Введение к работе
Актуальность проблемы. Прогресс во многих отраслях науки и техники, связанных с обработкой и хранением информации, связью, электроникой определяется в большой степени уровнем развития функциональных материалов, на основе которых могут быть созданы новые активные либо пассивные элементы приборов и систем. Все увеличивающаяся степень интеграции, микроминиатюризация элементов и приборов, тенденция к использованию многофункциональных принципов построения твердотельных электронных устройств диктуют направления развития соответствующей базы материалов.
Особая роль в развитии многих областей электроники, которая традиционно принадлежала полупроводникам, существенно возросла в последние годы. Однородность свойств монокристаллов арсенида галлия стала одним из важнейших параметров, определяющих рост степени интеграции и улучшение характеристик полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, поскольку кремниевые аналоги исчерпали свои возможности.
Параметры реальных монокристаллов арсенида галлия, получаемых в настоящее время далеко не соответствуют физическим параметрам этого материала. Низкое структурное совершенство арсенида галлия связано с высокой плотностью дислокаций (1 10s см-2), наблюдаемой в монокристаллических образцах.
Использование внешних полей (электромагнитного, ультразвукового и пониженной силы тяжести) для изменения электрофизических свойств кристаллов, применяемое отечественными и зарубежными специалистами при получении ряда материалов, целесообразно применять и при выращивании монокристаллов двухкомпонентных систем, таких как арсенид галлия. Воздействие магнитного поля на процесс роста и структуру монокристаллов связывают с повышением вязкости расплава, приводящем к подавлению конвективных потоков в последнем и снижению температурной флуктуации у фронта кристаллизации. В условиях невесомости процесс массопереноса происходите основном за счет диффузии и, слабо деформирующего температурное поле в расплаве, конвективного потока, связанного с эффектом Марангони. И в первом и во втором случаях образуется более однородное тепловое поле на границе раздела расплав-монокристалл, что приводит к снижению неоднородности распределения компонентов в полупроводниковых материалах. Многообещающим путем повышения качества монокристаллов является ультразвуковое
воздействие на расплав, направленное вдоль оси его роста. Применительно к арсенпду галлия это может привести к снижению неоднородности распределения его компонентов. Поэтому исследование свойств получаемых монокристаллов арсенида галлия и изыскание путей повышения их структурного совершенства представляет интерес не только с точки зрения их практического применения, но и способствует развитию теоретических знаний о влиянии различных полей на рост и кристаллизацию многокомпонентных моиокрнсталлических систем, что и определяет актуальность данной работы.
Целью работы является анализ физических процессов, происходящих при воздействии внешних полей на растущий монокристалл арсенида галлия , получение на основе этих воздействий монокристаллических материалов с улучшенными электрофизическими характеристиками, развитие методов исследования кинетики роста кристаллов и контроля основных параметров полупроводников.
Научная новизна. В работе впервые;
-
Проанализирована специфика получения монокрнсталлического арсенида галлия для целей электронного приборостроения и показано, что одним из важнейших параметров монокристаллов является однородность их свойств , определяющая рост степени интеграции и улучшение свойств полупроводниковых приборов и микросхем. Предложена классификация видов иеоднородностей монокристаллов и методов их контроля и показано, что оценка неоднородности твердого тела должна включать комплексное исследование структурных и электрофизических параметров материала. Удобными и информативными для этих целей являются оптические методы контроля.
-
Проведены теоретические исследования по изучению влияния ультразвукового поля на элементарные процессы роста арсенида галлия ш расплава. Получено выражение, из которого следует, что скоростью зародыщеобразовання можно управлять путем выбора амплитуды и частоты акустических колебаний. Определено, что для арсенида галлия энергию акустической волны необходимо подбирать таким образом, чтобы при ее введении в расплав избежать деформации его кристаллической решетки в силу высокой термопластичности арсенида галлия.
3. Разработана модель воздействия ультразвукового поля на процесс роста
монокристалла, связывающая его однородность с частотой и амплитудой колебаний,
вводимых в расплав. Выявлено, что неоднородность распределения мышьяка практически
полностью устраняется ультразвуковыми колебаниями при росте монокристалла арсенида
галлия постоянного диаметра. Механизм этого явления связан с возникновением пакета стоячих волн между торцом волновода, вводящего колебания в расплав и плоской частью фронта кристаллизации, поскольку при отсутствии такого пакета температура расплава повышалась, активировались конвективные потоки, наблюдалась периодическая неоднородность в распределении мышьяка,
-
Выполнены систематические исследования по росту монокристаллов арсенида галлия при наложении ультразвуковых колебаний и в условиях, моделирующих пониженную силу тяжести. Определены лимитирующие стадии процессов и оптимальные режимы роста монокристаллов при наложении ультразвуковых колебаний: скорость вытягивания кристаллов 6. ..10 мм/мин, частота вращения кристалла 4...5 об/мин, частота вращения тигля 1 б... 18 об/мнн, частота ультразвуковых колебаний 150... 180 Кгц, амплитуда колебаний ОД.. .0,3 мкм. В условиях моделирующих невесомость: скорость вращения кристалла 6...8 об/мин, скорость вращения тигля 16 об/мин, градиент температуры осевой 12... 15 град/см, радиальный 2...4 град/см, градиент расплава 10. ..12град/см, частота колебания штока0,1. .Л 10'Гц.
-
Предложен методмоделнрования невесомости при выращивании монокристаллов арсенида галлия в земных условиях, основанный на обеспечении выполнения критерия Рэлея (Ra), когда длина зоны расплава равна ее периметру: Ra < 2- 10і.
6. Показана эффективность применения для определения однородности
электрофизических свойств монокристаллнческих образцов арсенида галлия бесконтактной
СВЧ-фотопроводнмости, конденсаторной фото э.д.с, низкотемпературной
фотолюминесценции и метода РІХЕ (аналитического метода, использующего флуоресцентное
излучение). Установлено, что при использовании оптических методов исследования процесса
выращивания монокристаллов, наблюдается зависимость оптической однородности образцов
от амплитуды и частоты вибрационных воздействий, которая носит заметный экстремальный
характер, что дает основание для использования их в оптимизации режимов при внедрении
технологии роста кристаллов высокой однородности.
7. Установлено, что реализация обоих исследованных методов выращивания монокристаллов
арсенида галлия на модернизированной установке типа «Астра» позволяет получать образцы
монокристаллов с однородностью удельного сопротігалешія по их сечению 20% и плотностью
дислокации на 30 - 40%площади поверхности монокристалла 5 10' см"2.
Практическая ценность работы. Данные о свойствах и параметрах получения монокристаллов арсенида галлия в условиях воздействия ультразвуковых колебаний и
пониженной силы тяжести могут быть использованы при исследованиях, разработках и оптимизациях процессов получения полупроводниковых соединений AIIIBV, AIIBVf и др. с высоким структурным совершенством. Техпроцесс выращивания монокристаллов арсенида галлия с наложением ультразвукового поля внедрен в серийное производство в Центре электронного материаловедения ОАО «АМЕТИСТ».
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и испытании сложных технических систем и технологических процессов»(Калуга, 1994), пятом, седьмом и восьмом Межнациональных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1995, 1997, 1998), третьем Российско-китайском симпозиуме «Актуальные проблемы современного материаловедения» (Москва-Калуга, 1995), второй Международной конференции MPSL (96 (Сумы, 1996), симпозиуме «Термоэлектронная, вторично-электронная, фотоэлектронная эмиссии и спектроскопия поверхности твердого тела» (Рязань, 1996). По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ и 3 научно-технических отчета.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем диссертации/44страницц,рисунков - 4Г , таблиц - 10, библиография включает 97"наименований.
