Воздействие ультразвукового поля и пониженной силы тяжести на электрофизические свойства и структуру монокристаллического арсенида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

, Ц №

11« ир«»к* рукоппаи

ФИЦУКОВ Михаил Михайлович

ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ И ПОНИЖЕННОЙ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АР СЕМИ ДА ГАЛЛИЯ

01.04.07 - Физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте перспективных материалов и технологий при Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете).

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук, профессор Г.Г. Бондаренко

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Заболотнчй В.Т. (Институт металлургии им. А.А.байкова РАН), кандидат технических наук Андреев В.В. (Государственный технический университет им. Н.Э.Баумана)

Ведущая организация - НПО машиностроения

Защита состоится б «/4 ^ 1998 г. на заседании

диссертационного совета Д 063.68.04 в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете).

Адрес: 109028, г. Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3/12. С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГИЭМ. Автореферат разослан «.....» ....................... 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат физико-математических наук, доцент

Ю.И. Сезонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 10® 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 галлня 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;

1. Проанализирована специфика получения монокристаллнческого 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.

2. Проведены теоретические исследования по изучению влияния ультразвукового поля на элементарные процессы роста арсенида галлия из расплава. Получено выражение, из которого следует, что скоростью зародыщеобразоваиия можно управлять путем выбора амплитуды и частоты акустических колебаний. Определено, что рдя 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,

4. 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/мии, частота вращения тигля 1 б... 18 об/мин, частота ультразвуковых колебаний 150... 180 Кгц, амплитуда колебании 0,1 ...0,3 мкм. В условиях моделирующих невесомость: скорость вращения кристалла б...8 об/мин, скорость вращения тигля 16 об/мнн, градиент температуры осев он 12... 15 град/см, радиальный 2...4 град/см, градиент расплава 10..,12град/см, частота колебания штока 0,1...1 Ю'Гц.

5. 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 < 2-10®.

6. Показана эффективность применения для определения однородности электрофизических свойств монокристаллпческих образцов арсенида галлия бесконтактной СВЧ-фотопроводнмости, конденсаторной фото э.д.с., низкотемпературной фотолюминесценции и метода PIXE (аналитического метода, использующего флуоресцентное излучение). Установлено, что прн 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 прн внедрении технологии роста кристаллов высокой однородности.

7. Установлено, что реализация обоих исследованных методов выращивания монокристаллов арсенида гашшя на модернизированной установке типа «Астра» позволяет получать образцы монокристаллов с однородностью удельного сопротивления 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 колебании и

пониженной силы тяжести могут быть использованы при исследованиях, разработках и оптимизациях процессов получения полупроводниковых соединений АШВУ, А ИВУ? 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 н публикации. Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и испытаний 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 МРЭЬ (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/^страниццрисунков - Ы , таблиц - 10, библиография включает 97"наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цели и основные задачи работы. Отмечено, что низкое структурное совершенство существующих монокристаллов арсеннда галлия, неоднородность их электрофизических параметров препятствуют повышению степени интеграции и выхода годных твердотельных приборов. Комплексное исследование влияния внешних полей на процессы роста монокристаллов, экспериментальное моделирование условий пониженной силы тяжести, получение и исследование образцов монокристаллов в оптимизированных условиях на модернизированных установках роста монокристаллов - реальный путь решения поставленной задачи.

В главе 1 проведено аналитическое рассмотрение известных научно-технических решений, направленных на повышение однородности свойств двухкомпонентных

монокристаллов.

Основные надежды на достижение высокой однородности в монокристаллах связываются с использованием внешних полей (магнитного, ультразвукового, пониженной силы тяжести). К настоящему времени достигнуты определенные результаты при выращивании монокристаллов арсенида галлня в продольном и поперечном магнитном поле в том числе и в натурных экспериментах на борту космических аппаратов. Однако эти эксперименты показали, что требуются магнитные поля с индукцией больше 0,4 Тл, а это усложняет существенно технологическое оборудование для роста монокристаллов даже в земных условиях и отодвигает решение данной проблемы на дальнюю перспективу.

Следует признать, что спустя двадцать лет со времени проведения первых, экспериментов в условиях пониженной силы тяжести на космических аппаратах, достигнутый эффект в получении качественных монокристаллов полупроводников более, чем скромный. Эксперименты с малоразмерными установками для выращивания небольших кристаллов и попытки выращивать большие кристаллы при отсутствии на борту необходимой энергетики привели к получению кристаллов сповышеннон радиальной сегрегацией легирующих примесей и загрязнении вследствие слабого неоднородного перемешивания в этих системах, что вызывает необходимость оптимизации оборудования и моделирования техпроцесса в земных условиях.

В тоже время использование ультразвукового воздействия для решения данной задачи требуеттеоретическон проработки, несмотря на то, что много экспериментальных работ в этом направлении уже выполнено.

Поскольку в литературе отсутствует определение термина "однородность", которое позволило бы прогнозировать возможность получения монокристаллов с заданными свойствами, в данной главе осуществлена классификация видов пеоднородностей, связывающая свойства кристаллов с условиями их выращивания. В заключение выполнены теоретические расчеты по моделированию процессов выращивания монокристаллов арсенида галлня в условиях пониженной силы тяжести путем решения внешней и внутренней задачи тепломассообменаи теоретические изыскания овлияшшультразпукового поля на элементарные процессы роста арсенида галлня из расплава. Внешняя задача содержит описание теплообмена между излучающими поверхностями: границей расплава, стенкой контейнера, стенками внешней и внутренней колб, поверхностью нагревателя, тепло отводящей поверхностью и т.п. Внутреняя задача заключается в описании совместного действия термокапнллярноп н гравитационной конвекции на распределение примеси в кристалле при наличии движения

фронта кристаллизации. При описании модели процесса формирования неодиородностен во время роста кристалла были использованы основные уравнения переноса массы и тепла в жидкой фазе: закон сохранения массы, уравнение Навье-Стокса, закон сохранения энергии в безразмерной форме с учетом силы тяжести, влияния поверхностных снл и вращательного движения. Для определения общих закономерностей влияния ультразвукового ноля на элементарные процессы роста арсенида галлия из расплава был проанализирован процесс образования зародышей в системе без воздействия ультразвука н при наложении ультразвукового поля.

Предположим, что акустическая волна с частотой у и амплитудой ^ распространяется в жидкости массой М = р-V , где р - плотность жидкости, у - объем. Тогда усредненная по некоторому малому объему (¡у энергия акустической волны равна:

(НЕер. ~ — с1М ■ тг • Аг, 2

где: со- 2л:-V

Скорость образования зародышей:

/ = /о -ехр! — | -ехр|

V ПТ) V КГ.

II при введении в систему ультразвука:

II + АО+ с1ЕсР

1\ - /о-ехр|

КГ

где: /о • коэффициент,

и - энергия активации, Д(7 - изменение свободной энергии системы. Из отношения ///[ и с учетом выражения для йЕср. получим:

1 \R-T-Lnllh

а-л-А\ 2 р-а

где: а — размерный параметр.

Из этого выражения следует, что скоростью зародышеобразования .можно управлять выбором частоты и амплитуды акустических колебаний, введенных в расплав, и, в конечном счете, подбирать условия для получения монокристаллов с улучшенными электрофизическими

характеристиками.

Глава 1 содержит описания экспериментальных устройств для выращивания монокрнсталлов арсеннда галлия и физических моделей экспериментов.

Экспериментальное устройство для моделирования невесомости при росте монокристаллов арсенида галлия в установке "Астра" снабжено плоским нагревателем, расположенным в верхней ее части. Система регулирования установки поддерживала температуру с точностью 0,25 градуса с неоднородностью по площади не более 0,3 градуса. Осевой градиент температуры по монокристаллу обеспечивался в пределах 3...20 град/см. Для визуального наблюденняза ростом монокристаллов н нзмеренпявысотыстолбарасплава (1)га) было смонтировано устройство, снабженное световодом и микроскопом измерительным МБС-2.

Низкочастотные колебания космического аппарата моделировались с помощью автоматической системы управления установкой "Астра", позволявшей задавать определенную частоту перемещения кристалла относительно нагревателя за счет программируемого движения нижнего штока. При выращивании образцов монокрнсталлов в моделируемых условиях пониженной силы тяжести обеспечивали следующие параметры: частота колебании штока -

0.1___1 10*5 Гц, градиент температуры осевой • 12...15 град/см, радиальный - 2...4 град/см,

градиент расплава - 10...12 град/см, скорость вращения кристалла - б...8 об/мин, скорость вращения тигля - 16 об/мин.

Моделирование условий пониженной силы тяжести заключалось в следующем. В невесомости, в отсутствие гидростатического давления, форма жидкости (расплава) определяется главным образом ее поверхностным натяжением. Это позволяет растягивать плавающие зоны расплава до предела Рэлея, при котором длина зоны равна её периметру. Для того, чтобы наблюдались условия стационарной конвекции величина числа Рэлея должна бьпъ не менее 2 10'. Тогда условия стационарной конвекции будут проявляться в космосе автоматически (поскольку величина g там на три порядка меньше, чем на Земле), а в земных условиях - при высоте столба расплава порядка 2 мм.

Выращивание монокристаллов с наложением ультразвуковых колебаний осуществляли в различных устройствах, созданных на базе ростовой установки типа «Астра».Экспериментальные исследования акустических свойств волноводов из оптического кварца и графита позволили учесть особенности этих материалов при разработке узлов ввода ультразвуковых колебаний и модели эксперимента в целом. Использование кварцевого

волновода упрощает узел ввода ультразвука, предотвращает проникновение инертного газа в расплав и снижает теплоотвод от дна тигля по сравнению с графитовым волноводом. При этом графитовые волноводы при высоких температурах имеют более высокую, по сравнению с кварцем механическую прочность, но существенно поглощают ультразвук.

Монокристаллы вытягивали со скоростью 6...10 мм/мин при вращении их с частотой 4...5 об/мин н вращении тигля с частотой 16...18 об/мин. Источник ультразвуковых колебаний обеспечивал частоту колебании 165 ± 15 кГц, амплитуда механических колебании получателя 0,1...0,3 мкм.

Дин амика изменения температурырасплава прослеживалась с помощью двух термопар. Одна из них размещалась по оси камеры ростовой установки, а вторая на периферии расплава. Экспериментально показано, что путем изменения скорости вращения тигля и кристалла можно эффективно изменять температуру у фронта кристаллизации. При росте кристаллов примерно одинакового диаметра (60 мм) с различными скоростями, в зависимости от скорости вытягивания кристалла, изменяется температура в подкристальнон области и на периферии расплава. Изменением только скорости вращения тигля или скорости вращения кристалла управлять градиентом температуры не удается, хотя влияние скорости вращения затравки (кристалла) на среднее значение температуры и ее градиент существенны. Анализ результатов показаний центральной и периферийнойтермопар показал, что при изменении числа оборотов затравки от 2 об/мин до 8 об/мин у края расплава температура повышается на 5 градусов, а по оси кристалла снижается на 4,2 градуса. Вращающийся кристалл как бы отбрасывает запасаемую расплавом теплоту кристаллизации от оси на периферию фронта.

При совместном вращении тигля н кристалла происходит более быстрое изменение температуры у фронта кристаллизации, но обнаружено возникновение в расплаве низкочастотных (0,0015-0,08Гц) нестабильностей в интервале определенных соотношений скоростей вращения кристалла и тигля с расплавом.

При росте кристаллов диаметром 80 мм по мере их вытягивания до длины 80 мм разница температур в двух точках расплава изменяется на 5...8 градусов. Исследование формы фронта кристаллизации на этой длине кристалла показало, что она близка к плоской, а наблюдаемые флуктуации температуры можно объяснить вариацией формы фронта кристаллизации; от выпуклой к вогнутой и наоборот через макроскопически плоскую форму, фиксируемую визуально.

Выращивание монокристаллов арсенида галлия с наложением на расплав

ультразвуковых колебаний производилось с учетом полученной в работе модели воздействия ультразвукового поля. Тепловой узел, примененный в установке «Астра», приведен на рис. 1.

Эксперименты по выращнваншо монокристаллов арсешща галлия при наложении ультразвукового поля показали, что неоднородность распределения мышьяка практически полностью устраняется ультразвуковыми колебаниями приросте монокристалла постоянного диаметра. Механизм этого явления связан с возникновением пакета стоячих волн между торцом волновода и плоской частью фронта кристаллизации, поскольку наличие неоднородности мышьяка наблюдалось при подплавленнн монокристалла, где фронт кристаллизации становился вогнутым в кристалл, что уменьшало возможность возникновения стоячих волн, а соответствующее повышение температуры расплава активизирует конвективные потоки.

Выращенные в соответствии о вышеописанными методиками монокристаллы арсенида галлия разрезали на пластины толщиной 1 мм, как вдоль осей роста, так и перпендикулярно им, обрабатывали по стандартной технологии химико-механического полирования и контролировали их однородность по оптическому пропусканию света на длине волны 1,1 мкм, что соответствовало оптическому поглощению центрами EL2. Величину неоднородности оценивали как относительное среднеквадратичное отклонение коэффициента поглощения. С применением метода рентгено-флюрисцентного анализа на растровом микроскопе «Nano!al-2100» при сканировании образцов по поверхности электронным лучом диаметром 70... 100 А измерили концетрацшо мыщьяка. Анализ серии осцилограмм показал, что физическое моделирование пониженной силы тяжести и наложение на расплав ультразвукового поля существенно снижает неоднородность распределения мышьяка, по сравнению с образцами, полученными без использования этих воздействий при прочих

равных условиях.

Рис. 1. Тепловой узел в сборе:

1 - верхний шток, 2 - флюс, 3 - монокристалл, 4 - расплав арсенида галния, 5 - тигель с ножкой, б - нагреватель, 7 - экраны теплоизолирующие.

Глава 3 содержит результаты исследования свойств выращенных монокристаллов арсенида галлия и результаты применения полученных монокристаллических материалов в технологиях изготовления современных приборов.

Однородность электрофизических свойств полученных монокристаллов арсенида галлия определялась с применением ряда методов «методики прежде всего с использованием бесконтактной СВЧ-фотопроводимости, конденсаторной фото э.д.с., низкотемпературной фотолюминесценции, мет ода FIXE.

Методика бесконтактной СВЧ-фотопроводимости основана на поглощении СВЧ-мощности носителями тока исследуемого образца, помещенного в пучность электрической компоненты поля оптического СВЧ-резонатора спектрометра «Varían», работающего в X-диапазоне на частоте 9,5 Ггц. Источник света - галогенная лампа мощностью 600 Вт. Свет, модулированный частотой 1 КГц, поступал в инфракрасный спектрометр (ИКС-12) и заводился в оптическое окно спектрометра «Varían» с фокусировкой на образце. Измерения осуществлялись при 300К и ПК. Полученные спектральные зависимости нормировались по максимуму интенсивности источника излучения. Результаты сравнивались с данными, полученными стандартными методами.

Метод конденсаторной фото э.д.с. использовали для определения однородности пластин, полученных из выращенных монокристаллов арсенида галлия. Применен полупрозрачный электрод, нетребующий диэлектрической изоляции. При освещении через полупрозрачный электрод поверхности исследуемой пластины происходит интенсивное образование электронно-дырочных пар. Вследствие более высокой подвижности электронов, противоположная освещаемой сторона пластины заряжается отрицательно. Полученная система представляет собой конденсатор, на обкладках которого накапливается заряд, создаваемый возбужденными носителями. Концентрация носителей тока зависит от интенсивности света, времени жизни носителей заряда и характеристик поверхности исследуемой пластины. В данной методике потенциал на обкладках конденсатора зависит только от концентрации возбужденных носителей. Поскольку концентрация носителей пропорционально времени жизни (n~ t) , то и измеряемый потенциал зависит от времени жизни носителей заряда, а значит, характеризует однородность исследуемой пластины.

Метод PIXE (флуоресцентный анализ) использован дня исследования примесного

состава и измерения стехиометрии образцов арсеннда галлня. Он позволяет обнаруживать элементы с порядковым номером выше одиннадцати. Регистрация рентгеновских квантов осуществлялась кремниевым детектором с активной площадью 20 мм2. Энергетическое разрешение составляло приблизительно 200 эВ для энергии характеристического рентгеновского излучения б КэВ. Фотолюминесценцию возбуждали аргоновым лазером мощностью 250 мВт, анализировали с помощью дифференциального монохроматора МРД-23 с предельным разрешением 0,4 МэВ и регистрировали охлаждаемым ФЭУ-83. Измерения производились в жидком гелии при 4,2 К.

На спектрах, полученных методом PIXE идентифицированы линии 9,25; 10,26; 10,54 и 11,8 КэВ, принадлежащие мышьяку и галлию. Видны также линии 7,19 и 7,77 КэВ, которые могут принадлежать марганцу или железу.

В спектрах низкотемпературной фотолюминесценции, которая как и метод PIXE применена для анализа прнмесей в изучаемых образцах, зарегистрированных при мощности возбуждающего лазерного излучения 250 мВт, наблюдали пики при энергиях фотонов 1,514 эВ; 1488 эВ; 1,4515 эВ; 1,406 эВ и широкую полосу с максимумом вблизи 1,3 эВ (рис. 2 ).

Ьоти.ед

мОщ 250 мВт

840

880

920

960

.Д , мм

Рис.2 Спектр низкотемпературной фотолюминесценции исходных образцов арсешща галлия.

Пик 1,514 эВ представляет собой огибающую линий излучательнон рекомбинации

свободных и связанных на мелких донорах и акцепторах экситонов.Пик 1,458 эВ связан с наличием в образцах углерода.Пик 1,4515 эВ является ССа - фотонным повторением полосы 1,488зВ.Пик 1,406 эВ,повсейвероятности, связан сналичиемвкристаллахарсенндагаллия марганца. Характерно, что термообработка пластин арсеннда галлия в течение 24 ч при температуре 1180 К в атмосфере водорода приводит к увеличению интегральной интенсивности фотолюминесценции примерно в 3 раза, что можно связать с отжигом центров безизлучательной рекомбинации.

Спектральные зависимости фотопроводимости исследуемых пластин монокристаллов арсеннда галлия отличаются по характеру фотоотклнков, связанных с фотоионизацией дефектов с уровнями 0,78 эВ и 1,05 эВ, если их удельные сопротивления различны (рис.З). Эти образцы отличаются друг от друга удельным сопротивлением, в связи с чем одинаковый уровень фотов озбуждения приводил к различной фото чувствительности. Наличие полос фотопроводимости 0,78 эВ можно связать с присутствием в выращенных образцах монокристаллов кислорода, а полосы 1,05 эВ связаны с наличием центров EL2. Причем концентрация центров EL2 в образце Ш 2 больше, чем в образце № 1, а это соответствует разным плотностям дислокаций в исследуемых пластинах. Сравнение величин сигналов фотопроводимости в области 0,78 эВ для образцов № 1 и № 2 показывает, что в образце № 1 концентрация кислорода выше. Отжиг пластин приводит к увеличению сигнала межзонного фотоотклика, свидетельствующего об увеличении времени жизни основных носителей заряда, причем концентрация ЕЬ2-Центров уменьшилась более, чем в 5 раз. После термообработки уровень 0,78 эВ, связанный с кислородом наоборот, возрастаетв 2 раза, что говорит об эффекте высвобождения кислорода из комплексов.

Локальность измерения пластин методами конденсаторной фото э.д.с. составляла 1 мм. Общим свойством всех обследованных образцов было то, что на монокристаллических пластинах наблюдалась область высокой однородности свойств. Она распространяется на 20...30 мм от центра пластин. На рис. 4 область высокой однородности выделена пунктирной линией. Ближе к периферии и в центре арсенид-галлиевых пластин имеет место резкое изменение времени жизни носителей, проявляющееся в спаде сигнала фото э.д.с. На рис. 5 приведены линии потенциала, соответствующие профилям 5(1"), 4(2"), 3(3") рис. 4, в виде функции расстояния от центра исследуемой пластины. Анализ этих данных позволяет заключить, что основные дефекты в пластинах монокристаллического арсеннда галлия собираются на дислокациях, при неоднородном распределении которых нарушается

локальное равновесие в монокристалле. Замечено также, что при избытке мышьяка возникает дефект EL2 - двойной донор. Причем центр, называемый EL2, может принадлежать различным типам дефектов. Поэтому название EL2 использовали для группы дефектов, к которым могут принадлежать различные комплексы состояния атомов мышьяка.

0,6 I).« 1,0 1,1 и Ц. 51!

Рис. 3. Спектральная зависимость фотопроводимости ОаЛ$ образцов №1 и №2: р| > ра (Т =300К)

Для всех обследованных образцов, полученных в модельных условиях пониженной силы тяжести и при наложении на расплав арсеннда галлия ультразвукового поля плотность дислокаций не превышала 5 • 103 см-2.

Выводы о качестве монокристаллов арсенида галлия, выращенных при моделировании пониженной силы тяжести и в ультразвуковом поле, можно сделать по результатам их применения в приборных технологиях. Подложки монокристаллического арсенида галлия диаметром 40, 60 и 76 мм использованы в технологии изготовления малошумягцих полевых транзисторов для систем связи и при производстве полевых транзисторов с барьером Шоттки, получаемых ионным легированием.

В результате реализации этих исследований установлено, что в пластинах арсенида галлия наблюдается различное распределение оптического поглощения (ОС). Распределение поглощения по пластинам в общих чертах была аналогичным в направлениях: [110] и [МО].

Сравнение однородности пластин диаметром 60 и 76 мм у потребителя показало, что увеличение диаметра монокристаллов положительно сказывается на однородности пластин .

Выполненная потребителем оценка однородности (равенства) дисперсий срезных значений СС по направлениям показала, что дисперсии однородны в 42% случаев, аравенство распределения поглощения в двух направлениях достигается в шестидесяти шести процент* представленных пластин арсенида галлия, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ним при производстве приборов.

Глава 4 посвящена обсуждению перспективных технических решений, базирующихся на результатах выполненной работы с целью массового производства однородных монокристаллов арсенида галлия. Технология производства монокристаллов с наложением ультразвукового поля на расплав применительно к ростовой установке типа «Астра» реализована в матерналоведческом Центре АО «Аметист». Она обеспечивает производство монокристаллов ваАя с параметрами: диаметр - до 82 ±2 мм, удельное сопротивление -3 10' ом см, разброс удельного сопротивления по сечению - не более 20%, плотность дислокаций - не более 5 101 см"2.

Постоянно возрастающие требования к материалам предопределяют исследования и работы, связанные с получением однородных монокристаллов арсенида галлия на космических аппаратах в условиях пониженной силы тяжести.

Выполненные в данной работе исследования позволили предложить схему технологического процесса изготовления электронных приборов нового поколения (рнс. 6), включающую в себя рост монокристаллов в условиях космического полета и единый центр управления технологическим процессом на Земле. Наиболее важными задачами указанной технологической схемы являются:

- отработка технологии подготовки «сходных материалов;

- отработка технологии получения монокристаллов и проектирование технологического оборудования, базирующего на модельных экспериментах, описанных в

главе 2.

На ней выделены только те элементы, которые непосредственно связаны с получением монокристаллов в условиях пониженной силы тяжести. Выращивание монокристаллов арсенида галлия целесообразно производить на автоматических космических аппаратах (АКА), поскольку как было показано выше, только работа узлов ростовой установки вносит различные колебания, влияющие на температурное поле расплава, а работа всевозможной

аппаратуры н действия экипажа па пилотируемых аппаратах весьма непредсказуемы для процесса роста монокристаллов. Конструкции АКА и условия их эксплуатации достаточно хорошо отработаны. В известную конструкцию АКА необходимо разместить технологическую установку для выращивания монокристаллов арсешща галлня. Один из возможных вариантов размещения ростовой установки в возвращаемом аппарате (ВА) показан на рис. 7. В этом же ВА возможно размещение второго яруса ростовой установки и ее магазин с ампулами. В одном запуске можно получить около 200 кг монокристаллического галлия диаметром до 80мм и длиной до 250 мм. Осуществлять управление технологическим процессом роста монокристаллов целесообразно радиокомандами с Земли и командами бортовой вычислительной машины. Получение телевизионного изображения роста монокристаллов непосредственно с технологичкпх установок в настоящее время не представляет значительных техни ческих з атр уди енн и.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнены теоретические исследования физических процессов, происходящих при росте кристаллов в условиях воздействия ультразвукового поля и пониженной силы тяжести. Получено выражение, из которого следует, что скоростью зародышеобразования можно управлять выбором амплитуды и частоты акустических колебаний. Установлено, что для арсеннда галлня энергию акустической волны необходимо подбирать таким образом, чтобы при ее введении в расплав избежать деформации его кристаллической решетки в силу пысокой термопластнчности арсенида галлия.

1. Выполнены экспериментальные 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 арсенида галлия в специальных устройствах, вмонтированных в ростовую установку типа «Астра».

3. Разработана модель воздействия ультразвукового поля на процесс роста монокристаллов GaAs, в которой однородность монокристаллов связывается с частотой и амплитудой колебаний,вводимых в расплав. Выявлено, что неоднородность распределения мышьяка практически полностью устраняется ультразвуковыми колебаниями при росте монокристалла арсенида галяия постоянного диаметра. Механизм этого явления связан с возникновением пакета стоячих воли между торцом волновода, вводящего колебания в

расплав, и плоской частью фронта кристаллизации.

4. Предложен метод моделирования 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 ■ 10'.

5. Изучены особенности влияния параметров ростовой установки на температурные поля расплава. Обнаружено возникновение в расплаве низкочастотных (0,0015-0,08 Гц) нестабшгьностей в интервале определенных соотношений скоростей вращения кристалла и тигля с расплавом при моделировании пониженной силы тяжести, чего не наблюдалось при ультразвуковых воздействиях на расплав. Предложены конструктивные решения технологического оборудования на борту автоматического космического аппарата и технологическая схема производства приборов на базе монокристаллов, выращиваемых в условиях космического полета.

6. Показано, что оба исследованных метода роста монокристаллов обеспечивают получение однородных по свойствам монокристаллов арсенида галлия с удельным сопротивлением 3 Ю'Ом см с разбросом по сечению не более 20% и плотностью дислокаций у них не более 5 • 103 см'2, что является лучшим результатом по сравнению с известными к настоящему времени. Материалы опробованы в прецизионных приборах электронной техники: малошумящих полевых транзисторах для систем связи и в полевых транзисторах с барьером Шотпси, где полностью соответствовали предъявляемым к ним требованиям. Технологический процесс выращивания монокристаллов арсенида галлия с наложением ультразвукового поля внедрен в серийное производство в Центре электронного материаловедения ОАО «АМЕТИСТ».

Основной материал диссертации изложен в следующих работах:

1. Бондаренко Г.Г., Фнцуков М.М., Косушкин Б.Г. Влияние низкочастотных вибраций на слоистую однородность монокристаллов арсенида галлия. И Физика и химия обработки материалов, 1998, М> 2,с.90-92.

2. Фицуков М.М., Косушкин В.Г. О влиянии ультразвука, вводимого в расплав на неоднородность свойств монокристаллов II Физика и химия обработки материалов, 1996, №4, с. 122-128.

3. Fitzukov М.М., Kosushkin V.O. Increasing the Homogeneity of Single Crystals of Undoped Semiinsulating Gallium Arsenide for Intergrated Circuits //Journal of Advanced Materials,

1995, №2(1), р.50-54.

4.Бондаренко Г.Г., Фицуков М.М., Стрельченко С.С. Исследопанне влияния ультразвука иа неоднородность компонентов выращивания монокристаллов арсенида галлия. // Труды VIII Межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела», М., МГИЭМ, 1998, с.546-548.

5. Фицуков М.М., Косушкин В.Г. Исследование некоторых параметров ионно-легнрованных сгшавов на пластинах из монокристаллнческого арсенида галлия//Тез. докл. V Межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела», М., МИЭМ, 1995, с.80-81.

6. Коржавый А.П., Фицуков М.М. Некоторые аспекты получения в космосе специальных материалов электронной техники //Тез.докл. 5 Межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела», М,,МИЭМ, 1995, с.78-79.

7. Fitzukov М.М., Kosushkin V.G. Peculiarities of GaAs single crystals productions for up-todate electronic materials //Abstracts of the Third Russian-Chinese Symposium «Advanced Materials and Processes», Moscow, Intercontact «Nauka», 1995, p. 107.

8. Fitzukov M.M., Korzhavyi A.P. Effective systems for ion purification using single crystal growth equipment //Book of Abstracts second International comference MPSL96. Sumy-1996-Publ: Sumy state University, 1996, p.96.

9. Коржавый А.П., Кристя В.И., Праснцкий В.В., Фицуков М.М. Долговечные источники электронов - основа создания и развития отечественных отпаянных приборов // Матер, симпозиума по эмисионной электронике: термоэлектронная, вторично-электронная эмиссия и спектроскопия поверхности твердого тела, Рязань, 1996, с.216-217.

10. Фицуков М.М., Косушкин В.Г. Повышение однородности монокристаллов нелегированного полуизолнрующего арсенида галлия для интегральных схем // Перспективные материалы, 1996, № 1, с.50-54.

11. Бондаренко Г.Г., Фицуков М.М., Косушкин В.Г. Влияние вибрационного и теплового воздействий на структуру монокристаллнческого арсенида галлия II Материалы VII Межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 30 шоня-5июля 1997г),М.,МГИЭМ, 1997, с. 193-194.

Рис. 4. Распределение времени жизни носителей по пластине исходного СаА.ч (см. пояснения в тексте).

Рис. 5. Профили распределения времени жизни носителей (сигнала фото э.д.с.) в увеличенном масштабе, соответствующие линиям 1 * - 3 * на рис. 4.

Г"

гсшньй тгаюлзшоз« тута

'П

Рьзра&ткя кого оберулсмния

ЙЗГСТСВл&Ше, исяитдкие гехнслогячесхого обору— доввния

_ Нзучдо исследом»« " и разработке технологий

Подготовка всиши* иа-теримоа, ВХВ4Ю8 контроль, дсзироеа«, синтез ПСЛИфИСТ8АДСВ_

Эвгружа и герметюаиия «пул

Сборка Ш

Сбзркз юаая-5 мдуы

ОТАВЛЕШЕ ГОЮЛОГИ'ЯЗМ И1ЕСШ

Изготоелаие иикрзоет и лрупа аластрвжв* привдоз

Иехалдоззния чсшфипа-Ллесг

фазжо-чсимические, (иитгвеструхтурвые.

Обработка нокжристал/.св, калиброяса, реже, шл»г-оозкв, травление

и

Иаит»кя в вятак РКН

рост щшрдашга 3 КОМКЕ

Спуск БА

¿В*НТЕЖ £А

Рис. 6. Схема технологического процесса изготовления электронных приборов нового поколения.

А

Рис. 7. Возвращаемый аппарат (ВА) с технологической установкой:

1 -парашютная система,2-прнвод вращения,3-привод коммуникаций, 4-технолог. установка 5-конгейнер с аппаратурой,б-теплозащитная оболочка,7-теплообмешшк,8-магазш1 с ампулами

ВВЕДЕНИЕ

1. СВОЙСТВА ПОЛУ ИЗОЛИРУЮЩЕГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ ЕГО МОНОКРИСТАЛЛОВ

1.1. Факторы, влияющие на свойства арсенида галлия. Виды неоднород-ностей монокристаллов

1.2. Анализ возможностей выращивания однородных монокристаллов в условиях пониженной силы тяжести и воздействия ультразвукового поля

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОРИСТАЛЛОВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

2.1. Моделирование пониженной силы тяжести в экспериментальных устройствах при росте монокристаллов арсенида галлия

2.2. Изучение влияния ультразвукового поля на процесс выращивания монокристаллического арсенида галлия

2.3. Определение основных параметров и режимов ультразвукового воздействия на расплав растущего монокристалла

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВЫРАЩЕННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

3.1. Метод и ческие особенности измерений свойств монокристаллов и образцов на их основе

3.2. Изучение структуры экспериментальных и опытных монокристаллических образцов

3.3. Исследование однородности свойств пластин из выращенных монокристаллов арсенида галлия

3.4. Применение полученных монокристаллических материалов в технологиях изготовления современных приборов

4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ, БАЗИРУЮЩИЕСЯ НА РЕЗУЛЬТАТАХ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ВЫВОДЫ

Основное производство полупроводниковых приборов базируется в настоящее время на монокристаллическом кремнии [1,2]. Мировое производство последнего превышает 4 ООО т/год. Рынок пластин кремния оценивается в 2,5 млрд. долларов. В то же время наращиваются объемы производства приборов на основе новых перспективных материалов (арсенида галлия, теллурида кадмия и др.), хотя средняя цена интегральных схем на кремнии составляет 1,28 - 1,40 долларов за штуку, что в десятки раз ниже стоимости приборов на основе последних. С применением этих материалов разрабатываются ССИС, лазеры, фотоприемники, приборы сверхвысокочастотной (СВЧ) техники с высокими физическими и эксплуатационными характеристиками [3].

Уникальным сочетанием свойств обладает арсенид галлия, позволяющий создавать быстродействующие,радиационностойкие приборы, способные работать в широком диапазоне температур. Более высокая, чем при использовании кремниевых элементов, рабочая температура арсенидгаллиевых солнечных батарей позволяет применять их как концентраторы солнечной энергии. Только то, что использование арсенида галлия для создания ССИС открывает перспективу на порядок увеличить быстродействие электронно-вычислительных машин (ЭВМ), оправдывает затраты на исследования и разработку новых технологий его получения [4].

Полуизолирующие монокристаллы арсенида галлия с приемлемыми параметрами для ССИС и СВЧ приборов были получены в середине 80-х годов и с тех пор в разработку интегральных схем включается все большее количество зарубежных фирм. По оценкам компании 1СЕ, мировой рынок ИС на арсениде галлия в 90-е годы составит 1,2 млрд. долларов, половина из которых будет приходиться на долю цифровых ИС [5].

В настоящее время все усилия ученых и специалистов направлены на создание технологий получения монокристаллов арсенида галлия с низкой плотностью дислокаций (менее Ю-" см'^) и однородными электрическими свойствами как по длине и диаметру, так и от кристалла к кристаллу.

Основные надежды на достижение высокой однородности при получении монокристаллов разработчики связывают с использованием магнитного поля, микрогравитации и ультразвука [6,7].

Целью работы является анализ физичесикх 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.

Для достижения поставленной в работе цели было необходимо:

- проанализировать имеющиеся теоретические и экспериментальные данные о воздействии внешних полей на параметры получаемых монокристаллов и пластин;

- сформулировать требования к технологическому оборудованию и конструктивному его осуществлению с использованием в техпроцессе роста монокристаллов внешних полей;

- разработать конструкции ростовых технологических комплексов;

- выполнить необходимые расчеты и изготовить экспериментальные устройства для реализации исследований влияния невесомости и ультразвукового поля на промышленном оборудовании;

- получить образцы монокристаллов арсенида галия и обследовать их основные параметры с применением самых современных методик исследований, используемых в методах физики твердого тела.

Актуальность Решение проблемы повышения однородности и структурного совершенства монокристаллов арсенида галлия откроет широкие возможности его промышленного использования. Основными областями применения арсенидгаллиевых приборов, в т.ч. малошумящих полевых транзисторов с барьером Шоттки, станут оборонные системы, высокопроизводительные ЭВМ, приемники спутниковой и волоконно-оптической связи. Мировой рынок электронных приборов на основе арсенида галлия оценивается в 3,5 млрд. долларов. Промышленное освоение интегральных схем с применением нового арсенидгаллиевого материала не встретит особых осложнений, поскольку оно будет осуществляться на технологической базе (и оборудовании) для производства кремниевых ИС, включающей ионную имплантацию, сухие методы формирования рисунка, импульсный термический отжиг. Такие тенденции развития кремниевой технологии, как переход к меньшим топологическим нормам, снижение температуры обработки и повышение требований к чистоте производственных помещений и рабочих сред в равной степени характерны и при изготовлении арсенидгаллиевых схем.

Низкое структурное совершенство существующих в настоящее время монокристаллов арсенида галлия, неоднородность их электрофизических параметров препятствуют повышению степени интеграции и выхода годных приборов.

Поэтому для электронной техники проблема реализации таких требований как разброс удельного сопротивления в пределах 20%, и величины плотности дислокаций 5 х 103 см "2 на 30 - 40% площади поверхности пластин ОаАБ представляет собой актуальную научную и практическую задачу. Решение этой задачи и связывается в данной работе с применением воздействия внешних полей на процесс роста монокристаллов арсенида галлия с целью достижения вышеуказанных параметров.

Научная новизна работы заключалась в комплексном аналитическом исследовании факторов, влияющих на однородность свойств монокристаллов арсенида галлия в процессе их выращивания, термообработки и технологии получения готовых изделий.

В работе впервые:

1. Проанализирована специфика получения монокристаллического арсенида галлия для целей электронного приборостроения и показано, что одним из важнейших параметров монокристалла является однородность их свойств, определяющая рост степени интеграции и улучшение свойств полупроводниковых приборов и микросхем. Предложена классификация видов неоднородности 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.

2. Проведены теоретические исследования по изучению влияния ультразвукового поля на элементарные процессы роста арсенида галлия из расплава. Получено выражение, из которого следует, что скоростью зародышеобразования 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 сил}' 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 арс-енида 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, активизировались конвективные потоки, наблюдалась периодическая неоднородность в распределении мышьяка.

4. Выполнены исследования по росту монокристаллов арсенида галлия при наложении ультразвуковых колебаний и в условиях, моделирующих пониженную силу тяжести. Определены лимитирующие стадии процесссов 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 16. 18 об/мин, 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. 12 град/см, частота колебаний штока 0,1.0,001 Гц.

5. Предложен метод моделирования невесомости при выращивании монокристаллов арсенида галлия в земных условиях, основанных на обеспечении выполнения критерия Рэлея (Ra): Ra<2 10б.

6. Показана эффективность применения для определения однородности электрофизических свойств монокристаллических образцов арсенида галлия бесконтактной СВЧ-фото п ро в од и мост и, конденсаторной фото э.д.с., низкотемпературной фотолюминесценции и метода PIXE (аналитического метода, использующего флюоресцентное излучение). Установлено, что при использовании оптичесих 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 получить образцы монокристаллов с однородностью удельного сопротивления по сечению 20% и плотностью дислокаций на 30 - 40% площади поверхности монокристалла 5103 см"2.

Практическая значимость работы. Разработан эффективный метод и установка для серийного изготовления монокристаллов арсенида галлия при наложении на расплав ультразвуковых колебаний, внедренный на промышленном предприятии и обеспечивающий производство монокристаллов ОаАу высокого совершенства.

На основе результатов моделирования процесса роста монокристаллов в невесомости разработана конструкторско-технологическая схема комплекса для выращивания монокристаллов арсенида галлия в космосе, являющаяся основой для поэтапной реализации ее в практике.

Данные и 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 по-лупровдниковых соединений А3В\ А2Вб 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".

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Модель роста монокристаллов в невесомости, реализуемая в лабораторных земных условиях на установке типа "Астра".

2. Результаты исследования влияния ультразвукового поля на элементарные процессы роста монокристаллов арсенида галлия;

3. Результаты исследований зависимости однородности свойств монокристаллов арсенида галлия от различных факторов: чистоты исходных и контейнерных материалов, параметров ультразвукового поля, материалов волновода.

4. Результаты экспериментов по получению монокристаллов арсенида галлия в смоделированных условиях невесомости и с ультразвуковым воздействием на расплав, обеспечившие выращивание монокристаллов с однородностью удельного сопротивления по сечению слитков 20% и плотностью дислокаций на 30-40% площади поверхности 5x10'' см"2.

5. Методы выращивания однородных монокристаллов арсенида галлия в ультразвуковом поле и в условиях невесомости.

6. Результаты исследований свойств монокристаллов арсенида галлия, полученных в невесомости и в ультразвуковом поле с помощью оптических и других современных методов, в т.ч. и при реализации материалов в приборные технологии.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:

1. Всероссийской научно-технической конференции "Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем и технологических процессов " ( Калуга, 1994 ).

2. Пятом, седьмо и восьмом Межнациональных совещаниях "Радиационная физика твердого тела " ( Севастополь, 1995, 1997, 1998 ).

3. Третьем Российско-китайском симпозиуме "Актуальные проблемы современного материаловедения " (Москва-Калуга, 1995 ).

4. Второй Международной конференции МРБЬ 96 ( Сумы, 1996 ).

5. Научно-методическом совещании ГК РФ по высшему образованию "Проблемы высшего образования в области радиационного материаловедения на пороге третьего тысячелетия " ( Москва, 1996 ).

6. Симпозиуме "Термоэлектронная, вторично-электронная, фотоэлектронная эмиссия и спектроскопия поверхности твердого тела" (Рязань, 1996 ).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах и 3 научно-технических отчетах. Q

выводы

1. Выполнены теоретические исследования физических процессов, происходящих при росте кристаллов в условиях воздействия ультразвукового поля и пониженной силы тяжести. Получено выражение, из которого следует, что скоростью зародышеобразования можно управлять выбором амплитуды и частоты акустических колебаний. Установлено, 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.

2. Выполнены экспериметальные 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 арсенида галлия в специальных устройствах, вмонтированных в ростовую установку типа "Астра".

3. Разработана модель воздействия ультразвукового поля на процесс роста монокристаллов арсенида галлия, в которой однородность монокристаллов связывается с частотой и амплитудой колебаний, вводимых в расплав. Выявлено, что неоЗнородность распределения мышьяка практически полностью устраняется ультразвуковыми колебаниями при росте монокристаллов арсенида Галлия постоянного диаметра. Механизм этого явления связан с возникновением пакета стоячих волн межд^орцом волновода, вводящего колебания в расплав, и плоской частью фронта кристаллизации.

4. Предложен метод моделирования невесомости при выращивании монокристаллов арсенида галлия в земных условиях, основанных на обеспечении выполнения критерия Рэлея (Яа): Иа<2 10б.

5. Изучены особенности влияния параметров ростовой установки на температурные поля расплава. Обнаружено возникновение в расплаве низкочастотных (0,0015-0,08 Гц) нестабильностей в интервале определенных соотношений скоростей вращения кристалла и тигля с расплавом при моделировании пониженной силы тяжести, чего не наблюдалось при ультразвуковых воздействиях на расплав, предложены конструктивные решения технологического оборудования на борту автоматического космического аппарата и технологическая схема производства приборов на базе монокристаллов, выращиваемых в условиях космического полета.

6. Показано, что оба исследованных метода роста монокристаллов обеспечивают получение однородных по свойствам монокристаллов арсенида галлия с удельным сопро7 тивлением 340 Ом см с разбросом по сечению не более 20 % и плотностью дислокаций у з -г них не более 5-10 см , что является лучшим результатом по сравнению с известными к настоящему времени. Материалы опробованы в самых прецизионных приборах электронной техники: малошумящих полевых транзисторах для систем связи и в полевых транзисторах с барьером Шоттки, где полностью соответствовали предъявляемым к ним требованиям. Технологический процесс выращивания монокристаллов арсенида галлия с наложением ультразвукового поля внедрен в серийное производство в Центре электронного материаловедения ОАО "Аметист".

7. Показана эффективность применения оптических методов для определения однородности и примесного состава монокристаллов арсенида галлия.

1. С. Убер. Новые направления развития технологии ИС на международной конференции по электронным приборам // Электроника,- 1992.-N 3-4.-С. 112-113.

2. Д. Бохум. Новый рекорд быстродействия для кремниевых ИС // Электроника.-1992.-N 11-12.-С.З-5.

3. Д.Маклауд, Ж.Демьян. Прогноз развития мирового рынка средств электроники в 1992 г.// Электроника,-1992.-N9-10.-C.115-117.

4. Technologietrends bei der Chipherstellung // Electron. Rept.- 1992.-N1.-P.68-70

5. Electronic Desighn.-1988.-N23.-P.83-90

6. B.C. Земсков. M.P. Раухман. Влияние невесомости и магнитного поля на кваци-онные процессы в кристаллах антимонида индия// Физика и химия обработки материа-лов.-1987.-N4.-С.63-67

7. Б. А. Агранат.А.И. Хавский, Н.И. Дубровин. Воздействие мощного ультразвука на процессы синтеза и выращивания кристаллов AnBIV /У Аккустический журнал.-1976.-Т.22,-Вып. 1 .-С.141-142

8. В.Ф. Афанасович, О.Д. Писайкина. Арсенид галлия. Последние достижения в технологии получения // Обзор зарубежных публикаций за 1988-1989 г.-М.-1990.-63с.

9. Д.Е. Holmes, Н. Kuwamoto, S.J. Sandberg. Dislocation reduction in large-diameter GaAs growth //Journ.of Crist.Growth.- 1988.-Vol.91.-N4.-P.55.

10. Патент EHBN 0172621, СЗОВ 15/14, опубл. 26.02.1986 г.

11. И. Заявка Японии N 62-51237 МКИ СЗОВ 27/02, 15/10, HOIS 21/02, 21/208, опубл. 29.10.1987 г.

12. Заявка Японии N 60-18637 МКИ СЗОВ 27/02, 29/40, HOIS 21/02, опубл. 11.05.1985 г.

13. Заявка Японии N 62-51238 МКИ СЗОВ 27/02, 15/10, HOIS 21/02, 21/208, опубл. 29.10.1987 г.

14. Заявка ЕГО N0177132 МКИ СЗОВ 15/14, опубл. 9.04.1986 г.

15. Заявка ЕПВ N0219966 МКИ СЗОВ 15/24, 15/14, 15/30, опубл. 29.04.1987 г.

16. Заявка Японии N 62-34717 МКИ СЗОВ 15/14/1:105B 3/00, опубл. 28.07.1987г.

17. Патент США N 4 483 735 МКИ СЗОВ 27/02, HO-IS 21/18, опубл. 20.11.1984 г.

18. Заявка Японии N 1-164790 МКИ СЗОВ 15/00,опубл.28.06.1989 г.

19. О.Д. Писайкина, В.В. Макаров. Арсенид галлия. Последние достижения в технологии получения // Обзор зарубежных публикаций за 1985-1988 г.-М.-1989.-90 с.

20. А.К. Бузыкин, Е.А. Королева. Последние достижения в области получения монокристаллов кремния // Зарубежная электронная техника.-!985.-N2.-С.68-94.

21. Т. Fujii, М.Е. Guchi, Т. Inada, Т. Fukuda. Effects of Crucible material on undoped LEC GaAs Crystals // Journ. of Costal Growth.-1987.-Vol.84.-N2.-P.237-240.

22. Заявка Франции N 2549500 МКИ СЗОВ 15/02, 29/42, опубл. 25.01. 1985г.

23. D.E. Holmes, R.T. Chen, K.R. Elliott, C.G. Kirkpatrik. Stiochiometry controled compensation in liquid encapsulated czochralski GaAs // Appl.Phvs. Lett.-1982.-V.40.-N42.-P.5771.

24. W.E. Langlois. Computer simulation of Chochralski melt convection in a magnetic field//Journ. of Crystal Growth.- 1984.-Vol.70.-P.73-77.

25. H. Mirata, K.Hochikawa, N.Inoue. Improvement of thermal simmetry in Cr silicon melts by the application of a vertical magnetic field // Journ. of Crystal Growth,- 1984.-Vol. 70,- P.330-334.

26. M. Miheleic, K. Wingerath. Numerical simultation of the Czochralski bulk flow and temperature oscillation in the melt//Journ. of Crystal Growth.-1985.-Vol.7l.-P. 163-168.

27. J. A. Kafalas, A.N. Bellows. A comparative study of the infuence of buoyacy driven fluid flow on GaAs crystal growth. VI Eur. Symp. Mater. Sci. Mycrogr. Cond. Proc. Int. Symp. 2- 5 Dec. 1986.-Paris.-1987.-P.525-527.

28. K.Hoshi, N.Isawa, T.Suzuki. Growth of silicon monocrystals in a magnetic field /7 Jap.Journ. Appl. Phys.-1984.-Vol.53,- N1.-P.38-41.

29. K.Terashima, T.Kastumata, F.Orito. Electrical resistivity of undoped GaAs single crystals growth by magnetic field applied LEC technique // Jap. Journ. Appl. Phys.- 1983.-Vol.22.- N6.-P.325-327.

30. I.Osaka, H.Konda,T.Kabayashi, K.Hoshikawa. Homogenty of vertical magnetic field applied LEC GaAs Crystal Growth // Jap. Journ. Appl. Phys.-1984.-Vol 23.-N4.-P. 195-197.

31. В.С.Земсков, М.Р.Раухман, Д.П. Мгалоблишвили. Влияние магнитного поля на примесные неоднородности в монокристаллах антимонида индия /7 Физика и химия обработки материалов,- 1985.-N5.-С.50-56.f35—

32. В.С.Земсков, М.Р.Раухман, Д.П. Мгалоблишвили. Коэффициенты распределение примесей при выращивании монокристаллов антимонида индия в условиях воздействия на расплав магнитного поля // Физика и химия обработки материалов.-1986.-N2.-С.64- 67.

33. В.С.Земсков, М.Р.Раухман, Ю.М.Гельфгат. Влияние магнитного поля на температурные флуктуации в расплаве и слоистую неоднородность в монокристаллах антимонида индия // Физика и химия обработки материалов.-1987.-Ы4.-С.63-67.

34. S.Ozawa, T.Kimura, I.Kobayashi, T.Fukuda. Programmed magnetic field applied liquid encapculated Czochralski crystal growth /'/' Appl. Phys. Lett.-1987.-Vol.50.-N6.-P.329-331.

35. В.С.Земсков, M.P.Раухман. Влияние невесомости и магнитного поля на ликва-ционные процессы в кристаллах антимонида индия // Физика и химия обработки материа-лов.-1987.-К4,- С.63- 67.

36. A.F. Witt. Electronic materials processing and the microgravity environment // Commer. Opportunities Space; Techn. Symp., Toupei, Apr. 19-24, 1987, Washington.-1988,-P.201-211.

37. Е.А.Бармин, Ю.М.Гельфгат, А.С.Сенченков. Влияние магнитного поля на кристаллизацию полупроводниковых материалов методом бестигильной зонной плавки в условиях невесомости // Магнитная гидродинамика,-1988.-N4.-С. 110-114.

38. Hayakawa, J.Sone, K.Tatumi, M.Kumagawa. Effect of ultrasonic vibration on InSb pulled crystals//Journ. Appl. Phys.- 1982.-Vol.21.-N9.-P. 1273-1277.

39. Г.А.Кардатов, А.В.Солосин, С.Р.Макукян. Рост кристаллов при акустическом воздействии // Московский ин-т хим.маш,- М.:1988. Деп. в ВИНИТИ 4.11.1988,-N7923-1288.

40. T.Tsuruta, I.Hayakawa, M.Kumagawa. Effect of utrasonic vibration on the groth of In Ga Sb mixed crystals // Jap. Journ. Appl. Phys.-1988.-Vol.27 Suppl.-N27-l.-P.47-49.

41. Н.Г.Кожемякин, Л.Г.Ковшова. Влияние ультразвука на условия роста на распределение сурьмы в монокристаллах висмут-сурьма // Электронная техника. Сер. 6. Мате-риалы.-1987.-С.40-42.

42. С.С.Шифрин, А.В.Говорков, А.С.Брук. Взаимодейстие дислокаций с точечными дефектами в кристаллах легированного GaAs /' IV Всесоюзная конференция по физико-химическим основам легирования полупроводниковых материалов. Тез.докл. Москва,-1979,-С. 166

43. Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами в кристллах легированного GaAs / Шифрин С.С., Говорков A.B., Брук A.C., Марков A.B., Освенский В.Б., Холодный Л.П.// Легирование полупроводников.-М.: Наука.-1982.-С.209-213.

44. Влияние термообработки на взаимодействие дислокаций с точечными дефектами в кристаллах GaAs / Брук A.C., Говорков A.B., Марков A.B., Шифрин С.С. // Поверхность. Физика, химия, механика.-! 982.-Т. 1.-N14.-С. 107-11 НО

45. В.С.Чудаков, Б.Н.Гречишников. Метод наблюдения оптических неоднородно-стей с помощью спектрального модулятора /'/'Оптико-механическая промышленность.-1977.-N7.-C.9-51.

46. В.С.Чудаков, Б.Н.Гречишников. Визуализация малоконтрастных дефектов по их поляризующей способности /'/' Приборы и техника эксперимента.-1975.-N5.-С. 195-197.

47. B.C. Чудаков, Б.Н. Гречишников, Г.Г. Араве. Модуляционный метод наблюдения двупреломления // Кристаллография,- 1971.- Вып.5.-С.939-943.

48. П.Л. Крупкин, И.А. Фролов. Скопление примесей в полупроводниковых материалах//Высокочистые вещества.-1989.^5.-С.5 14.

49. Исследование неоднородности монокристаллов полуизолирующего арсенида галлия, легированного хромом / Юрова Е.С., Юрьева И.М., Рытова Н.С.Освенский

50. B.Б.,Гришина С.П.,Биберин В.И.// Электронная техника. Сер. Материалы,-1985.-Вып.4,1. C.34-38.

51. Р.И. Глоргодова, Л.И. Колесник, Э.М. Омельяновский. Влияние процесса захвата на поведение фотоемкости в кристаллах GaAs <Сг> // Физика и техника полупроводни-KOB.-1977.-Bbin.ll.-Nl.- С,124.

52. G.Nagel, М.Baumgarther.Recent improvements in GaAs substrate material for IC's applications // Esprit.-1988.-P.03-313.

53. Особенности слоистого распределения примеси в бездислокационных монокристаллах кремния / Гарны к B.C., Горин С.Н., Калгожная С.И., Тимошина Н.В. // Изв. АН СССР. Неорганические материалы.-1988.-Т.24.-Ш.-С.1731-1732.

54. Л.С.Милевский, А.М.Эйдензон, В.С.Горнык. Влияние условий выращивания на слоистое распределение примесей в бездислокационных монокристаллах кремния /'/Легированные полупроводники М.: Наука.-1982.-С. 140-148.

55. К.Моризейн, А.Витт, Л.Гейтос. Слоистое распределение примесей в кристаллах InSb, выращенных без вращения /'/' Проблема роста кристаллов. Сб. научн. работ. -М.: Мир.-1968.- Вып.41,- С.252-261

56. А.Витт, Х.Гейтос. Изучение слоистого распределения примесей в кристаллах InSb с помощью интерференционно-контрастной микроскопии // Проблемы роста кристаллов. Сб. научн. работ.- М.: Мир.-1968.-С.262-267.

57. Д.Берски. Совершенствование технологических процессов мощная движущая сила развития техники и технологиии ИС // Эле ктроника.-1992.-N9-10.-С. 19-29.

58. И.И. Ижнин, Ю.Н. Гаврилюк. Эпитаксиальные методы выращивания арсенида галлия и его твердых растворов с арсенидом алюминия // Зарубежная электронная техни-Ka.-1991.-N10-ll.-C.3-93.

59. П.Н.Петров, Б.Л.Друзь, Н.А.Калашникова. Влияние дефектов обработки пластин арсенида галлия на дефектообразование в эпитаксиальных пленках /7 Электронная техника. Сер. Материалы,- 1991.-N4.-C.61-65./зд—

60. В.В.Ломовой, В.В.Никулин, М.М.Лукашик. Модернизация и применение установки МЛЗ "Катунь" для получения многослойных структур сложного состава // Электронная техника. Сер. Материалы,-1991 .-N4.-С.61 -65.

61. В.Г.Любивый, В.В.Артамонов, А.И.Соловьев. Измерение параметров подложек и структур GaAs на СВЧ в технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИС // Электронная техника. Сер. Материалы,-1991 .-N2.-С.27-32.

62. Д.Берски, Ф.Гудинаф, М.Ленард. Последние достижения в области полупроводниковой технологии, представленные на МКЭП// Электроника,-1992.-N7-8.-С.3-6,

63. Ф.Гудинаф. Новые технологические процессы прочная основа для создания следующего поколения аналоговых, смешанных и мощных ИС // Электроника,-1992.-N9-10.-С.25-26.

64. Д.Берски. Снижение стоимости и повышение быстродействия ЦПС способствует широкому внедрению этих приборов // Электроника. -1992. -N3 -4. -С. 19-3 3.

65. С.Убер. Новые направления развития технологии ИС на международной конференции по электронным приборам // Электроника,- 1992.-N3-4.-C, 112-113.

66. М.Ю.Матисов, А.Е.Романов. Эффективность аннигиляции дислокаций в напряженных сверхрешетках // Электронная техника. Сер. Материалы.-1991.-Вып,3.-С.73-75.

67. Эксперименты по зонной кристаллизации антимонида индия / Земсков B.C., Бармин Н.В., Раухман М.Р. и др. // Гидродинамика и теплообмен в невесомости. Новоси-бирск.-1988.-С.142- 152.

68. Z.Bojon, Z.Xingru, C.Funiau, L.Langing. GaAs single crystal growth from melt in space//Chin. Journ. Semicond.-1988.- Vol.9.-N5.-P.548-552.

69. Эксперименты по зонной кристаллизации антимонида индия в условиях невесомости / Земсков B.C., Бармин Н.В., Раухман М.Р. и др. // Гидродинамика и теплообмен в невесомости. Новосибирск,-1988.-С. 142-152.

70. Y.C.Lu, J.J.Shian, R.S.Feigelson and R.K.Route // Journ. of Crystal Growth.-1990.-Vol.102.-N4.-P. 807-813.

71. J.Hayakawa, M.Kumagawa. Changes of the growth morphology in InSb crystals pulled under the presence of ultrasonic vibration // Cryst. Res. and Techn.-1985.-Vol.20.-Nl.-P.3-10.

72. М.Г.Мильвидская, В.Б.Освенский. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. М.: Металлургия.-1984.-256 с.

73. Е.Б.Жариков, Л.В.Приходько, Н.Р.Сторожев. Явление образования потоков жидкости при возбуждении вибраций растущего кристалла // Тезисы докладов 7-ой Всесоюзной конференции по росту кристаллов. M.-1988.-Том 3.-С.10-11Ю.

74. Г.Миллер. Выращивание кристаллов из расплава.Конвекция и неоднородности: Пер. с англ. М.: Мир,-1991.-143с,, шт

75. Космическое материаловедение. Введение в научные основы космической технологии: Пер. с англ./ Под ред. Б.Фойербахера, Г.Хамахера, Р.Наумана.-М.: Мир, 1989,-178с.,ил.

76. Л.И.Анатычук. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник,-К: Наукова думка,-1979.-С.736-751.

77. О.С.Гурвич. Высокотемпературные электропечи с графитовыми элементами. М.: Энергия.-1974.-С.5.1. Ш—

78. K.Katamura, S.Vimura, M.Hignehi, T.Oshikiri, H.Komatsu. Differences between {110} and {211} fauts of rare-eath growth a from the melt.// J. of Crystal Growth.-1984.-Vol.69.- P.537- 544.

79. Н.Г.Кожемякин, Т.В.Беляева. Оценка мощности, подводимой ультразвуком в расплав, при выращивании монокристаллов твердых растворов висмут-сурьма // Электронная техника,-1988.-N1.-С.77-79.

80. А.Милне. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. М.: Мир.-1977,562 с.

81. Reed S.J.B. Electron microprobe Analysis// Cambridge Universiti Press.L, N.J., 1975,1. P.423.

82. Михеев H.H., Захаров Б.Г. Количественный рентгеновский микроанализ на электронном микроскопе с автоэмиссионным катодом// Электронная техника. Сер. Материалы, 1975. Вып.2 -С. 119-124.

83. Palmbery P.W. Hadbook of Electron Spectroscopy Physical Electronics Industries. Edina, 1972.

84. Травление полупроводников/ Перевод с английского С.Н.Горина. М.:"Мир", 1965. -384с.

85. Шульпина И.Л. Методы рентгеновской дифракционной топографии для исследования монокристаллов. В сб.:Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Л.:" Машиностроение ", 1977. Вып. 18. - С. 92 - 101.

86. Бондаренко Г.Г., Фицуков М. М., Косушкин В.Г., Влияние низкочастотных вибраций на слоистую однородность монокристаллов арсенида галлия // Физика и химия обработки материалов, 1998,№2, с.90-92.

87. Фицуков М.М., Косушкин В.Г. О влиянии ультразвука, вводимого в расплав на неоднородность свойств монокристаллов i i Физика и химия обработки материалов, 1996, №4, с. 122-128.

88. Fitzukov MM., Korzhavyi A. P., Effective systems for ion purification using sigle crystal growth equipment //Book of Abstract second International conference MPSL96. Sumy-1996-Publ:Sumy stste University, 1996, p.96.

89. Фицуков M.M., Косушкин В.Г. Повышение однородности монокристаллов нелегированного полуизолирующего арсенида галлия для интегральных схем /7 Перспективные материалы, 1996, №1, с.50-54.

90. Автором лично проведено обобщение теоретических, экспериментальных исследований и методов получения монокристаллов с высоким структурным совершенством, которые используются в производстве ОАО "Аметист".

91. Суммарный годовой экономический эффект от использования результатов диссертационной работы Фицукова М.М. составил 133 млн. 318 тыс. руб.

92. Председатель комиссии Члены комиссии:

93. А. П. К о ржа вы й А.Б .Лыков т А.Обуховаь

94. Автор научно обосновал и экспериментально показал эффективность использования внешних воздействий (ультразвукового поля и пониженной силы тяжести) в процессе роста монокристаллического арсенида галлия.

95. ОКБ НПО им. С.А.Лавочкина использовало основные положения диссертации в разработках при реализации ряда Проектов.1. УД

96. Председатель комиссии В.И.Михальский1. Члены комиссии:1. В. С- Орешников