РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ РОСТА ВЫСОКООДНОРОДНЫХ КРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ В НАЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

© Е.Н.Коробейникова, В.И.Стрелов, И.А.Прохоров, В.С.Сидоров, В.Н.Власов, В.К.Артемьев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2016 г.

С развитием субмикронной- и наноэлектроники проблема повышения макро- и микрооднородности распределения легирующей примеси и совершенства структуры в выращиваемых монокристаллах полупроводников становится все более актуальной. Решение проблемы однозначно связано с управлением процессами тепломассопереноса в расплаве таким образом, чтобы обеспечить получение условий необходимых для достижения требуемых показателей. Интенсивная термогравитационная конвекция в расплавах приводит к нестабильности параметров роста и появлению микронеоднородностей распределения примеси в виде полос роста с периодом в несколько десятков микрон.

Условия невесомости представляют собой «уникальную технологическую среду» не только для более детального изучения механизма процесса кристаллизации, но и получения высокосовершенных кристаллов. Минимизация интенсивности конвективных процессов в расплаве позволяет значительно повысить однородность 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 режимы при выращивании кристаллов полупроводников могут быть реализованы в условиях микрогравитации на основе различных технологических усовершенствований. Полученные при этом знания можно применить и для совершенствования наземных технологий роста высокосовершенных кристаллов полупроводников.

На основе разработанной математической модели была проведена оптимизация тепловых условий кристаллизации полупроводниковых материалов для достижения близкого к диффузионному режима роста монокристаллов. Представлены результаты наземных отработок и космических экспериментов на АКА «Фотон» по выращиванию кристаллов Ge(Ga) и GaSb(Si,Te). Основу экспериментального подхода составляет модифицирование вертикального метода направленной кристаллизации с целью исключения свободной поверхности расплава (конвекции Марангони), а также обеспечения осесимметричного, близкого к плоскофронтальному, подвода тепла к расплаву сверху с радиальным градиентом температуры на поверхности расплава 1К/см. При этом интенсивность естественной конвекции согласно проведенным расчетам уменьшается на 2-3 порядка по сравнению с обычным методом Бриджмена при боковым нагреве и при исключении свободной поверхности расплава обеспечиваются условия, близкие к диффузионному массопереносу. Кроме того, как показывают расчеты, обеспечивается также эффективная минимизация влияния внешних возмущений (вибраций) на интенсивность конвекции и, соответственно, однородность структуры и свойств выращиваемых кристаллов. В совокупности реализация таких условий обеспечивает рост кристаллов с высокой однородностью свойств. Исследования выращенных в подобных условиях монокристаллов Ge(Ga) и GaSb(Si,Te) показывают, что при реализации условий тепломассопереноса, близких к диффузионному, обеспечивается более высокая однородность структуры выращиваемых монокристаллов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Калужской области (проект № 14-42-03034).