ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 7, с. 49-57
УДК 532.516.5:548.4:621.315.592
РОСТ ВЫСОКООДНОРОДНЫХ КРИСТАЛЛОВ GaSb:Te ДЛЯ ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
© 2014 г. Ю. А. Серебряков1, В. С. Сидоров1, И. А. Прохоров1, Е. Н. Коробейникова1, В. Н. Власов1, В. К. Артемьев2, В. И. Фоломеев2, И. Л. Шульпина3, Н. А. Паханов4
Филиал Института кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН Научно-исследовательский центр "Космическоематериаловедение", 248640Калуга, Россия
E-mail: zakharov@kaluga.rosmail.com 2Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского (Государственный научный центр РФ), 249033 Обнинск, Россия E-mail: artemyev@ippe.ru 3Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 104021 Санкт-Петербург, Россия
Е-mail: Iren.Shulpina@pop.iojfe.rssi.ru 4Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, 248033 Новосибирск, Россия
Е-mail: pakhanov@isp.nsc.ru Поступила в редакцию 04.12.2013 г.
Рассмотрены вопросы технологии выращивания высокооднородных кристаллов полупроводников и влияния неоднородности подложек GaSb:Te на эффективность термофотоэлектрических преобразователей, изготовленных на их основе по диффузионной технологии. Теоретически обоснованное и экспериментально реализованное приближение к условиям диффузионного массопереноса в расплаве позволило значительно повысить макро- и микрооднородность выращиваемых кристаллов. Характеристики термофотоэлектрических преобразователей на подложках из кристаллов с наиболее высокой однородностью свойств превосходят аналогичные характеристики других образцов.
DOI: 10.7868/S0207352814070166
ВВЕДЕНИЕ
Общие тенденции развития электроники, связанные с миниатюризацией, повышением степени интеграции микросхем и надежности их работы предъявляют все более высокие требования к качеству полупроводниковых и диэлектрических материалов, на основе которых реализуются новые физические, функциональные и технологические принципы. Происходящий в настоящее время переход к субмикронным и нанометровым технологиям требует получения практически бездефектных, однородных на таком же размерном уровне монокристаллов.
Узкозонные материалы III—Vгрупп (Eg ~ 0.50— 0.75 эВ) представляют значительный интерес, так как на их основе в настоящее время создаются термофотоэлектрические преобразователи (ТФЭП), позволяющие эффективно преобразовывать тепловое и концентрированное солнечное излучение в электрическую энергию [1, 2]. Они могут работать как в дневное время при нагреве солнечным излучением, так и круглосуточно при сжигании углеводородного топлива. Для излучателей, работающих при температурах 1200—1700°C, одним из наиболее технологичных и коммерчески выгодных материалов является антимонид галлия
(Оа8Ъ) с шириной запрещенной зоны Е% = 0.69 эВ. Этот материал является фоточувствительным начиная с X = 1.8 мкм. Выходная мощность фотоэлектрических преобразователей на основе Оа8Ъ может в пять раз превышать мощность кремниевых фотоэлементов и в 1.5 раза — элементов на основе Ое и ОаАз/Ое [1—3].
Важнейшими требованиями к параметрам монокристаллов полупроводниковых материалов, используемых в качестве подложек для изготовления ТФЭП, являются структурное совершенство и высокая однородность их легирования. Макро- и микронеоднородности типа полос роста, микровыделений или кластеров примесных атомов и других дефектов являются, как правило, местами утечки токов или пробоя р—«-переходов, центрами безызлучательной рекомбинации неосновных носителей заряда, что может значительно снижать эффективность создаваемых приборов.
В связи с этим актуальны проблемы макро- и микрооднородности выращиваемых кристаллов и способы их решения, связанные с минимизацией конвективных процессов в расплаве. Как правило, обеспечение условий их стационарности позволяет получать кристаллы без полос роста с
4
49
однородностью свойств на микронном уровне. Следующий шаг в повышении микрооднородности кристаллов — достижение субмикронного и, в пределе, нанометрового уровней, необходимых для разрабатываемых планарных нанотехнологий создания полупроводниковых интегральных схем и приборов. Этого можно достичь только на новом этапе управления процессом кристаллизации при исключении конвекции любого вида, при преобладающем диффузионном массопереносе в расплаве, когда при кристаллизации обеспечиваются структурная самоорганизация и самосборка растущего кристалла из атомов, не искаженные возмущающими конвективными процессами.
Проводимые исследования были направлены на разработку научных и технологических основ метода выращивания монокристаллов полупроводников (на примере Ое:Оа как модельного материала и Оа8Ъ:Те) с высоким совершенством структуры и обладающими свойствами, пригодными для создания высокоэффективных термофотоэлектрических преобразователей на подложках из получаемых монокристаллов антимонида галлия.
МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Развитие метода вертикальной направленной кристаллизации. В основе развиваемых принципов при модернизации ростовой установки и разработке основ технологии выращивания высокооднородных и совершенных кристаллов полупроводниковых материалов вертикальным методом Бриджмена лежат экспериментальные и теоретические результаты, полученные при подготовке космических экспериментов [4—14]. В Космосе, при практическом исключении термогравитационной конвекции, естественным образом возможно достижение диффузионного массопере-носа [15, 16]. Изучение условий его реализации при переменной микрогравитационной обстановке позволило выявить роль возмущений, слабо проявляющихся на Земле на фоне интенсивной термогравитационной конвекции, и применить полученные знания для развития земных технологий.
Осесимметричный верхний подвод тепла, минимизация радиального (ДТК) и оптимизация осевого (ДТ2) температурных градиентов в расплаве с обеспечением практически плоского фронта кристаллизации позволяют на три порядка величины понизить уровень термогравитационной конвекции по сравнению с обычным методом Бриджмена с боковым нагревом [8—10]. Кроме того, исключение термокапиллярной конвекции Ма-рангони и влияния внешних возмущений (вибрационного фона и отклонения ориентации оси роста от направления вектора гравитации) позволяют практически подавить все источники конвектив-
ных течений и, при соответствующем подборе скорости кристаллизации Ур, реализовать преобладание диффузионного массопереноса в расплаве и повысить макро- и микрооднородность распределения легирующей примеси. В пределе, при ДТК ^ 0 должен обеспечиваться чисто диффузионный режим массопереноса [4—14].
На рис. 1 представлены конструкции теплового узла и кварцевой ампулы для проведения экспериментов. Ростовая установка ориентировалась вертикально. Преимущественный осесим-метричный поток тепла сверху с задаваемым осевым температурным градиентом ДТ2 обеспечивается торцевым (ТН), основным (ОН) и нижним (НН) нагревателями при соответствующем расположении ампулы в тепловом узле. При этом торцевой нагреватель позволяет минимизировать радиальный градиент температуры ДТК на поверхности расплава, обеспечивая также близкую к плоской форму фронта кристаллизации.
Исходный образец исследуемого материала (1) находится в графитовом тигле, размещенном в кварцевой ампуле (2), которая закрепляется в держателе (3). Процесс кристаллизации производится путем перемещения создаваемого температурного поля с заданными величинами ДТ2 = 15 град/см и ДТК < 1 град/см без механического движения нагревателя и ампулы с полупроводниковым материалом путем управления температурными режимами нагревателей. Таким образом исключались источники развития конвекции в расплаве, связанные с вибрациями от механизма перемещения и отклонения оси роста от направления вектора гравитации. Исключение термокапиллярной конвекции Марангони обеспечивалось конструкцией кварцевой ампулы (рис. 2б) за счет постоянного контакта графитового плунжера с расплавом в ходе процесса кристаллизации. Таким образом, отсутствовала свободная поверхность расплава и, соответственно, конвекция Марангони. При этом плунжер и нижняя графитовая вставка служат для выравнивания радиальных температурных градиентов на торцевой поверхности расплава и у фронта кристаллизации.
Управление процессом кристаллизации с помощью автоматизированной системы производится по показаниям термопар, четыре из которых измеряют температуру, соответственно, по центру и периферии нижнего (ТН0 и ТНК) и верхнего (ТВ0 и ТВК) торцов ампулы, остальные располагаются вдоль образующей цилиндрической поверхности ампулы.
С учетом результатов численных расчетов процессов тепломассопереноса в расплаве и распределения примеси в выращенных кристаллах, автоматизированное прецизионное управление процессом кристаллизации производилось путем снижения температуры основного и торцевого нагревателей по линейному закону ДТ/Д? =
(а)
(б) ТН
Графитовый плунжер
Кварц
Затравка
Графит
!Н0
Рис. 1. Конструкция теплового узла ростовой установки (а) и кварцевой ампулы для проведения экспериментов (б): 1 — образец; 2 — кварцевая ампула; 3 — держатель.
2
= 0.15 град/мин для обеспечения скорости роста Ур ~ 5 мм/ч. При этом температура на нижнем торце поддерживалась постоянной. Радиальный градиент температуры на верхнем и нижнем торцах ампулы в течение всего процесса кристаллизации поддерживался на уровне АТК < 1 град/см.
Исходные монокристаллические образцы Ое:Оа и Оа8Ъ:Те, выращенные методом Чохраль-ского, на данном этапе исследований имели следующие габариты: диаметр d = 23 мм и длину Ь = = 40 мм. После их проплавления до нужной глубины и последующей кристаллизации получаемые кристаллы имели затравочную (длиной 1з ~ 10 мм) и перекристаллизованную (1кр ~ 30 мм) части, выращенные, соответственно, в условиях интенсивной нестационарной (метод Чохральского) и ослабленной (вертикальный метод Бриджмена) термогравитационной конвекции. Направления выращивания и концентрации легирующих примесей: для Ое:Оа — (111), [Оа] = 1019 см-3; для Оа8Ъ:Те - (100), [Те] = (0.6-1) х 1018 см-3.
Получение эпитаксиальных и диффузионных структур на п
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.