МЕТОДЫ ХАРАКТЕРИЗАЦИИ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ И СТРУКТУРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В КРИСТАЛЛАХ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ

© И.А.Прохоров, Ю.А.Серебряков, И.Л.Шульпина, В.Н.Власов, Е.Н.Коробейникова, И.Ж.Безбах
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2010 г.

Получение совершенных по структуре высокооднородных монокристаллов полупроводников является одной из важнейших задач полупроводникового материаловедения. Однако ее практическое решение сопряжено с известными трудностями, обусловленными, прежде всего, многообразием факторов, влияющих на рост и структуру кристаллов. В частности, конвекция в расплаве, стационарная или нестационарная, влияет на распределение примеси на границе кристалл-расплав, в то время как нестационарное температурное поле в расплаве приводит к вариации скорости роста и морфологии ростовой поверхности. Совместные эффекты этого конвективного процесса, вместе с присущей большинству ростовых систем тепловой асимметрией, приводят к неоднородности в распределении примеси со сложными особенностями.

Условия продолжительного свободного падения на низких земных орбитах дают уникальную возможность уменьшить влияние конвекции в расплаве на сегрегацию, так как влияние гравитации уменьшается до шести порядков величины. Соответственно, пропорционально уменьшается и характеризующаяся числом Рэлея движущая сила конвекции. Таким образом, в условиях микрогравитации при практически полном отсутствии термогравитационной конвекции может быть естественным образом реализован диффузионно-контролируемый режим роста, что позволяет надеяться на получение в высшей степени однородных кристаллов. Для характеризации таких кристаллов необходимо развитие адекватных методов контроля слабых концентрационных неоднородностей с высоким пространственным разрешением.

Проведенный анализ показал, что определение состава на микроуровне ограничено чувствительностью и пространственным разрешением используемых аналитических методов. Поэтому экспериментальное изучение микросегрегации примеси с типичным для кристаллов периодом флуктуации состава, составляющим несколько десятков микрометров, обычно ограничивается качественным металлографическим анализом, использованием данных по ИК поглощению и фотолюминесценции. Широко используемый для количественной характеризации однородности полупроводниковых кристаллов метод измерения сопротивления растекания не всегда обеспечивает необходимое пространственное разрешение при изучении концентрационных неоднородностей на микроуровне, что приводит к существенному искажению информации об амплитуде и пространственных характеристиках флуктуации состава. Рентгенотопографические методы обладают высокой чувствительностью и пространственным разрешением, что позволяет получать комплексную информацию о взаимосвязи структурных и концентрационных неоднородностей в кристаллах. При этом использование плосковолновой рентгеновской топографии позволяет проводить количественные оценки малых (до 10^–8) деформаций кристаллической решетки и, соответственно, незначительных вариаций состава кристаллов.

В докладе обобщается опыт применения наиболее чувствительных, главным образом, рентгеновских дифракционных методов для диагностики кристаллов, выращенных в различных условиях тепломассопереноса. Показана высокая эффективность использования развитых методов для характеризации кристаллов, полученных в условиях ослабленной термогравитационной конвекции при физическом моделировании условий микрогравитации, а также выращенных по программе наземной подготовки полетных экспериментов и на борту автоматических космических аппаратов «Фотон».

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