научная статья по теме ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЙ РОСТА ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АНТИМОНИДА ГАЛЛИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫМ МЕТОДОМ БРИДЖМЕНА НА УСТАНОВКЕ “ПОЛИЗОН” Физика

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЙ РОСТА ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АНТИМОНИДА ГАЛЛИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫМ МЕТОДОМ БРИДЖМЕНА НА УСТАНОВКЕ “ПОЛИЗОН”»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, < 2, с. 58-66

УДК 532.516.5 : 548.4:621.315.592

ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЙ РОСТА ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АНТИМОНИДА ГАЛЛИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫМ МЕТОДОМ БРИДЖМЕНА НА УСТАНОВКЕ"ПОЛИЗОН"

© 2009 г. Ю. Ä. Серебряков1, М. П. Марченко2, И. Ä. Прохоров1, Е. Н. Коробейникова1, И. Л. Шульпина3

Научно-исследовательский центр "Космическое материаловедение" Института кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН, Калуга, Россия 2ООО НПП "ОТФ-Техно", Александров, Владимирская область, Россия 3Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 25.12.2007 г.

Исследованы возможности управления процессами тепломассопереноса для получения стационарных условий кристаллизации антимонида галлия вертикальным методом Бриджмена с подводом тепла сверху на установке "Полизон". Реализация стационарных условий вблизи фронта кристаллизации достигается за счет исключения конвекции Марангони, ориентации оси роста вдоль вектора гравитации, минимизации радиального и оптимизации осевого температурных градиентов, кристаллизации при равномерном перемещении температурного поля вдоль ампулы с образцом без ее механического движения относительно нагревателей. Результаты экспериментальных исследований сопоставлены с численными расчетами процессов тепломассопереноса и параметров кристаллизации, в том числе для условий микрогравитации.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время значительно усилился интерес к созданию эффективных термофотоэлектрических преобразователей на основе узкозонных соединений А3В5. Перспективным для использования в качестве подложек для этих целей является антимонид галлия [1]. К полупроводниковым материалам для применения в приборах на основе фотовольтаического эффекта предъявляются исключительно высокие требования в отношении их однородности свойств и структурного совершенства. Это связано с тем, что неоднородности в распределении легирующей примеси, выделения и кластеры примесных атомов снижают эффективность преобразования света, являясь центрами безызлучательной рекомбинации неосновных носителей заряда.

Решение проблемы высокой макро- и микрооднородности выращиваемых из расплава кристаллов однозначно связано с управлением процессами тепломассопереноса в нем таким образом, чтобы обеспечить стационарность условий роста вблизи фронта кристаллизации (ФК) [2]. Интенсивная нестационарная конвекция приводит к флуктуациям температуры вблизи ФК, локальному изменению микроскопической скорости роста и, как следствие, к формированию неоднородности распределения примеси на микронном уровне в виде полос роста. Ослабленная термогравитацион-

ная конвекция позволяет получить более стабильные условия кристаллизации и, соответственно, более однородные кристаллы [2-4]. В пределе при исключении конвекции любого вида и преобладающем диффузионном тепломассопереносе в расплаве можно достичь условий, когда рост кристаллов будет происходить только на основе процессов самоорганизации и самосборки атомов, не искаженных возмущающими конвективными течениями. В этом случае возможно получение кристаллов с неоднородностью свойств менее 1% [5]. Эти факты являются логическим обоснованием проведения экспериментов в космосе при естественном отсутствии термогравитационной конвекции.

Автоматическая печь "Полизон" предназначена для экспериментов по кристаллизации полупроводниковых и иных материалов на борту орбитальных аппаратов [6]. Данная работа проводилась в рамках наземной подготовки космического эксперимента (КЭ) по направленной кристаллизации антимонида галлия на автоматическом космическом аппарате "Фотон-М3". В наземных экспериментах применяли вертикальный метод Бриджмена с расположением затравки в нижней "холодной" части установки и осесимметричным нагревом с преимущественным потоком тепла сверху [7]. При этом имеет место существенное снижение интенсивности конвективных течений

[2, 8] по сравнению с методом Чохральского, с помощью которого был выращен исходный монокристалл антимонида галлия. Этот монокристалл был использован для перекристаллизации вертикальным методом Бриджмена. Таким образом, полученные в рассматриваемых экспериментах образцы имеют затравочную и перекристаллизованную части, выращенные, соответственно, в условиях интенсивной нестационарной (методом Чохральского) и ослабленной (вертикальным методом Бриджмена) термогравитационной конвекции. Однако создание только преимущественного потока тепла сверху еще не является достаточным условием для полного исключения нестационарности условий роста. Необходимо также исключить возмущения негравитационного типа и управлять осевым и радиальным градиентами температур для создания оптимальных параметров кристаллизации - структуры и интенсивности конвективных течений, геометрии и скорости перемещения межфазной границы [7, 8, 9-15].

Одной из целей наземных исследований являлось изучение возможностей управления процессами тепломассопереноса при направленной кристаллизации на установке "Полизон" для создания условий стационарного роста и повышения однородности выращиваемых монокристаллов антимонида галлия. Рассматриваются ва8Ъ:Те и ваБЪ^ с равновесными коэффициентами распределения легирующей примеси, равными кТе = 0.4 и кЗ{ ~ 1 [16, 17]. Для количественной характериза-ции процессов тепломассопереноса в расплаве и кристаллизации использовали численное моделирование процесса кристаллизации [7, 8, 18]. В данной работе рассматриваются результаты численных расчетов в сопоставлении с некоторыми экспериментальными данными о структурных особенностях выращенных кристаллов. Для исследования этих особенностей применяли комплекс методов, включая металлографические, рентгенодифрак-ционные, электрофизические, оптический эмиссионный спектральный метод и ядерный микроанализ [8, 18-20]. Конечным результатом исследований должно стать определение условий формирования высокой однородности распределения легирующей примеси и структурного совершенства при выращивании монокристаллов, в том числе и в космических условиях, и применение полученных знаний в технологии роста высокосовершенных кристаллов антимонида галлия для высокоэффективных термофотоэлектрических преобразователей.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В наземных исследованиях при росте вертикальным методом Бриджмена с осесимметрич-ным подводом тепла сверху обеспечивается режим ослабленной термогравитационной конвекции. Это может быть использовано в качестве

приближения к условиям КЭ [2, 7, 8-10, 18, 21, 22]. При этом можно на Земле исследовать закономерности образования макро- и микронеод-нородностей в кристаллах в связи с особенностями тепломассопереноса в расплаве, с применением теории подобия процессов ТМП в жидких средах и математического моделирования прогнозировать параметры кристаллизации для получения высокооднородных кристаллов в космосе [11-13]. В работах [7, 9-15, 22, 23] теоретически рассчитано и экспериментально показано, что для решения поставленной задачи при проведении экспериментов должны быть выполнены определенные условия по исключению влияния негравитационных видов конвекции (термокапиллярной и термоконцентрационной конвекции Марангони) и внешних возмущений, превышающих некоторый критический уровень. При этом важно учитывать и направление действия массовых сил, вызываемых источниками возмущений, по отношению к оси роста кристаллов. Наиболее "опасными" являются массовые силы, имеющие тангенциальную составляющую, действующую вдоль фронта кристаллизации, и приводящие к нарушению осевой симметрии процесса кристаллизации. В наземных экспериментах такими возмущениями являются отклонение оси роста кристалла от вертикали и возможные вибрации, воздействующие на расплав вдоль ФК.

С учетом этого при постановке наземных экспериментов на установке "Полизон" были предприняты меры по исключению конвекции Марангони и минимизации воздействия массовых сил с составляющей вдоль фронта кристаллизации. В используемой конструкции кварцевой ампулы (рис. 1) за счет плунжера с пружиной расплав полупроводникового материала находился в замкнутом объеме, и исключалось образование свободной поверхности [8, 18]. Это позволило избавиться от термокапиллярной конвекции Марангони, обеспечить сохранение осевой симметрии теплового поля в расплаве и минимизировать влияние перечисленных выше возмущений, так как расплав не будет перемещаться под их воздействием в технологической оснастке ампулы. Тепловой узел ростовой установки ориентировался вертикально при расположении затравки в нижней "холодной" его части (рис. 1). При этом отклонение оси роста от вертикали не превышало 4-5°. В наземных условиях такое отклонение при отсутствии свободной поверхности расплава является допустимым и не приводит к развитию нестационарной конвекции в расплаве [7, 10].

Процесс кристаллизации на установке "Полизон" 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 (0.3-5) х 10-3£0 по

Кварцевая ампула"

Графитовая пружина

Магнитный индуктор

Нагреватели

• Термопары

Рис. 1. Схема расположения ампулы с термопарами в контейнере и в нагревательном узле установки "По-лизон".

разным направлениям [24, 25]. В работах [9, 10, 21, 22] показано, что на Земле критическими для развития нестационарностей являются вибрации с амплитудами составляющих, действующих вдоль ФК, превышающими 3 х 10-1£0. То есть для наземных условий рассматриваемые вибрации не являются "опасными". Однако в космосе в зависимости от уровня микрогравитации критическая амплитуда возмущений понижается на два и более порядка [10], и вибрации от работы механизма перемещения могут превысить эти значения. В связи с этим для осуществления КЭ был отработан в наземных условиях способ проведения направленной кристаллизации в движущемся с постоянной скоростью осевом температурном поле без перемещения ампулы и нагревателей за счет управления их режимами работы [8, 18, 26].

Для перекристаллизации и

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.

Показать целиком