ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА НА ОДНОРОДНОСТЬ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ АНТИМОНИДА ГАЛЛИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

© Ю.А.Серебряков, Е.Н.Коробейникова, И.А.Прохоров, В.С.Сидоров, В.Н.Власов, И.Л.Шульпина
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2013 г.

Общие тенденции развития электроники, связанные с миниатюризацией, повышением степени интеграции микросхем и надежности их работы, предъявляют все более высокие требования к качеству полупроводниковых и диэлектрических материалов, на основе которых реализуются новые физические, функциональные и технологические принципы. Происходящий в настоящее время переход к субмикронным и нанометровым технологиям требует получения практически бездефектных, однородных на таком же размерном уровне монокристаллов.

Узкозонные материалы IIIV групп (eg0,500,75 эв) представляют значительный интерес, так как на их основе в настоящее время создаются термофотоэлектрические преобразователи (ТФЭП), позволяющие эффективно преобразовывать тепловое и концентрированное солнечное излучение в электрическую энергию.

Важнейшими требованиями к параметрам монокристаллов полупроводниковых материалов, используемых в качестве подложек для изготовления ТФЭП, являются структурное совершенство и высокая однородность их легирования. Макро- и микронеоднородности типа полос роста, микровыделений или кластеров примесных атомов и др. являются, как правило, местами токов утечки или пробоя pn-переходов, центрами безизлучательной рекомбинации неосновных носителей заряда, что может значительно снижать эффективность создаваемых приборов.

В связи с этим представляют интерес возможности решения проблемы высокой макро- и микрооднородности выращиваемых кристаллов, связанные с минимизацией конвективных процессов в расплаве. Как правило, обеспечение условий их стационарности позволяет получать кристаллы без полос роста с высокой однородностью свойств на микронном уровне.

Следующий шаг в повышении уровня микрооднородности кристаллов — субмикронный и, в пределе, наноуровни, необходимые для разрабатываемых планарных нанотехнологий создания полупроводниковых интегральных схем и приборов — можно достичь только на новом этапе управления процессом кристаллизации при исключении конвекций любого вида, при преобладающем диффузионном массопереносе в расплаве, когда при кристаллизации обеспечиваются структурная самоорганизация и самосборка растущего кристалла из атомов, не искаженные возмущающими конвективными процессами или вибрационными воздействиями. Такие условия естественным образом реализуются в невесомости.

Проводимые исследования были направлены на разработку научных и технологических основ метода выращивания монокристаллов полупроводников (на примере Ge:Ga как модельного материала и GaSb:Te) с высоким совершенством структуры и свойств для создания высокоэффективных ТФЭП на подложках из получаемых монокристаллов антимонида галлия. В наземных экспериментах моделировались условия тепломассопереноса, приближающиеся по своим характеристикам к реализуемым на борту космических аппаратов.

Сделаны выводы и предложения по основам технологии выращивания высокооднородных кристаллов полупроводников и создания высокоэффективных ТФЭП на основе кристаллов GaSb:Te. Теоретически обоснованное и экспериментально реализованное приближение к условиям диффузионного массопереноса в расплаве позволило значительно повысить макро- и микрооднородность выращиваемых кристаллов. На подложках GaSb:Te изготовлены ТФЭП на основе диффузионной технологии. Характеристики ТФЭП с более высокой однородностью свойств превосходят аналогичные характеристики ТФЭП на подложках с меньшей однородностью свойств.