УПРАВЛЕНИЕ КОНВЕКТИВНЫМИ ПРОЦЕССАМИ В РАСПЛАВЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ ЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ С ВЫСОКОЙ ОДНОРОДНОСТЬЮ СВОЙСТВ

© В.И.Стрелов, Е.Н.Коробейникова, Ю.А.Серебряков, В.К.Артемьев, В.И.Фоломеев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2011 г.

Из теории хорошо известно, что если необходимо уменьшать интенсивность конвективных течений в расплаве и приближаться к условиям слабых конвективных течений (диффузионного тепломассопереноса), то можно достичь высокой однородности свойств легированных кристаллов на микро- (отсутствие полос роста) и макроуровне (равномерность распределения легирующей примеси по объему кристалла). Это справедливо для кристаллов, выращиваемых как на Земле, так и в условиях невесомости (на борту космических аппаратов (КА)). Однако имеющиеся к настоящему времени результаты показывают, что выращенные при таких режимах кристаллы не всегда однородны (в первую очередь, это касается неоднородности распределения свойств по длине и диаметру кристаллов). Особенно это проявляется при проведении процессов кристаллизации на борту КА, где наиболее легко естественным способом реализуются условия диффузионного тепломассопереноса.

В работе приведены исследования по определению условий кристаллизации, обеспечивающие в земных и космических экспериментах режимы тепломассопереноса, необходимые для получения легированных кристаллов полупроводников с высокой однородностью свойств. На примере Ge(Ga) проведено математическое моделирование и экспериментальные исследования влияния интенсивности конвективных течений на микро- и макрооднородность кристаллов, выращиваемых методом вертикальной направленной кристаллизацией. Показано, что для достижения высокой однородности свойств кристаллов, выращиваемых как в земных, так и в космических условиях, необходима минимизация радиального температурного градиента и устранение свободной поверхности расплава (конвекции Марангони).

Минимизация радиального температурного градиента и устранение конвекции Марангони является одним из обязательных условий решения проблемы микрооднородности свойств легированных кристаллов (отсутствие полос роста) для земных, и особенно для космических технологий. В этом случае даже приближение к условиям диффузионного массопереноса (стационарный режим тепловой конвекции) обеспечит высокую микрооднородность выращиваемых кристаллов.

Однако необходимо отметить, что диффузионный режим массопереноса является необходимым, но недостаточным условием для получения кристаллов с высокой макрооднородностью свойств, т.к. сам по себе не обеспечивает равномерного распределения легирующей примеси по длине кристалла. При диффузионном режиме массопереноса в расплаве макрооднородность по длине кристалла определяется, в первую очередь, видом легирующей примеси, т.е. коэффициентом сегрегации и диффузии. но диффузионный режим массопереноса делает процесс кристаллизации управляемым, предсказуемым (т.е. с большой степенью вероятности расчетным) и воспроизводимым. при этом, как показали проведенные расчеты, управлять макронеоднородностью свойств как в земных, так и в космических условиях при выращивании кристаллов можно с помощью скорости кристаллизации.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калужской области (проекты № 09-02-97516 и № 09-01-97529).