Вирощування легованих монокристалів ІnSb і моделювання конвекції в розплаві при впливі ультразвуку

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи складалася в розробці способу зниження шаруватості при вирощуванні монокристалів InSb методом Чохральського, легованих телуром.

Об'єктом досліджень була шарувата неоднорідність компонентів, що виникає при вирощуванні монокристалів напівпровідникових матеріалів.

Предметом дослідження був процес вирощування монокристалів InSb, легованих телуром, методом Чохральського при впливі ультразвуку на розплав.

Для досягнення цієї мети зважуються наступні задачі:

Розробка способу вирощування монокристалів при впливі ультразвуку на розплав.

Розробка методики дослідження шаруватості в монокристалах InSb, легованих телуром.

Вивчення закономірності зміни шаруватості при витягуванні кристалів в ультразвуковому полі.

Розрахунок інтенсивності ультразвуку, який вводиться в розплав.

Розробка методики моделювання ультразвукового впливу на розплав.

Дослідження впливу ультразвуку на конвекцію в модельній рідині в умовах, подібних до вирощування кристалів методом Чохральського.

Методи досліджень. Використано наступні методи: для вирощування монокристалів – модифікований метод Чохральського; для виявлення шаруватості – метод хімічного травлення, оптична й електронна мікроскопія; для візуалізації плинів у модельній рідині – метод “світлового ножа” із застосуванням відеозапису і комп'ютерної обробки результатів експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів складається:

1. У розробленому способі вирощування монокристалів напівпровідникових матеріалів модифікованим методом Чохральського в ультразвуковому полі.

2. В отриманих закономірностях зміни шаруватості телуру в монокристалах InSb, вирощених в ультразвуковому полі. Показано, що вплив ультразвуку з частотою від 0, 6 до 5, 0 Мгц усуває шаруватість в області “грані”.

3. У розробці моделі зниження шаруватості в області “грані” при впливі ультразвуку на розплав, що складається в ймовірному зменшенні ефективного коефіцієнту розподілу домішки і його наближенні до 1 унаслідок збільшення ефективної в'язкості розплаву в полі стоячої звукової хвилі, що може формуватися поблизу міжфазної границі.

4. У розробці удосконаленої методики вивчення конвекції в модельній рідині із застосуванням цифрового відеозапису і комп'ютерної обробки отриманих результатів.

5. В отриманих експериментальних даних, що показують виникнення стоячих звукових хвиль в обсязі рідини під диском, що імітує кристал, при впливі ультразвуку і вплив їх на конвекційні течії в модельній рідині.

Практичне значення отриманих результатів.

Отримані в роботі результати дослідження шаруватості телуру в монокристалах InSb і порівняння їх із шаруватістю домішок в інших матеріалах, отриманих при аналогічних умовах вирощування в ультразвуковому полі, розвивають фізичні уявлення про механізм впливу ультразвуку на процес кристалізації розплавів напівпровідників. Реалізація запропонованого автором способу вирощування кристалів в ультразвуковому полі для одержання монокристалів GaAs і твердих розчинів Bi-Sb дозволила цілком усунути шаруватість у зазначених матеріалах. Спосіб вирощування був використаний при виконанні наступних госпдоговірних і держбюджетних науково-дослідних робіт:

№Э-023-87 з Науково-дослідним інститутом матеріалознавства, м. Москва;

№Э-50-89 із Всесоюзним науково-дослідним інститутом матеріалів електронної техніки, м. Калуга;

№ГН-4-89 з Мінвуз УРСР.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором поставлена задача наукових досліджень, розроблений спосіб вирощування монокристалів при впливі ультразвуку на розплав [4], розроблена модель впливу ультразвуку на шаруватість в області “грані” [1], запропонована методика вивчення конвекції в модельній рідині [2, 6].

Разом зі співробітниками лабораторії росту кристалів Східноукраїнського національного університету виконані дослідження впливу ультразвуку на ріст кристалів InSb [1], проведені експерименти по моделюванню конвекції в рідині в умовах [3], подібних росту кристалів в ультразвуковому полі, і комп'ютерна обробка отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідалися й обговорювалися на конференціях:

Міжнародної науково-практичної конференції “Університет і регіон” 28-30 листопада 2000р., м Луганськ;

Міжнародної конференції з ультразвука 2-5 липня 2001р., Технічний університет Делфт, Нідерланди;

на семінарах кафедри фізики Східноукраїнського національного університету в 1989 і 1993 р., семінари лабораторії напівпровідникових матеріалів Інституту металургії ім. А. А. Байкова АН СРСР у 1989р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 6 наукових праць, 3 із яких є статті в наукових журналах України, одне авторське свідоцтво та 2 доповіді на конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, практичних рекомендацій і списку використаної літератури. Робота викладена на 147 сторінках машинописного тексту, містить 37 малюнків, 15 таблиць. Перелік літератури містить 110 найменувань вітчизняних і закордонних авторів.

 

 

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень і розробок, представлені наукова новизна і практична значимість отриманих результатів. Приведено загальну структуру роботи.

У першому розділі наведено огляд літератури про фізичні і фізико-хімічні властивості кристалів напівпровідникової сполуки InSb та ії розплаву. Умови вирощування монокристалів з розплаву визначаються як властивостями розплаву, так і кінетикою процесів у межфазній межі. Процес кристалізації супроводжується зміною структурно-чутливих властивостей напівпровідникового матеріалу. Такими властивостями є в'язкість, щільність, електропровідність і ін., що змінюються стрибком при переході речовини з рідкого стану у твердий. Процеси плавлення і кристалізації супроводжуються зміною характеру хімічного зв'язку, а, отже, і атомної структури речовини.

Встановлено, що координаційне число InSb змінюється від 4 у кристалічному стані до 6 у рідкому, тому відповідний фазовий перехід відбувається по типу напівпровідник-метал.

Особливості діаграми стану хімічної сполуки InSb, наприклад, вузька область гомогенності, забезпечують можливість вирощування досконалих монокристалів антимоніду індію з високими електрофізичними параметрами.

Нерівномірність