ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, № 7, с. 59-67
УДК 532.516.5:548.4:621.315.592
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПРИМЕСНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В КРИСТАЛЛАХ GaSb:Te ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В КОСМИЧЕСКИХ
И НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ
© 2012 г. Ю. А. Серебряков1, В. Н. Власов1, В. С. Сидоров1, И. А. Прохоров1, И. Л. Шульпина2, Е. Н. Коробейникова1
1 Филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН, Научно-исследовательский центр "Космическое материаловедение", Калуга, Россия 2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН,
Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 03.12.2011 г.
Представлены результаты сравнительных исследований формирования примесной неоднородности в кристаллах GaSb:Te, выращенных на установке "Полизон" методом Бриджмена в космических и наземных условиях. Кристаллизация проводилась при одних и тех же температурно-времен-ных режимах нагревателей: в космосе — на спутнике "Фотон-М" № 3, на Земле — вертикальным методом Бриджмена в условиях ослабленной термогравитационной конвекции. В обоих случаях была исключена конвекция Марангони и минимизировано влияние вибрационных микроускорений на ампулу с расплавом. Микрооднородность распределения примеси в частях кристалла, перекристаллизованных методом Бриджмена, выше, чем в затравке, полученной методом Чохральского. В космических условиях микрооднородность выше, чем в наземных условиях при ослабленной термогравитационной конвекции. Спектральный фурье-анализ распределения сопротивления растекания Rs выявил характерные периоды процессов тепломассопереноса в расплавах в наземных и космических условиях.
ВВЕДЕНИЕ
Концентрационная и структурная неоднородность кристаллов отражает особенности тепломассопереноса в расплаве вблизи фронта кристаллизации и является в настоящее время основным источником информации о различного рода возмущениях во время роста. В этом отношении микрогравитация (ц§) представляет новые возможности для более детального изучения источников инициирования нестационарных процессов, влияние которых в наземных условиях на фоне значительной термогравитационной конвекции слабо проявляется.
В космосе, при практическом исключении термогравитационной конвекции, основными источниками таких возмущений является термокапиллярная конвекция Марангони, а также переменные квазистатические и вибрационные микроускорения, уровень которых на несколько порядков меньше величины ускорения земного притяжения g0 [1—4]. Детальное исследование механизма влияния и минимизации указанных возмущающих факторов необходимо для развития наземных и космических технологий получения совершенных кристаллов различных материалов [1—5]. Решение этой задачи достигается при ис-
ключении в расплаве конвекции любого типа и приближении к условиям диффузионного массо-переноса.
На борту космических аппаратов при (10-5— 10-6^0 такая ситуация может быть реализована при определенных условиях за счет естественного исключения термогравитационной конвекции. На Земле применение вертикального метода Бридж-мена с осесимметричным нагревом сверху позволяет на 2—3 порядка понизить уровень термогравитационной конвекции, моделируя в определенной мере конвективные процессы, характерные для микрогравитации [6]. Проведенная оценка характера тепломассопереноса в земных и космических условиях [1—3, 6—9] указывает на необходимость прецизионного проведения экспериментов, особенно в космических условиях, в связи с возможностью при внешних возмущениях перейти порог устойчивого течения в прифронтовой области кристаллизации. Важнейшими условиями являются исключение конвекции Марангони и осуществление процесса кристаллизации при ориентации оси роста параллельно результирующему вектору микроускорений в направлении, противоположном его воздействию. По существу это означает, что и в космических условиях также необходимо осуществление "вертикального" варианта метода Бриджмена в
такой же конфигурации, как и на Земле, с осесим-метричным потоком тепла "сверху", в направлении действия вектора остаточной гравитации, при расположении затравки "внизу".
В данной работе рассматриваются результаты космического (КЭ) и наземного (НЭ) экспериментов по направленной кристаллизации GaSb:Te методом Бриджмена. Оба эксперимента выполнялись при одних и тех же температурно-вре-менных режимах на одной и той же ростовой установке "Полизон": КЭ — на спутнике "Фотон-М" № 3, НЭ — после приземления спускаемого аппарата. Ставилась цель исследовать особенности макро- и микронеоднородностей распределения примеси в кристаллах GaSb:Te, выращенных в различных условиях тепломассопереноса при исключении конвекции Марангони и минимизации воздействия вибрационных микроускорений. При этом в наземном эксперименте процесс кристаллизации проводился в условиях ослабленной термогравитационной конвекции вертикальным методом Бриджмена при направлении вектора g0 противоположно направлению роста. В космическом эксперименте, при исключении термогравитационной и термокапиллярной конвекции и минимизации влияния вибрационных микроускорений источником конвективных течений, были квазистатические микроускорения, ориентация результирующего вектора которых относительно оси роста в процессе кристаллизации менялась.
Антимонид галлия был выбран как типичный представитель полупроводниковых соединений III—V с температурой плавления Тпл = 712°С, подходящей для проведения космического эксперимента из-за энергетических ограничений на спутнике "Фотон-М" № 3. Кроме того этот материал представляет значительный практический интерес, в частности, он используется при производстве термофотоэлектрических преобразователей (ТФЭП). Исследование возможностей повышения однородности выращиваемых кристаллов в зависимости от условий тепломассопереноса важно для увеличения эффективности разрабатываемых ТФЭП.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для более полного использования благоприятных факторов невесомости, связанных с практическим отсутствием термогравитационной конвекции и возможностью получения кристаллов с высокой микрооднородностью свойств, необходимо исключить или минимизировать воздействие рассматриваемых возмущений на процессы тепломассопереноса в расплаве Оа8Ъ:Те в процессе роста. Применяемые с этой целью технические сред-
ства и технологические приемы были отработаны при наземной подготовке КЭ [11—13].
В используемой конструкции кварцевой ампулы (рис. 1) за счет плунжера с пружиной расплав полупроводникового материала находился в замкнутом объеме, и отсутствовала свободная поверхность [11—13]. Это позволило устранить термокапиллярную конвекцию Марангони, обеспечить сохранение осевой симметрии теплового поля при отклонении оси роста от направления результирующего вектора микроускорений и минимизировать их влияние, так как расплав не перемещается под их воздействием в технологической оснастке ампулы. Исключение конвекции Маран-гони (Мп = 0) приводит к значительному повышению устойчивости процессов тепломассопереноса в расплаве по отношению к возмущениям различной природы. Их критический уровень, вызывающий нарушение условий стационарности у фронта кристаллизации, на порядки возрастает по сравнению со случаем Мп Ф 0 [1—3, 8].
В орбитальном неориентированном полете автоматических космических аппаратов (АКА) "Фотон" уровень остаточных низкочастотных (в диапазоне 0.001—0.1 Гц) микроускорений составляет (1—7) х 10-6£0 [10]. При этом результирующий вектор микроускорений сложным образом меняет свое направление относительно фронта кристаллизации. За время оборота АКА вокруг Земли (Т~ 90 мин) существует составляющая вектора остаточных микроускорений, действующая вдоль фронта кристаллизации. Несмотря на малую величину, эта составляющая является важной причиной нарушения стационарности условий кристаллизации и появления микронеоднородности распределения примеси [1—4, 9].
Процесс кристаллизации на установке "Поли-зон" в штатном режиме проводится за счет движения ампулы относительно нагревателей. При этом ампула испытывает вибрации, обусловленные работой механизма перемещения, в полосе частот 1—500 Гц с амплитудой (1—6) х 10-3^0 по разным направлениям [10]. В работах [1—3] показано, что на Земле критическими для развития нестационарностей являются вибрации с амплитудами составляющих вдоль фронта кристаллизации, превышающими 10-1^0. То есть, для наземных условий рассматриваемые вибрации не являются "опасными". Однако в космосе на основании теории подобия критическая амплитуда возмущений в зависимости от уровня микрогравитации и диапазона частот понижается на два и более порядка [14, 15], и вибрации от работы механизма перемещения могут превысить эти значения. В связи с этим для устранения в КЭ их возможного влияния при наземной подготовке был отработан способ проведения направленной кристаллизации в движущемся с постоянной ско-
Кварцевая ампула
Графитовая пружина
Магнитный индуктор
Нагреватели
Рис. 1. Схема расположения кварцевой ампулы в нагревательном узле установки "Полизон"
ростью осевом температурном поле без перемещения ампулы относительно нагревателей Н1— Н7 (рис. 1) за счет управления режимами их работы [11-13].
В наземном эксперименте тепловой узел ростовой установки ориентировался вертикально при расположении затравки в нижней "холодной" его части. В ходе КЭ и НЭ работали три нагревателя — Н3, Н4 и Н5, а нагреватели Н1, Н2, Н6—Н8 были пассивными. Циклограммы экспериментов включали следующие стадии: нагрев (1ч); температурная выдержка (3 ч); кристаллизация (10 ч); регулируемое охлаждение (1.5 ч); пассивное охлаждение. На стадии температурной выдержки проводилось перемешивание расплава для его гомогенизации в течение 2 ч с помощью вра-
щающегося магнитного поля частотой / = 100 Гц и индукцией В = 3 мТл. За полчаса до начала кристаллизации магнитный индуктор отключали, чтобы характеристики тепломассопереноса в расплаве в наземном эксперименте определялись только тепловыми условиям кристаллизации при
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.