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

Форма профілю концентрації для одномірної задачі отримана при рішенні рівняння безперервності Бартоном, Примом, Слихтером. Ними отримане вираження, що зв'язує ефективний і рівноважний коефіцієнти розподілу домішки й умови кристалізації.

Утворення грані (111) на опуклому в розплав фронті кристалізації приводить до того, що швидкості росту і захоплення домішки в області “грані” відрізняються від їхніх значень поза “гранню”. Ефективний коефіцієнт розподілу Te у InSb в області грані складає 3-4 і перевершує його значення за її межами більш ніж у 6 разів.

Методи спрямованої кристалізації Бріджмена, зонної перекристалізації і Чохральського успішно застосовують для одержання монокристалів InSb. Метод витягування з розплаву по Чохральському має переваги перед іншими у зв'язку з його високою продуктивністю і керованістю. Тому він був обраний у даній роботі як експериментальний метод одержання монокристалів InSb.

Другий розділ містить огляд літератури по шаруватій неоднорідності легуючої домішки в монокристалах напівпровідників і методам зниження цього типу неоднорідностей. Складна структура домішкових шарів ускладнює їхню ідентифікацію і визначення умов, що сприяють усуненню шаруватості. Однією з головних причин утворення шаруватості вважається нестаціонарна конвекція в розплаві, що викликає пульсації температури на фронті кристалізації, і періодична зміна мікроскопічної швидкості росту.

У теперішній час використовується два способи зниження шаруватості – вплив на розплав магнітних і ультразвукових полів у процесі вирощування монокристалів.

Вплив магнітного полю і його взаємодія з розплавом, що володіє металевими властивостями, змінює конфігурацію конвекційних потоків і за певних умов підвищує стійкість течій. Це виявляється в усуненні пульсацій швидкості потоків і температури на фронті кристалізації. Підвищення стійкості течій, перехід їх у стаціонарний режим є наслідком зростання ефективної в'язкості розплаву. При цих умовах забезпечується дифузійний масоперенос у прикордонному шарі. Таким чином, вплив магнітного поля можна врахувати в рівняннях, що описують рух рідини в межфазній межі за допомогою параметра  , де  - товщина дифузійного шару. Відносна товщина цього шару в магнітному полі зростає, а, отже, ефективний коефіцієнт розподілу домішки наближається до 1.

Установлено межу напруженості магнітного поля, що складає 1500 Е, при перевищенні якої шаруватість у кристалах InSb з'являється знову. Шаруватість, обумовлена обертанням кристала, є присутньою незалежно від величини магнітного поля.

Застосування магнітних полів при вирощуванні монокристалів напівпровідників обмежується великими розмірами, високою енергоємністю і недостатньою ефективністю їх впливу на шаруватість у InSb.

Ультразвукова обробка розплаву в процесі вирощування монокристалів також зменшує, а в деяких матеріалах приводить до повного усунення шаруватості. Низькочастотні коливання викликають стаціонарні течії в рідині. При високій інтенсивності ультразвуку в розплавах In-Sb виникає кавітація. Зв'язана з нею потужна ударна хвиля приводить до руйнування фронту кристалізації і, отже, до одержання полікристалічного зливка з високою однорідністю складу.

Ріст монокристала можливий у докавітаційному режимі ультразвукового впливу. У цьому випадку в розплаві виникають акустичні течії, що можуть впливати на процеси масопереносу в прикордонному шарі.

При впливі ультразвуку мегагерцового діапазону частот і інтенсивністю, набагато меншою порога кавітації, отримані монокристали GaAs і сплавів Bi-Sb без шаруватості. Вплив ультразвуку з частотою до 10 МГц на шаруватість у зазначених матеріалах, можливо, зв'язаний з утворенням стоячої звукової хвилі в розплаві під зростаючим кристалом.

Наявні експериментальні дані підтверджують доцільність застосування ультразвукового впливу для зниження шаруватості в монокристалах напівпровідників і необхідність вивчення його впливу на процес кристалізації.

У третьому розділі описані методики вирощування монокристалів InSb, підготовки поверхні досліджуваних зразків, виявлення і спостереження шаруватості телуру.

Витягування монокристалів здійснювали методом Чохральського. Після розрощування кристала до діаметру 10 мм проводили витягування зливка постійного діаметра. Швидкість витягування, що складає 0, 05 мм/хв, підтримували постійною в усіх експериментах. Частоту обертання регулювали від 0 до 10 об/хв. В отриманих кристалах чергувалися області, вирощені при впливі ультразвуку на розплав і без нього, а також з різними швидкостями обертання.

Запропоновано спосіб вирощування монокристалів напівпровідників при впливі ультразвуку на розплав, у якому ультразвукові коливання вводяться через хвилевід, вварений у дно тигля, у середину якого приміщали розплав.

Вирощені монокристали InSb розрізали на електроіскровому верстаті паралельно площини (211), орієнтацію якої контролювали рентгенівським методом. Отриману поверхню шліфували, а потім полірували на механічному полірувальному верстаті “Metapolan”.

Шаруватість телуру виявляли методом хімічного травлення, використовуючи травитель СР-4.

Розподіл телуру вивчали за допомогою оптичного МІМ-7 і електронного “Nanolab-2100” мікроскопів.

У четвертому розділі приведені експериментальні результати дослідження шаруватості телуру в монокристалах InSb, вирощених в ультразвуковому полі. Для реалізації описаного в розділі 3 способу вирощування кристалів напівпровідників обрані матеріали для виготовлення хвилевідно-випромінюючої системи. Хвилевід в експериментальній установці, виконаний із плавленого кварцу, що має малий коефіцієнт поглинання ультразвуку в частотному діапазоні від 0, 6 до 5 Мгц. Випромінювачем була пластина з п’єзокерамики ЦТС. Інтенсивність ультразвуку, що вводиться в розплав при використовуваних умовах, приведена в табл. 1.

 

Таблиця 1

Інтенсивність ультразвуку, що вводиться в розплав. 

Частота

  МГц

Напруга

  В

Інтенсивність  Вт/м2

Інтенсивність  Вт/м2

 

0, 6 30 250 220

1, 25 30 1100 910

2, 5 20 1900 1440