихідної концентрації носіїв заряду. Значення оптимальної вихідної концентрації, для якої зміна концентрації вільних носіїв заряду при опроміненні електронами наближається до нуля, відповідає сильно виродженому матеріалу і становить n₀ ?•10¹⁸ см^-3.

6. На основі вирощених мікрокристалів InAs<Sn> виготовлені сенсори магнітного поля, які характеризуються мініатюрними розмірами, достатньою чутливістю до магнітного поля та високою стабільністю вихідного сигналу при опроміненні високоенергетичними електронами. Вони знайшли практичне застосування в магнітометричних модулях для космічних апаратів на заводі „Південмаш”, також в магнітометрах для дослідження намагніченості в Дрогобицькому державному педагогічному університеті ім. І.Франка.

список основних опублікованих робіт за темою дисертації

1. Inessa Bolshakova, Yaroslav Kost, Elena Makido, Fedor Shurygin. Mathematical simulation, synthesis, characterization and application of indium arsenide whiskers. // Journal of Crystal Growth. - 2007. -Volume 310. - Issues 7-9. - pp. 2254-2259.

2. Большакова І.А., Брудний В.Н.,Заячук Д.М.,Макідо О.Ю.,Маслюк В.Т., Мегела І.Г., Московець Т.А., Шуригін Ф.М. Вплив електронного опромінення на мікрокристали InSb< Sn> та InAs <Sn> //Фізика і хімія твердого тіла. - 2005. - Т.6,№2. - С.198-202. Physics and Chemistry of Solid State. - 2005. - V.6,№2. - Р.198-202.

3. Большакова И.А., Макидо Е.Ю., Маслюк В.Т., Мегела И.Г., Московец Т.А., Шурыгин Ф.М. Влияние электронного облучения на микрокристаллы InAs<Sn>, выращенные методом химических транспортных реакций // Известия ВУЗов. Физика. - 2006. - Т.49, №3. - C.8-10.

4. Большакова І.А., Ковальова Н.В., Кость Я.Я., Копцев П.С., Московець Т. А. Макідо Е.Ю., Шуригін Ф.М. Дослідження процесів росту та властивостей мікрокристалів арсенідів галію та індію//Вісник НУ „Львівська Політехніка”. Електроніка. - 2004. - №513. - C.40-47.

5. Большакова І.А., Кость Я.Я., Макідо О.Ю., Шуригін Ф.М. Особливості технології вирощування мікрокристалів твердого розчину InAs_1-XSb_X з газової фази // Вісник НУ „Львівська Політехніка”. Електроніка. - 2007. - №592. - C.3-7.

6. I.Bolshakova, V.Brudnyi, N.Kolin, P. Koptsev, Ya. Kost, N. Kovaleva, O.Makido, T.Moskovets, F.Shoorigin The behaviour of InSb under the irradiation with reactor neutrons // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки. - 2004. - №510. - С.56-61.

7. Bolshakova I., Brudnyi V., Duran I., Holyaka R., Kolin N., Kumada M., Leroy C., Luschikov V., Shoorygin F., Stфckel J., Vayakis G., Viererbl L. Magnetic Field Sensors under Harsh Radiation Conditions of Neutron Irradiation // Digest of Technical Papers of 18th International Conference on Solid-State Sensors (EUROSENSORS XVIII). - Rome (Italy). - 2004. - СD. - P2.52 - P. 682-685.

8. Большакова І.А., Московець Т. А., Макідо Е.Ю., Шуригін Ф.М. Дослідження масопереносу InSb в системі InSb - J₂ // Вісник НУ „Львівська Політехніка”. Електроніка. - 2004. - №513. - C.48-54.

9. Большакова І.А., Московець Т. А., Макідо Е.Ю., Шуригін Ф.М. Опромінення високоенергетичними електронами тонко плівкових та монокристалічних мікросенсорів на основі InSb // Вісник НУ „Львівська Політехніка”. Електроніка. - 2006. - №558. - C.108-113.

10. I. Bolshakova, V.Brudnyi, R.Holyaka, N. Kolin, C. Leroy, V.Luschikov, F.Shoorygin. Magnetic F Sensors under Extreme Conditions // Digest of Technical Papers of 18th International Conference on Solid-State Sensors (EUROSENSORS XVIII). - Rome (Italy). - 2004. -P. 526-527.

11. Большакова И.А., Макидо Е.Ю., Маслюк В.Т., Мегела И.Г., Московец Т.А., Шурыгин Ф.М. Влияние электронного облучения на микрокристаллы InSb // Известия ВУЗов. Физика. - 2006. - Т.49, №2. - C.42-45.

12. Большакова І.А., Заячук Д. М., Московець Т. А., Макідо О. Ю., Копцев П. С., Шуригін Ф. М. Дослідження температурної залежності параметрів легованих мікрокристалів антимоніду індію в інтервалі температур 77525К // Вісник НУ "Львівська політехніка". Електроніка. - 2003. - № 482. - С. 86-91.

АНОТАЦІЇ

Шуригін Ф.М. Технологія отримання мікрокристалів арсеніду індію, стійких до дії опромінення високоенергетичними електронами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06. - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. - Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2008р.

Дисертація присвячена проблемі розробки методів стабілізації електрофізичних параметрів напівпровідникового матеріалу InAs з метою розширення його функціональних можливостей та області застосування. Основна концепція базується на одержанні напівпровідникових мікрокристалів арсеніду індію з заданим рівнем легування, при якому зміна концентрації вільних носіїв заряду під дією опромінення високоенергетичними електронами буде мінімальною. Вперше шляхом математичного моделювання показана можливість легування мікрокристалів арсеніду індію домішкою олова в широкому діапазоні концентрацій при осадженні їх з газової фази в хлоридній системі InAs - Sn - HCl. Реалізована технологія отримання легованих оловом мікрокристалів арсеніду індію з концентрацією вільних носіїв заряду від 5·10¹⁶ см^-3 до 1·10¹⁹ см^-3. Експериментально визначений оптимальний рівень легування мікрокристалів арсеніду індію, при якому зміна концентрації вільних носіїв заряду при опроміненні високоенергетичними електронами є мінімальна. Мікрокристали InAs<Sn>, одержані осадженням з газової фази в хлоридній системі, знайшли практичне використання в датчиках магнітного поля холівського типу для вирішення магнітовимірювальних задач.

Ключові слова: мікрокристали, датчики Холла, опромінення, високоенергетичні електрони.

Шуригин Ф.М. Технология получения микрокристаллов арсенида индия, стойких к действию облучения высокоэнергетическими электронами. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06. - Технология, оборудование и производство электронной техники. - Национальный университет „Львовская политехника”, Львов, 2008.

Диссертация посвящена проблеме разработки методов стабилизации электрофизических параметров полупроводникового материала InAs, с целью расширения его функциональных возможностей и области использования. Основная концепция базируется на получении полупроводниковых микрокристаллов арсенида индия с заданным уровнем легирования, при котором изменение концентрации свободных носителей заряда под действием облучения высокоэнергетическими электронами будет минимальным. Впервые методом математического моделирования показана возможность легирования микрокристаллов арсенида индия примесью олова в широком диапазоне концентраций при осаждении их из газовой фазы в хлоридной системе InAs - Sn - HCl. Реализована технология получения легированных оловом микрокристаллов арсенида индия с концентрацией свободных носителей заряда от 5·10¹⁶ см^-3 до 1·10¹⁹ см^-3. Експериментально определён оптимальный уровень легирования микрокристаллов арсенида индия, при котором изменение концентрации свободных носителей заряда при облучении высокоэнергетическими электронами будет минимальным. Микрокристаллы InAs<Sn>, полученные методом осаждения из газовой фазы в хлоридной системе, нашли практическое применение в датчиках магнитного поля холловского типа, для решения магнитометрических задач.

Ключевые слова: микрокристаллы, датчики Холла, облучение, высокоэнергетические электроны.

Shurygin F.M. Technology for obtaining indium arsenide microcrystals stable to the impact of high-energy electron irradiation. - Manuscript.

Thesis for PhD degree by specialty 05.27.06 - Technology, instrumentation and production of electronic equipment.- Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2008.

Thesis is devoted to the problem of development of methods for stabilization of electrophysical parameters of semiconductor material InAs, aiming at increasing its functional capabilities and application field. Major concept is based on obtaining semiconductor microcrystals of indium arsenide with given doping level, at which free charge carrier concentration change under the impact of irradiation with high-energy electrons will be minimal. For the first time the possibility of doping the indium arsenide microcrystals with stannum impurity in broad concentration range during their vapour phase deposition in chloride system InAs-Sn-HCl has been demonstrated by means of mathematical simulation. Technique of obtaining stannum doped indium arsenide microcrystals having the free charge carrier concentration from 5·10¹⁶ cm^-3 to 1·10¹⁹ cm^-3 was realized. Optimal level of indium arsenide microcrystals' doping, at which free charge carrier concentration change under irradiation with high-energy electrons is minimal and for the case of electrons' energy being of the order of 13 MeV equals to 10¹⁸ cm^-3, has been experimentally determined. InAs<Sn> microcrystals obtained with the help of vapour phase deposition in chloride system have found practical application in magnetic field sensors of Hall type for solving magnetic measuring tasks. InAs<Sn> microcrystal-based magnetic field sensors are characterized by tiny dimensions, which is important when they are used in magnetic measuring devices. Such magnetic field sensors were used for the development and producing of magnetometric devices, such as differential magnetometer, developed on the order from Scientific Research Laboratory for Materials of Solid-State Microelectronics of Drohobych Ivan Franko State Pedagogical University, and magnetometric module for spacecrafts, produced on the order from Dnipropetrovsk State Enterprise "Production Association Southern Machine-Building Plant”.

Key words: microcrystals, sensitive Hall elements, irradiation, high-energy electrons.Размещено на Allbest.ru