ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В КРИСТАЛЛАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ

© В.И.Стрелов, Ю.А.Серебряков, Е.Н.Коробейникова, И.А.Прохоров, В.С.Сидоров, В.Н.Власов, В.К.Артемьев, В.И.Фоломеев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2012 г.

Из теории известно, что для достижения высокой однородности свойств легированных кристаллов на микро- и макроуровне необходимо уменьшать интенсивность конвективных течений в расплаве и приближаться к условиям диффузионного тепломассопереноса. 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). Наглядно это проявляется при проведении процессов кристаллизации на борту КА, где наиболее легко естественным способом реализуются условия диффузионного тепломассопереноса.

На примере Ge(Ga) проведено математическое моделирование влияния интенсивности конвективных течений на микро- и макрооднородность кристаллов, выращиваемых методом вертикальной направленной кристаллизации. Показано, что минимизация радиального температурного градиента и устранение свободной поверхности расплава (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 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.

Выводы, полученные в результате математического моделирования, подтверждаются экспериментальными данными, полученными при проведении процессов направленной кристаллизации вертикальным методом Бриджмена как в земных (на примере кристаллов Ge(Ga)), так и в космических (на примере кристаллов GaSb(Te), выращенных на установке «Полизон» на борту КА «Фотон-М» №3) условиях.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калужской области (грант № 12-01-97527).