Вплив ультразвуку на процеси росту монокристалів твердого розчину Ga0.03In0.97Sb з розплаву і шарів GaAs методом рідкофазної епітаксії - Автореферат

Дослідження, присвячені вивченню впливу зовнішніх полів на ріст монокристалів із розплавів та розчинів, набувають усе більшого розвитку в звязку з перспективами їхнього застосування в технології одержання однорідних монокристалів напівпровідників. Розглядаючи відомі в наш час методи вирощування однорідних монокристалів у магнітному полі, в умовах мікрогравітації і під впливом ультразвуку, слід зазначити, що дані методи спрямовані, насамперед, на усунення основної причини формування шаруватої неоднорідності в монокристалах - конвекції в розплаві. Визначені в даній роботі оптимальні умови росту монокристалів Ga0.03In0.97Sb за методом Чохральського і епітаксіальних шарів GAAS рідкофазною епітаксією в ультразвуковому полі надали змогу одержати однорідні обємні монокристали й поверхово досконалі епітаксіальні шари. Експерименти моделювання конвекції в умовах гідродинамічної та геометричної подібності модельних процесів і процесів росту монокристалів Ga0.03In0.97Sb та епітаксіальних шарів GAAS, виконані в даній роботі, були ініційовані необхідністю вивчення механізму впливу ультразвукових хвиль на конвективні потоки в рідкій фазі, які є причиною формування шаруватого розподілу компонентів у монокристалах Ga0.03In0.97Sb і макроступенів в епітаксіальних шарах GAAS. Експериментальні та теоретичні дослідження, наведені в роботі, проводилися відповідно до пріоритетного напрямку науки й техніки “Нові технології й ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості й агропромисловому комплексі” згідно з держбюджетною темою Міністерства освіти і науки України ДН № 30-03 “Дослідження впливу ультразвуку на ріст монокристалів напівпровідників і конвекцію в рідкій фазі”, державний реєстраційний номер 0103У00424.Для виконання досліджень впливу ультразвукового поля на шарувату неоднорідність у монокристалах Ga0.03In0.97Sb найдоцільнішим є використання традиційного методу росту за Чохральським, в якому існує можливість введення ультразвукових хвиль у розплав через дно тигля. Завдяки даному каналу кластери, що захоплюються конвективними потоками, будуть коливатися у пучностях каналу стоячих ультразвукових хвиль в центральній частині обєму розплаву. Однак для формування каналу стоячих ультразвукових хвиль у розплаві Ga-In-Sb необхідно, щоб сила, що діє на кластери з боку ультразвуку, перевищувала силу, що діє на кластери з боку конвективного потоку. Розглядаючи конвективний тепломасоперенос в розплаві Ga-In-Sb в процесі росту кристалів Ga0.03In0.97Sb за допомогою рівняння Навє-Стокса, було встановлено, що максимальна швидкість конвективних потоків спостерігається в центральної частині ростового тигля на фронті кристалізації і становить м/с для умов росту монокристалів Ga0.03In0.97Sb, коли радіус кристала дорівнює 5 мм, а кутова швидкість обертання складає 1,047 с-1. Для вищевказаних параметрів росту згідно наступного виразу було також розраховано силу, що діє з боку ультразвукової хвилі на кластер радіусом 5 нм у розплаві Ga-In-Sb: (1) де - щільність звукової енергії, - хвильове число, - радіус кластера, - координата, уздовж напряму розповсюдження хвилі, - щільність кластера, - щільність розплаву, c0 - швидкість звуку в кластері, - швидкість звуку в розплаві.У дисертації визначені умови вирощування в ультразвуковому полі монокристалів Ga0.03In0.97Sb, епітаксіальних шарів GAAS і завдяки моделюванню даних процесів росту вивчено вплив ультразвуку на конвекцію в рідкій фазі. Визначено залежність частоти ультразвуку від кутової швидкості обертання кристала, яка дозволяє забезпечити ефективний вплив ультразвукових хвиль на конвективні потоки в розплаві. Визначено умови вирощування однорідних монокристалів Ga0.03In0.97Sb методом Чохральського в ультразвуковому полі: швидкість витягування - 0,025?0,05 мм/хв, частота обертання кристала - 1?10 об/хв, осьові градієнти температури в рідкій і твердій фазах - 2?4 і 50?60 К/см відповідно, частота ультразвукових хвиль до 1,44 МГЦ. Показано, що ультразвукові хвилі значно знижують конвекцію в рідкій фазі завдяки формуванню стоячих ультразвукових хвиль між границею розподілу фаз і дном тигля при градієнтах температури в модельній рідині до 2 К/см, частоті обертання мідного стрижня, що імітує зростаючий кристал, до 10 об/хв і частоті ультразвуку до 1,44 МГЦ в експериментах моделювання конвекції в умовах гідродинамічної й геометричної подоби до процесу росту монокристалів Ga0.03In0.97Sb.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації визначені умови вирощування в ультразвуковому полі монокристалів Ga0.03In0.97Sb, епітаксіальних шарів GAAS і завдяки моделюванню даних процесів росту вивчено вплив ультразвуку на конвекцію в рідкій фазі.

1. Розроблено фізичну модель механізму впливу ультразвуку на процеси, що відбуваються в рідкій фазі при вирощуванні монокристалів Ga0.03In0.97Sb. Визначено залежність частоти ультразвуку від кутової швидкості обертання кристала, яка дозволяє забезпечити ефективний вплив ультразвукових хвиль на конвективні потоки в розплаві.

2. Визначено умови вирощування однорідних монокристалів Ga0.03In0.97Sb методом Чохральського в ультразвуковому полі: швидкість витягування - 0,025?0,05 мм/хв, частота обертання кристала - 1?10 об/хв, осьові градієнти температури в рідкій і твердій фазах - 2?4 і 50?60 К/см відповідно, частота ультразвукових хвиль до 1,44 МГЦ.

3. Показано, що проведення відпалу при температурі 145?155 0С упродовж 12 годин монокристалів Ga0.03In0.97Sb запобігає утворення тріщин довжиною більше 0,1 мм.

4. Виявлено вплив ультразвуку на електрофізичні властивості в монокристалах Ga0.03In0.97Sb, вирощених в ультразвуковому полі: рухливість носіїв заряду збільшується на 23?46 %, термо-е.д.с. зростає на 22?32 % у порівнянні з монокристалами, витягнутими без ультразвукового впливу.

5. Експериментально встановлено, що застосування ультразвуку з частотами від 0,69 до 1,44 МГЦ у процесі росту кристалів Ga0.03In0.97Sb дозволяє усунути шари з періодом більше 14 мкм, які спостерігаються в монокристалах Ga0.03In0.97Sb, вирощених без ультразвукового впливу.

6. Установлено механізм формування шарів з періодом від 7 до 14 мкм у кристалах Ga0.03In0.97Sb.

7. Показано, що ультразвукові хвилі значно знижують конвекцію в рідкій фазі завдяки формуванню стоячих ультразвукових хвиль між границею розподілу фаз і дном тигля при градієнтах температури в модельній рідині до 2 К/см, частоті обертання мідного стрижня, що імітує зростаючий кристал, до 10 об/хв і частоті ультразвуку до 1,44 МГЦ в експериментах моделювання конвекції в умовах гідродинамічної й геометричної подоби до процесу росту монокристалів Ga0.03In0.97Sb. Експериментально підтверджена безперервна дія стоячих ультразвукових хвиль у модельній рідині - ацетоні навіть при зниженні його рівня в тиглі на величину, що значно перевищує довжину ультразвукової хвилі. Інтенсивність ультразвуку, що вводиться в модельні рідини, на границі розподілу фаз не перевищувала 0,02 Вт/см2.

8. Розроблено метод росту епітаксіальних шарів GAAS в ультразвуковому полі, який дозволяє одержувати поверхово досконалі шари: швидкість охолодження 0,25 К/см, перегрів рідкого галію не більше ніж на 3 К.

9. Виявлено, що уведення ультразвукових хвиль із частотою 1 МГЦ у рідку фазу усувало конвекцію в центральній частині завдяки формуванню стоячих ультразвукових хвиль і знижувало швидкість конвективных потоків на периферії обєму рідини у два рази при градієнтах температури в рідкій фазі до 8 К/см і висоті модельної рідини до 20 мм в експериментах моделювання конвекції в рідкій фазі в умовах гідродинамічної й геометричної подоби до процесу росту епітаксіальних шарів GAAS.

1. Zolkina L.V., Kozhemyakin G.N. Effect of ultrasound on the growth striations in GAXIN1-XSB single crystals // Functional Materials. - 2005. - №4(12), - P. 25 - 29.

2. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н. Формирование слоистой неоднородности легирующих компонентов при кристаллизации расплавов // Современная электрометаллургия. - 2005. - №4 - С. 49-51.

3. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н. Исследование неоднородности распределения компонентов в монокристаллах твердых растворов Ga0.03In0.97Sb // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2003. - №8. - С. 65 - 68.

4. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н. Моделирование процесса жидкофазной эпитаксии при воздействии ультразвука // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2003. - №10 (68). Ч2. - С. 144 - 148.

5. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н. Влияние ультразвукового поля на слоистую неоднородность в монокристаллах твердых растворов GAXIN1-XSB // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2004. - №6(76) - С. 90 - 93.

6. Кожемякин Г.Н., Золкина Л.В., Афанасьева М.В. Исследование влияния отжига на трещины в монокристаллах твердых растворов GAXIN1-XSB // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2005. - №3. - С. 119 - 122.

7. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н., Ром М.А. Совершенство структуры и электрофизические свойства монокристаллов GAXIN1-XSB // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2006. - №9(103). - С. 211 - 218.

8. Kozhemyakin G.N., Zolkina L.V., Inatomy Y. Influence of ultrasound on crystal growth from solution and related flow visualization // Crystal growth & Design. - 2006. - V. 6, Iss. 10. - P. 2412 - 2416.

9. Патент України № 2003087480, МПК 7 H01L21/20. Спосіб вирощування напівпровідникових шарів рідкофазною епітаксією / Кожемякін Г.М., Золкіна Л.В. Опубл. 15.06.2004. Бюл.№6.

10. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н. Исследование слоистости в монокристаллах твердых растворов Ga0.03In0.97Sb // Тезисы докладов на X Национальной конференции по росту кристаллов, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Москва, Россия, 24-29 ноября 2002 г. - С. 99.

11. Кожемякін Г.М., Золкіна Л.В. Моделювання конвекції в рідкій фазі в умовах близьких до вирощування кристалів GAXIN1-XSB // Тези доповідей на Наукової конференції професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Наука-2004, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, Україна, 21 квітня 2004 р. - С. 40.

12. Kozhemyakin G.N., Zolkina L.V. Effect of ultrasound field on the striations in GAXIN1-XSB single crystals // Abstracts on the Fourteenth international conference on crystal growth, Grenoble, France, 9-13 August, 2004. - P. 156.

13. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н. Исследование слоистости в монокристаллах твердых растворов GAXIN1-XSB, выращенных в ультразвуковом поле // Тезисы докладов на XI Национальной конференции по росту кристаллов, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Москва, Россия, 13-17 декабря 2004 г. - С. 145.

14. Zolkina L.V., Kozhemyakin G.N. Influence of ultrasound on the growth striations in GAXIN1-XSB single crystals // Abstracts on the International Conference “Crystal materials’ 2005”, Scientific & Technological Corporation “Institute for Single crystals”, Kharkov, Ukraine, May 30- June 2, 2005. - P. 172.

15. Kozhemyakin G.N., Zolkina L.V., Krutov Yu. M. Influence of ultrasonic standing waves on flow in the melt and solution in Czochralski and LPE crucibles // Abstracts on the 5th International Workshop on Modeling in Crystal Growth, Bamberg, Germany, 10-13 September, 2006. - P. 176-177.

16. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н. Слоистая неоднородность и электрофизические свойства монокристаллов твердых растворов GAXIN1-XSB // Тезисы докладов на школе-семинаре “Рост кристаллов”, Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, Украина, 20-23 сентября 2006 г. - С. 13.

17. Кожемякин Г.Н., Золкина Л.В., Ром М.А. Влияние ультразвука на слоистость и электрофизические свойства монокристаллов твердых растворов GAXIN1-XSB // Тезисы докладов на XII Национальной конференции по росту кристаллов, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Москва, Россия, 23-27 октября 2006 г. - С. 174.