ВЫРАЩИВАНИЕ ВЫСОКООДНОРОДНЫХ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В КОСМИЧЕСКИХ И НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

© Ю.А.Серебряков, Б.Г.Захаров, Е.Н.Коробейникова, В.С.Сидоров, И.А.Прохоров, 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"
2015 г.

Повышение макро- и микрооднородности распределения легирующей примеси и совершенства структуры в выращиваемых монокристаллах полупроводников является одними из важнейших задач материаловедения. Решение проблемы однозначно связано с управлением процессами тепломассопереноса в расплаве таким образом, чтобы обеспечить получение необходимых качественных показателей. Сильная термогравитационная конвекция в расплавах приводит к нестабильности параметров роста и появлению микронеоднородностей распределения примеси в виде полос роста с периодом расположения в несколько десятков микрон. Минимизация конвективных процессов в расплаве позволяет значительно повысить качество выращиваемых кристаллов. В пределе приближение к диффузионным условиям тепломассопереноса дает возможность проводить рост монокристаллов на основе самоорганизации структурных элементов и получать более однородные кристаллы.

Такие условия могут осуществляться при выращивании кристаллов полупроводников в условиях микрогравитации на борту космических аппаратов (КА) при практическом отсутствии термогравитационной конвекции. Космические эксперименты продемонстрировали возможность получения в условиях микрогравитации кристаллов полупроводников с уникальными характеристиками микрооднородности. Однако новая технологическая среда оказалась более сложной, чем представлялось ранее. Многочисленные специфические факторы орбитального полета КА (остаточные квазистатические микроускорения, вибрации, сложный характер изменения малых массовых сил), а также доминирующая роль конвекции Марангони оказывают заметное влияние на процесс кристаллизации и осложняют получение совершенных и однородных кристаллов.

Разработанные технические и технологические подходы с учетом результатов математического моделирования процессов тепломассопереноса в расплавах Ge:Ga и GaSb:Te позволили минимизировать вышеперечисленные возмущающие воздействия для получения высокооднородных кристаллов в космосе. Применение полученных знаний позволило оптимизировать условия кристаллизации и в наземных условиях при росте легированных кристаллов германия и антимонида галлия вертикальным методом Бриджмена с осесимметричным подводом тепла сверху. При этом в расплаве значительно ослабляются термогравитационная, термокапиллярная и вибрационная виды конвекции и формируются близкие к диффузионным условиям тепломассопереноса, необходимым для получения высокосовершенных монокристаллов. В докладе также рассматриваются результаты наземной подготовки космического эксперимента на борту автоматического КА «Фотон-М4».

Исследования проведены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Калужской области (проект № 14-42-03034).