КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 2, с. 369-375
РОСТ КРИСТАЛЛОВ
УДК 548.5
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ Ga1 _ x Inx Sb
____w -t
ОДНОРОДНОГО СОСТАВА В УСЛОВИЯХ СЛАБЫХ ТЕЧЕНИИ1
© 2004 г. С. В. Быкова, В. Д. Голышев, М. А. Гомик, В. Б. Цветовский, T. Дшффар*, М. П. Марчемко**, И. В. Фрязимов**
Центр теплофизических исследований "Термо", Александров E-mail: thermo.ltd@relcom.ru ^Национальный политехнический институт,Лаборатория "Электромагнитные процессы в материалах",
Гренобль, Франция **Институт математического моделирования РАН, Москва Поступила в редакцию 26.02.2003 г.
Для исследования возможности получения макрооднородных кристаллов Оа1 _ х1пх8Ъ с х = 0.2 использован метод осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации (ОТФ). Анализ выросших слитков проведен на электронном сканирующем микроскопе 1БМ-5300, и результаты этих исследований сравнены с результатами численного моделирования. Показано, что математическая модель в целом правильно описывает процессы переноса тепла и массы в стационарном режиме. Выявлено, что при кристаллизации Оа1 _ х 1пхБЪ в условиях слабых ламинарных течений методом ОТФ продольная однородность наблюдается в случае создания в расплаве застойной зоны и получения режима кристаллизации, близкого к диффузионному. Показано, что состав кристалла сильно зависит от характера течения расплава и его динамики.
ВВЕДЕНИЕ
Концентрированная смесь ва1 _ х1пхБЪ является идеальным раствором в твердом и жидком состояниях. Появляется возможность, изменяя соотношение концентрации компонентов в псевдодвойном соединении ОаЗЪДпБЪ, получать материалы с заданными свойствами: с необходимыми шириной запрещенной зоны и параметрами решетки для устройств оптоэлектроники. Последнее предъявляет довольно жесткие требования к макро- и микрооднородности, поэтому исследованию этой проблемы было посвящено довольно много работ.
Основные усилия при решении проблемы получения макрооднородных монокристаллов ва1 _ х1пх8Ъ были направлены на интенсификацию течения расплава с целью перемешивания состава вблизи фронта кристаллизации и на организацию подпитки материалом в процессе роста. В частности, интересные результаты по росту однородных монокристаллов были получены при выращивании ва1 _х1пх8Ъ для величин х < 0.05 методом Чохральского за счет сильного перемешивания расплава, вызванного встречным вращением расплава и затравки [1, 2]. Методом Чохральского с плавающим тиглем получены кристаллы Оа0.981п0 028Ъ с постоянной концентрацией 1п вдоль кристалла за счет подпитки плавающего тигля
1 Работа была представлена на Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2002, Москва).
[3]. Используя метод погруженного нагревателя, авторы [4] продемонстрировали возможность получения однородных кристаллов ва1 _ х1пхБЪ при 0 < х < 0.1, вращая погруженный в расплав нагреватель. За счет перемешивания расплава композиционный градиент в выросшем слитке был сглажен и удалось избежать трещин при росте кристаллов. В [5] показано, что более сильное перемешивание расплава с помощью сопряженного вибрационного перемешивания улучшает химическую однородность кристаллов, выращенных методом Бриджмена. Однако интенсификация течения ведет к конвективной нестационарности и появлению турбулентных пульсаций, что в свою очередь приводит к образованию макро- и микронеоднородности материала. Рост при слабых ламинарных течениях лишен этих недостатков, однако работ, посвященных исследованию влияния характера ламинарного течения на макро- и микрооднородность состава выросшего слитка, существенно меньше. В частности, кристаллы ва1 _ х1пх8Ъ с достаточно хорошим однородным радиальным составом были выращены для х = 0.05 методом замерзания в вертикальном градиенте [6] и для х = 0.01 и 0.04 методом Бриджмена [7]. В этих работах слабое течение было получено за счет малого диаметра тигля (10 мм). Достоинство [7] заключается в том, что наряду с исследованием влияния тепловых режимов на характер радиальной и продольной неоднороднос-тей выполнен численный анализ процессов пере-
(а)
(б)
Герметичный кожух
Секция ОТФ-нагревателя
Крышка ОТФ-тигель
Расплав
ж,
Секции \ фонового нагревателя
■Подставка
Рис. 1. а - схема ОТФ-кристаллизатора; б - схема расчетной области системы кристалл-расплав.
носа тепла и массы. В [7] показано, что в случае слабо конвективного режима кристаллизации (скорость течения расплава V = 10-4 м/с) состав кристаллов ва1 _х1их8Ъ более однороден, чем в случае режима течения близкого к диффузионному (V = 105 м/с). В то же время в [8] на основе численных исследований найдено, что кристаллизация Оао.81п028Ъ методом выращивания в условиях осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации (метод ОТФ) приводит к однородному по составу слитку в диапазоне скоростей течения расплава V = 10-6-10_4 м/с. Это противоречие между данными [7] и [8] говорит о необходимости более тщательного анализа взаимовлияния различных процессов при кристаллизации ва1 - х1пх8Ъ. Качество кристаллов ва1 -х1пх8Ъ определяется сложным взаимодействием многих физических процессов: сегрегацией, межфазной кинетикой, тепло- и массопереносом, концентрационным переохлаждением и другими явлениями. Поскольку этот анализ чрезвычайно труден, в полной мере он не выполнен до настоящего времени. Это связано в том числе с тем, что традиционные методы выращивания не обеспечивают необходимой точности задания граничных условий.
В отличие от традиционных методов метод ОТФ [9] дает возможность точно задать граничные условия по температуре и составу в процессе роста. За счет использования погруженного нагревателя естественная конвекция вблизи фронта кристаллизации при использовании метода ОТФ подавлена до 10-5 от ее величины для метода Бриджмена при тех же размерах диаметра тигля. Течение расплава носит ламинарный характер, а его скорость не превышает десятых долей милли-
метра в секунду [10]. Это дает в свою очередь возможность использовать метод ОТФ для изучения взаимодействия процессов сегрегации и тепло-массопереноса при слабых течениях.
Целью настоящей работы было численно-экспериментальное исследование закономерностей переноса массы и формирования формы межфазной границы в зависимости от тепловых условий кристаллизации ва1 - х1пх8Ъ, а также определение условий получения однородных слитков методом ОТФ.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОСОБЕННОСТИ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ
Схема метода ОТФ приведена на рис. 1а. Погруженный в расплав ОТФ-нагреватель устанавливается в расплаве на небольшом расстоянии Н от межфазной поверхности, что обеспечивает контролируемый осевой тепловой поток вблизи фронта кристаллизации и позволяет управлять формой фронта кристаллизации. ОТФ-нагреватель делит расплав на две зоны W1 и соединяющиеся через узкий зазор 5. Когда тигель движется относительно ОТФ-нагревателя, расплав перетекает из зоны над нагревателем в зону W1 под ним. Для получения однородного по высоте состава закристаллизованного слитка в зоне W1 размещался расплав состава Оа0.31п078Ъ, а в зоне - Оа081п028Ъ. В соответствии с диаграммой состояния [11] при кристаллизации расплава состава Оа031п078Ъ образуется твердая фаза -Оа081п028Ъ. Для восполнения содержания ва в зону W1 поступает состав Оао.81п028Ъ из зоны W2. Таким образом, зона W2 играет роль питателя.
т
7
т
6
т
Г*
Выполнено два эксперимента. Gax _ xInxSb кристаллизовался в графитовом тигле с внутренним диаметром 46 мм в атмосфере Ar. Термопары ВР5/20 устанавливались в стенках графитового тигля и в кожухе ОТФ-нагревателя в точках Tx - T8 (рис. 1). Кристаллизация проводилась таким образом, чтобы перепад температуры AT на слое расплава h в зоне Wx был равен перепаду температур между линией солидус и ликвидус для кристаллизуемого состава Ga08In02Sb (AT = 70 K). При этом температура в точке Tx поддерживалась постоянной в ходе кристаллизации Tx = const и равнялась температуре ликвидус (T = 685°С). Температура в зоне W2 была несколько выше температуры ликвидус для состава Ga08In02Sb (T > 685°С).
Кристаллизация проводилась без затравки и начиналась благодаря спонтанной кристаллизации со дна тигля путем опускания тигля в холодную зону печи с заданной скоростью. В процессе выращивания температура дна тигля с помощью системы компьютерного управления [12] уменьшалась таким образом, чтобы толщина слоя расплава h = const.
Для проверки влияния тепловых условий на кристаллизацию Gax - xInxSb при слабых течениях расплава режимы выращивания в двух экспериментах были различными. В первом эксперименте был создан положительный радиальный градиент температуры на ОТФ-нагревателе (Tx < T2). Скорость вытягивания и радиальный градиент температуры не менялись в процессе кристаллизации. В конце эксперимента с целью выявления формы фронта кристаллизации вытягивание тигля было остановлено, а расплав был охлажден с большой скоростью. Затем после нагрева и плавления быстро закристаллизовавшейся части слитка вытягивание тигля было продолжено с той же скоростью. Во втором эксперименте создан отрицательный радиальный градиент температуры на ОТФ-нагревателе (Tx > T2), который увеличивался в процессе роста. В ходе кристаллизации скорость вытягивания менялась.
Закристаллизованные слитки разрезались в продольном направлении. Для выявления фронта кристаллизации и структуры кристалла образцы обрабатывались в травителе состава: CrO3 (34.2 г), 40% HF (5 мл), H2O (250 мл). Анализ выросших слитков проведен на электронном сканирующем микроскопе JSM-5300, оснащенном аналитическим блоком Link ISIS.
Для анализа взаимовлияния сложных процессов, имеющих место при кристаллизации Gax _ xInxSb, было выполнено математическое моделирование процессов тепломассопереноса и формирования состава в выросшем кристалле Gax - xInxSb. При математическом моделировании предполагается, что на тепломассоперенос в зоне Wx под ОТФ-нагревателем верхняя зона W2 не
II зона
I зона
(а) (б)
Рис. 2. Продольный разрез слитков Оа1 _ х1пх8Ь после
травления: а - I эксперимент; б - II эксперимент.
оказывает влияния и служит только резервуаром. Расчет процессов тепломассопереноса проводился с помощ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.