Вплив ультразвуку на процеси росту монокристалів твердого розчину Ga0.03In0.97Sb з розплаву і шарів GaAs методом рідкофазної епітаксії

10. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н. Исследование слоистости в монокристаллах твердых растворов Ga_0.03In_0.97Sb // Тезисы докладов на X Национальной конференции по росту кристаллов, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Москва, Россия, 24-29 ноября 2002 г. С. 99.

11. Кожемякін Г.М., Золкіна Л.В. Моделювання конвекції в рідкій фазі в умовах близьких до вирощування кристалів Ga_xIn_1-xSb // Тези доповідей на Наукової конференції професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Наука-2004, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, Україна, 21 квітня 2004 р. С. 40.

12. Kozhemyakin G.N., Zolkina L.V. Effect of ultrasound field on the striations in Ga_xIn_1-xSb single crystals // Abstracts on the Fourteenth international conference on crystal growth, Grenoble, France, 9-13 August, 2004. P. 156.

13. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н. Иcследование слоистости в монокристаллах твердых растворов Ga_xIn_1-xSb, выращенных в ультразвуковом поле // Тезисы докладов на XI Национальной конференции по росту кристаллов, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Москва, Россия, 13-17 декабря 2004 г. С. 145.

14. Zolkina L.V., Kozhemyakin G.N. Influence of ultrasound on the growth striations in Ga_xIn_1-xSb single crystals // Abstracts on the International Conference “Crystal materials' 2005”, Scientific & Technological Corporation “Institute for Single crystals”, Kharkov, Ukraine, May 30- June 2, 2005. P. 172.

15. Kozhemyakin G.N., Zolkina L.V., Krutov Yu. M. Influence of ultrasonic standing waves on flow in the melt and solution in Czochralski and LPE crucibles // Abstracts on the 5^th International Workshop on Modeling in Crystal Growth, Bamberg, Germany, 10-13 September, 2006. P. 176-177.

16. Золкина Л.В., Кожемякин Г.Н. Слоистая неоднородность и электрофизические свойства монокристаллов твердых растворов Ga_xIn_1-xSb // Тезисы докладов на школе-семинаре “Рост кристаллов”, Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, Украина, 20-23 сентября 2006 г. С. 13.

17. Кожемякин Г.Н., Золкина Л.В., Ром М.А. Влияние ультразвука на слоистость и электрофизические свойства монокристаллов твердых растворов Ga_xIn_1-xSb // Тезисы докладов на XII Национальной конференции по росту кристаллов, Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Москва, Россия, 23-27 октября 2006 г. С. 174.

Анотація

Золкіна Л.В. Вплив ультразвуку на процеси росту монокристалів твердого розчину Ga_0.03In_0.97Sb з розплаву і шарів GaAs методом рідкофазної епітаксії. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки.

Дисертація присвячена вивченню впливу ультразвукового поля на ріст монокристалів твердого розчину Ga_0.03In_0.97Sb та епітаксіальних шарів GaAs, а також моделюванню даних процесів росту.

Запропоновано фізичну модель механізму впливу ультразвуку на процеси, що відбуваються в рідкій фазі при вирощуванні монокристалів Ga_0.03In_0.97Sb. За допомогою даної моделі встановлено залежність частоти ультразвуку від кутової швидкості обертання кристала, яка дозволяє забезпечити ефективний вплив ультразвукових хвиль на конвективні потоки в розплаві.

Визначені оптимальні умови росту в ультразвуковому полі монокристалів Ga_0.03In_0.97Sb та доведено позитивний вплив ультразвуку на електрофізичні властивості монокристалів: питомий опір, рухливість носіїв заряду, термо-е.д.с. Крім того, дослідження шаруватості в вирощених монокристалах твердого розчину Ga_0.03In_0.97Sb показали, що ультразвук із частотою 0,69-1,44 МГц усуває шари з конвективною природою формування, але не впливає на шари з відстанню 7-14 мкм, які виникають внаслідок стрибкоподібного процесу кристалізації. Позитивний ефект ультразвукового впливу на конвекцію підтверджено експериментами моделювання.

Визначені умови росту епітаксіальних шарів GaAs без макроступенів методом рідкофазної епітаксії в ультразвуковому полі з частотою 3 МГц і завдяки модельним експериментам даного процесу росту встановлено, що при визначених технологічних параметрах росту епітаксіальних шарів GaAs ультразвукове поле, яке уведено в рідку фазу, дозволяє знизити конвекцію та таким чином запобігти утворюванню макроступенів на границі розподілу фаз.

Ключові слова: монокристал твердого розчину Ga_0.03In_0.97Sb, епітаксіальний шар GaAs, ультразвукове поле, шарувата неоднорідність, період шарів, конвекція, макроступінь.

Аннотация

Золкина Л.В. Влияние ультразвука на процессы роста монокристаллов твердого раствора Ga_0.03In_0.97Sb из расплава и слоев GaAs методом жидкофазной эпитаксии. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники.

Диссертация посвящена исследованию влияния ультразвукового поля на рост монокристаллов твердого раствора Ga_0.03In_0.97Sb и на морфологию эпитаксиальных слоев GaAs, а также моделированию конвекции в жидкой фазе.

Предложена физическая модель механизма влияния ультразвука на процессы, которые происходят в жидкой фазе при выращивании монокристаллов Ga_0.03In_0.97Sb. С помощью данной модели установлена зависимость частоты ультразвука от угловой скорости вращения кристалла, применение которой позволяет обеспечить эффективное влияние ультразвуковых волн на конвективные течения в расплаве.

Монокристаллы Ga_0.03In_0.97Sb выращивали методом Чохральского при воздействии ультразвуковых волн с частотой 0,69-1,44 МГц на расплав. Оптимальными параметрами роста монокристаллов являлись: скорость вытягивания 0,025ч0,05 мм/мин, частота вращения кристалла 1ч10 об/мин, осевые градиенты температуры в жидкой и твердой фазах 2ч4 К/см и 50ч60 К/см соответственно, частота ультразвуковых волн до 1,44 МГц. Эксперименты измерения удельного электросопротивления, подвижности носителей заряда и термо-э.д.с. в выращенных в ультразвуковом поле монокристаллов Ga_0.03In_0.97Sb показали, что в данных кристаллах уменьшается удельное электросопротивление на 23ч29 %, увеличивается подвижность носителей заряда на 23ч46 % и возрастает термо-э.д.с. на 22ч32 %, в сравнении с образцами монокристаллов, вытянутыми без воздействия ультразвука. Слои, которые обнаружены в монокристаллах Ga_0.03In_0.97Sb, выращенных без ультразвукового воздействия, имели ширину 1-2 мкм и периодичность от 7 до 110 мкм. Введение ультразвука в расплав позволяло устранить слои, имеющие конвективную природу образования, но не влияло на полосы с расстоянием 7-14 мкм, возникающие вследствие скачкообразного характера кристаллизации.

Целью модельных экспериментов являлось изучение конвекции, влияющей на образование слоистой неоднородности в монокристаллах Ga_0.03In_0.97Sb. Установка моделирования была геометрически подобна установке роста монокристаллов Ga_0.03In_0.97Sb, а выбор модельных жидкостей: водного раствора глицерина и ацетона был выполнен на основе гидродинамического подобия к расплаву Ga-In-Sb. В результате данных экспериментов установлено, что вводимые в жидкую фазу ультразвуковые волны с частотой от 0,69 до 1,44 МГц стабилизируют конвекцию за счет образования стоячих ультразвуковых волн в жидкости между границей раздела фаз и дном тигля даже при снижении уровня жидкости на величину, значительно превышающую длину ультразвуковой волны.

Применение ультразвука получило развитие в экспериментах роста эпитаксиальных слоев GaAs методом жидкофазной эпитаксии. Ультразвуковые волны с частотой 3 МГц вводились в жидкий Ga от пьезопреобразователя через кварцевый волновод в направлении перпендикулярном поверхности подложки. Выполненные с помощью инфракрасной цифровой видеокамеры наблюдения поверхности границы раздела фаз эпитаксиальных слоев GaAs показали, что ультразвуковое поле препятствовало образованию макроступеней и способствовало росту поверхностно совершенных слоев. Однако ультразвук не оказывал положительного влияния на морфологию слоев GaAs в случае перегрева жидкого Ga на 3-5 К и роста слоев с неплоской границей раздела фаз.

Положительное влияние ультразвука на рост эпитаксиальных слоев GaAs было также подтверждено экспериментами моделирования. Частота вводимого в жидкость ультразвукового поля составляла 1 МГц. Воздействие ультразвуковых волн на модельные жидкости при оптимальных параметрах роста приводило к устранению конвекции в центральной части объема жидкости и снижению скорости движения конвективных потоков на периферии.

Таким образом, разработанные условия выращивания монокристаллов твердого раствора Ga_0.03In_0.97Sb и эпитаксиальных слоев GaAs в ультразвуковом поле позволят получать однородные объемные кристаллы и эпитаксиальные слои без макроступеней.

Ключевые слова: монокристалл твердого раствора Ga_0.03In_0.97Sb, эпитаксиальный слой GaAs, ультразвуковое поле, слоистая неоднородность, период слоев, конвекция, макроступень.

Summary

Zolkina L.V. Influence of ultrasound on the growth process of Ga_0.03In_0.97Sb single crystals from melt and GaAs layers by the liquid-phase epitaxy. - Manuscript. Thesis for scientific degree of Candidate of technical science on the specialty 05.27.06 - technology, equipment and production of electronic engineering.

The dissertation is dedicated to the study of the ultrasound influence on the growth of Ga_0.03In_0.97Sb single crystals and morphology of GaAs epitaxial layers. In the thesis convection in the liquid phase is studied.

Physical model of the effect ultrasound mechanism on the growth process of Ga_0.03In_0.97Sb single crystals was proposed. Using this model dependence of ultrasound frequency on angular velocity of the rotating crystal was noted. Take into consideration this dependence it may provide of effective action ultrasonic waves on the convection in the melt in the growth experiments of Ga_0.03In_0.97Sb single crystals.

Optimal growth conditions of Ga_0.03In_0.97Sb single crystals in ultrasound were determined. The positive effect of ultrasound on the electrophysical properties: electrical resistivity, сarrier mobilities and thermal emf was observed. Besides, the investigations of the growth striations in the obtained Ga_0.03In_0.97Sb single crystals indicated that the ultrasonic field at frequencies of 0.69-1.44 MHz eliminated the striations generated by the convection. However, the ultrasound did not influence on the striations with period of 7-14 µm formed due to the spasmodic character of the crystallization. Positive ultrasound effect on the convection in the liquid phase is confirmed by the model experiments.

The growth conditions for GaAs epitaxial layers without macrosteps are developed. GaAs layers are grown by liquid-phase epitaxy in ultrasonic field at a frequency of 3 MHz and due to model experiments this growth process it was noted that ultrasound field was allowed to reduce convection in the solution but in that way prevent of the macrosteps formation on the solid-liquid interface at the defined technological growth parameters.

Key words: Ga_0.03In_0.97Sb single crystal, GaAs epitaxial layer, ultrasonic field, growth striations, period of the striations, macrostep.

Размещено на Allbest.ru