Отримання телуру високої чистоти з пониженим вмістом кисню для рідинофазної епітаксії твердих розчинів кадмій-ртуть телур - Автореферат

Відсутність надійних та ефективних для промислової технології отримання телуру високої чистоти методів кількісного аналізу вмісту кисню в телурі на всіх стадіях комплексної очистки визначає актуальність завдання по розробці підходів оцінки його вмісту з можливістю оперативного корегування технології. Вихідним критерієм оцінки ступеня очистки телуру від кисню та його придатності для епітаксіальних технологій можуть служити результати вимірювання електрофізичних параметрів та дослідження морфології ростової поверхні епітаксіальних структур КРТ, вирощених методом рідинофазної епітаксії з розчину в розплаві телуру, отриманого за удосконаленою технологією. Дослідження кінетики та встановлення механізмів окисно-відновних процесів у системі Te-О-Н для визначення основних технологічних факторів, за допомогою яких можливо провести оптимізацію параметрів процесів дистиляційної і зонної очистки телуру в протоці водню від домішки кисню. Предмет дослідження - шляхи удосконалення технології комплексної очистки телуру, що включає додаткову очистку телуру від домішки кисню, а також спосіб оцінки придатності телуру для рідинофазної епітаксії твердих розчинів КРТ. домішка телур кисень очистка Вперше розроблені математичні моделі і з їхньою допомогою визначені оптимальні значення основних параметрів процесу дистиляційної і зонної очистки телуру від домішки кисню (температура в зоні випаровування Т=1013 К, тривалість процесу дистиляції t=8 годин, витрата водню J=2.8 л/хв., кількість проходів зони N=21, ширини зони L=6 см і швидкість переміщення розплавленої зони u=30 мм/годину) стосовно до діючої промислової технології одержання телуру високої чистоти, що забезпечують максимальний вихід телуру при заданому обмеженні на ступінь його очистки.У другому розділі висвітлено розроблену методику гравіметричного контролю вмісту домішки кисню в телурі на стадіях вхідного контролю телуру технічної чистоти (99.95 % мас.) та першої стадії дистиляційної очистки в потоці газу-носія аргону, викладено дослідження стану атомів кисню в телурі на різних стадіях очистки та можливість застосування характерних даних морфології поверхні епітаксіального шару КРТ, вирощеного методом РФЕ, для контролю рівня вмісту кисню в кінцевому продукті очистки - телурі високої чистоти (99.9999 % мас. і більше). Зроблений аналіз діючої технологічної схеми показав, що джерелами домішки кисню в телурі можуть бути: кисень у вихідній сировині, кисень з атмосфери (натікання) в результаті її неповного видалення з реакторів, з реакторних (контейнерних) матеріалів при високотемпературних процесах, а також кисень з атмосфери при низькотемпературних міжопераційних переходах. Використовуючи відомі значення термодинамічних потенціалів реакції окислювання телуру та експериментально визначену нами енергію активації реакції окислювання телуру вільним киснем (Е=25.8 ккал/моль) зроблено висновок, що окисні процеси при міжопераційних переходах є незначними. При вмісті домішки кисню в телурі менш 3·1018 см-3, що характерно для телуру високої чистоти після двухстадійної дистиляції, більш глибоко очистити телур від домішки кисню можна після фінішної стадії очистки методом зонної перекристалізації в потоці водню. У третьому розділі висвітлено основні результати дослідження кінетики випаровування телуру в потоці газу-носія та кінетики окисно-відновних процесів при отриманні телуру високої чистоти для визначення технологічних параметрів, які ефективно впливають на процес очистки телуру від домішки кисню.Розроблено метод і апаратуру визначення вмісту домішки кисню у початковому телурі технічної чистоти з використанням дистиляційного розділення і гравіметрії залишку проби телуру, що дозволяє в промислових умовах контролювати основне джерело надходження кисню в процесі очистки і, таким чином, одержувати телур високої чистоти з контрольованим і зниженим вмістом кисню. Чутливість методу з урахуванням вмісту інших контрольованих домішок визначається можливостями засобів гравіметрії і при вимірюванні маси з точністю ±0.001г може досягати значення 1·10-3 % мас., що дозволяє застосовувати даний метод безпосередньо в технологічному процесі промислового одержання телуру високої чистоти з контрольованим вмістом кисню. Розроблено метод оцінки якості телуру високої чистоти з контрольованим вмістом кисню по характеру мікро-і макроморфології поверхні епітаксіальних шарів КРТ, вирощених методом РФЕ, що дозволяє, таким чином, відтворено одержувати шари КРТ на КЦТ із високою планарністю вільної поверхні. Визначено джерела і механізми надходження кисню в телур при його очистці комплексним методом у промислових умовах. Встановлено, що основним джерелом є кисень у початковому телурі технічної чистоти, вміст якого змінюється в залежності від умов його одержання та наступної взаємодії з киснем атмосфери і може досягати значення 1% мас.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Розроблено метод і апаратуру визначення вмісту домішки кисню у початковому телурі технічної чистоти з використанням дистиляційного розділення і гравіметрії залишку проби телуру, що дозволяє в промислових умовах контролювати основне джерело надходження кисню в процесі очистки і, таким чином, одержувати телур високої чистоти з контрольованим і зниженим вмістом кисню. Чутливість методу з урахуванням вмісту інших контрольованих домішок визначається можливостями засобів гравіметрії і при вимірюванні маси з точністю ±0.001г може досягати значення 1·10-3 % мас., що дозволяє застосовувати даний метод безпосередньо в технологічному процесі промислового одержання телуру високої чистоти з контрольованим вмістом кисню.

2. Розроблено метод оцінки якості телуру високої чистоти з контрольованим вмістом кисню по характеру мікро- і макроморфології поверхні епітаксіальних шарів КРТ, вирощених методом РФЕ, що дозволяє, таким чином, відтворено одержувати шари КРТ на КЦТ із високою планарністю вільної поверхні.

3. Визначено джерела і механізми надходження кисню в телур при його очистці комплексним методом у промислових умовах. Встановлено, що основним джерелом є кисень у початковому телурі технічної чистоти, вміст якого змінюється в залежності від умов його одержання та наступної взаємодії з киснем атмосфери і може досягати значення 1% мас. Проведено аналіз системи Te-TEO2 і зроблена оцінка межі розчинності кисню в телурі. При вмісті домішки кисню в телурі високої чистоти менше 1·1018 см-3 атоми кисню розчиняються, заміщаючи атоми телуру, а при більшому вмісті утворюється стійка сполука ТЕО2.

4. Встановлено, що експериментальні дані по кінетиці дистиляції телуру в потоці газу-носія в температурному інтервалі від 823 до 1123К описуються кінетичним рівнянням Єрофеєва-Колмогорова. При дистиляції в потоці водню отримана температурна залежність кінетичного параметру може бути пояснена тим, що при більш високих температурах речовини, що відновилися, випаровуються з більшою швидкістю, звільняючи при цьому доступ водню до оксидів. Виходячи з характеру кінетичних кривих дистиляції при оптимізованих параметрах процесу встановлено, що реакції відновлення протікають без автокаталізу, що в свою чергу свідчать про слабкий хімічний звязок у структурі диоксидів.

5. Синтезовані статистичні моделі процесів дистиляційної і зонної очистки телуру в потоці водню від домішки кисню і вирішені задачі оптимізації, що забезпечують максимальний вихід телуру при заданому обмеженні на ступінь очистки від домішки кисню. В результаті вирішення оптимізаційних задач визначені оптимальні значення режимних факторів дистиляційної очистки: температура в зоні випаровування -740 °C, витрата водню -2.8 л/хв., тривалість процесу - 8 годин; і зонної очистки: ширина розплавленої зони - 4 см, швидкість її переміщення уздовж злитка - 0.5 мм/хв., число проходів зони - 10 разів. Вихід очищеного телуру на стадії дистиляції при цьому складає 87 %, а на стадії зонної очистки - 68.0 %..

6. Експериментально встановлено, що застосування телуру високої чистоти зі зниженим вмістом кисню як розчинника при РФЕ шарів КРТ приводить до помітного поліпшення якості вільної поверхні (висота мікрорельєфу не перевищує 5.0 мкм) і високих значень електрофізичних параметрів гетероструктур.

7. Розроблено і впроваджено у виробництво на ДП “Багіра” ВАТ “Чисті метали” технологічну схему, апарати і оптимальні режими для дистиляційної і зонної очистки телуру в потоці водню, що дозволяють у промислових умовах одержувати телур високої чистоти з контрольованим вмістом залишкової домішки кисню (не більш 1·10-5 % мас.), придатний для вирощування епітаксіальних шарів КРТ для ІЧ-приладобудування.

Загальний річний економічний ефект від впровадження розробок складає 107 тис. грн.

1. Оксанич А.П., Петренко В.Р., Тербан В.А. Оптимизация процесса очистки теллура и кадмия для производства радиационно-чувствительных кристаллов CDTE(Zn). // Нові технології. Науковий вісник Інституту економіки та нових технологій. 2005. №1-2(7-8). С. 17-20.

2. Петренко В.Р., Тербан В.А., Шепель Л.Г. Оптимизация процесса зонной очистки теллура от примеси атомов кислорода. // Нові технології. Науковий вісник Інституту економіки та нових технологій. 2005. №3(9). С. 29-32.

3. Петренко В.Р., Тербан В.А., Шепель Л.Г. Оптимизация процесса дистилляционной очистки теллура от примеси кислорода. // Нові технології. Науковий вісник Інституту економіки та нових технологій. 2005. № 4(10). С. 3-7.

4. Оксанич А.П., Кротюк И.Г., Тербан В.А., Шепель Л.Г. Разработка метода и аппаратуры для определения кислорода в теллуре в процессе промышленного производства теллура высокой чистоты // Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. Випуск 5(40). Дніпропетровськ. 2005. С. 143-151.

5. Oksanich A.P., Terban V.A., Shepel L.G. Influence of residual oxygen in high purity tellurium on obtaining of epitaxial CDHGTE structures for IR-detectors. // in Book of abstracts of 2nd Intern. Conf. on Physic of Laser Cryst. Yalta, Crimea. 2005. P. 23.

6. Резвицкий В.В., Тербан В.А. Получение кристаллов теллура с пониженным содержанием кислорода. // Сб. трудов 6-ой межд. конф. “Рост монокристаллов и тепломассоперенос”. Обнинск. 2005. т. 2. С. 496-498.