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.