Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Национальная Академия наук Украины

Национальная Академия наук Украины

Научно-технологический концерн & ldquo; Институт монокристаллов & rdquo;

Институт монокристаллов

Комар Виталий Корнеевич

УДК 548.522: [546.47ь23 + 546.48ь47ь24]

Технологические основы выращивания

кристаллов соединений AIIBVI из расплава

под давлением инертного газа

05.02.01 материаловедение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Харьков 2001

Актуальность темы

Работа выполнена в Научно-исследовательском отделении & ldquo; Оптические и конструкционные кристаллы & rdquo; Научно-технологического концерна & ldquo; Институт монокристаллов & rdquo;

НАН Украины.

Научный консультант: Доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Пузиков Вячеслав Михайлович,

директор Научно-исследовательского отделения & ldquo; Оптические и конструкционные кристаллы & rdquo;

Научно-технологического концерна & ldquo;

Институт монокристаллов & rdquo; НАН Украины.

Официальные оппоненты:

Член-корреспондент НАН Украины, доктор технических наук, профессор

Гринев Борис Викторович, генеральный директор Научно-технологического концерна & ldquo; Институт монокристаллов & rdquo; НАН Украины.

Член-корреспондент НАН Украины, доктор физико-математических наук, профессор Блонский Иван Васильевич, заместитель директора, заведующий лабораторией фотоакустикы и оптики Института физики НАН Украины.

Доктор технических наук, профессор Конаково Раиса Васильевна, ведущий научный сотрудник отдела полупроводниковых гетеросистем Института физики полупроводников НАН Украины.

Ведущая организация: Национальный аэрокосмический университет

им. М. Е. Жуковского & ldquo; ХАИ & rdquo;

Министерства образования и науки Украины

кафедра авиационного материаловедения.

Защита состоится & ldquo; 19 & rdquo; Декабрь 2001 в 14 часов на заседании вчено совета Д 64.169.01 при Институте монокристаллов Научно-технологического концерна & ldquo; Институт монокристаллов & rdquo; НАН Украины.

Адрес: 61001, г. Харьков, пр.. Ленина, 60.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института монокристаллов Научно-технологического концерна & ldquo; Институт монокристаллов & rdquo; НАН Украины.

Автореферат разослан & ldquo; 15 & rdquo; Ноябрь 2001

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук Л. В. Атрощенко

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов. Среди материалов близкого будущего несомненно находится целый класс полупроводниковых соединений типа АIIВVI, созданные элементами второй (Cd, Zn, Hg) и шестой (S, Se, Te) групп периодической системы элементов.

Интерес ко II-VI соединений обусловлено сочетанием в них многих интересных физических свойств, позволяющих использовать эти кристаллы в различных приборах и устройствах оптики, акустики, электроники, ядерной физики и др. Прежде всего, II-VI соединения представляют собой полупроводники, ширина запрещенной зоны которых охватывает диапазон от сотых долей эВ (в халькогенидах ртути) до 3,7 эВ (в сульфиде цинка). С точки зрения оптических применений материалы этой группы перекрывают спектральный диапазон длин волн от 0,3 мкм до нескольких десятков мкм. И, что не менее важно, для II-VI соединений характерна широкая взаимная совместимость, которая позволяет на основе твердых растворов этих соединений конструировать новые материалы с заданной шириной запрещенной зоны, спектральным диапазоном пропускания, параметрами кристаллической решетки и другими характеристиками.

Материалы АIIВVI значительно менее разработаны, а их применение пока не столь многочисленны, как в полупроводников группы АIIIВV. И совершенно очевидным является тот факт, что широкому использованию II-VI соединений препятствует недослидженнисть многих процессов, связанных с получитнием этих кристаллов, а также технические сложности, возникающие при создании соответствующего ростового оборудования. Поэтому разработка промышленных методов выращивания полупроводниковых кристаллов соединений типа АIIВVI с расплава под давлением инертного газа, а также реализация этих методов на основе новых конструктивных решений для технологического оборудования, является актуальной проблемой современного материаловедения.

Кроме того, в Украине исследования и разработки в области полупроводникового материаловедения всегда охватывали практически весь комплекс проблем, связанных с выращиванием кристаллов различных групп и классов. Сейчас в силу разных причин эти исследования в области технологии материалов соединений АIIВVI резко сузились, в то время как в мировой науке и технике наблюдается значительное усиление заинтересованности к ним. Это также подтверждает актуальность выбора темы диссертации.

Связь работы с научными программами. Исследования проводились в "Институте монокристаллов" НАН Украины, а с 1995 года в Научно-исследовательском отделении оптических и конструкционных кристаллов НТК "Институт монокристаллов" в соответствии с планами научно-исследовательских работ, в рамках таких тем, проектов и держзаказив

Тема "Апрель" (1976-1978) приказ Минхимпрома СССР № 638 / Д-329 от 17.12.75 г .; тема "Лагуна" (1979-1980) приказ Минхимпрома СССР № 396 / Д-245 от 16.08.78 г .; тема "Лотос" (1981-1985) по Постановлению СМ СССР от 07.08.80 г .; темы "Виток", "Исток 2" (1986 1990) приказ Минхимпрома СССР № 542 / Д-395 от 16.08.86 г .; в рамках тематических планов отделения и по темам государственной регистрации 0197U 012108 ( "Триада") "Исследование полупроводниковых характеристик крупногабаритных кристаллов CdZnTe, полученных под высоким давлением инертного газа" 1999) и № U012106 ( "Гамма") "Разработка технологии получения крупногабаритных монокристаллов теллурида кадмия-цинка под высоким давлением инертного газа и подготовка опытного производства нового поколения детекторов ионизючого излучения на их основе "(1997 2000), а также Госзаказ .00.6Розроблення технологии и оборудование для получения кристаллов CdZnTe, используемых в детекторах ядерного излучения. Создание опытного производства" (2000 2002) и программы международного партнерства "INCO & ndash ; Copernicus "№ CT 960 808," Cadmium telluride & amp; related semiconductor sensors for radiation imaging & amp; optical switching applications "(1997 2000). Автор был научным руководителем этих тем и программ.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы была разработка технологических основ опытно-промышленного выращивания с расплава под давлением инертного газа полупроводниковых кристаллов группы АIIВVI и твердых растворов на их основе с заданными структурными, оптическими и другими эксплуатационными параметрами.

Анализ многолетнего опыта разработки и эксплуатации ростовых установок, работающих с высокими температурами и давлением внутри кристаллизационной камеры показал необходимость создания ростовых аппаратов нового поколения, которые позволяли бы максимально адаптировать технологические режимы для решения конкретных задач, связанных со свойствами выращиваемых кристаллов.

Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи:

1. комплексное исследование зависимости характеристик выращиваемых кристаллов от: чистоты шихты, используется; примесей, поступающих в кристалл с атмосферных газов; термоупругих напряжений в кристаллах; изменение состава кристалла в процессе выращивания; значений основных ростовых параметров (давление инертного газа, скорость вытягивания тигля);

2. разработка универсальной конструкции теплового узла ростовых камер управляемыми параметрами температурных зон плавления, кристаллизации и охлаждения (размеры зон, осевой и радиальный градиенты температуры и т.д.).

3. разработка принципа построения теплового узла ростовой камеры для выращивания крупногабаритных кристаллов (диаметром более200 мм);

4. разработка технологии выращивания високопрозорих кристаллов ZnSe для использования в силовой оптике ИК диапазона;

5. выращивание тройной соединения Cd1-xZnxTe однородного состава и высокого удельного электрического сопротивления для полупроводниковых гамма-детекторов;

6. исследования аномальных свойств прочно напряженных кристаллов ZnSe;

7. исследования процесса получения кристаллов сложных фторидов типа АВF3 в разработанной ростовой аппаратуре без использования фторирующий атмосферы.

Научная новизна полученных результатов

a. Разработаны технологические основы выращивания полупроводниковых кристаллов группы АIIВVI с заданными свойствами. Получение кристаллов с расплава под давлением инертного газа базируется на новых решениях в конструкции теплового узла ростового оборудования, позволяют оптимизировать параметры температурного поля в зонах расплавления шихты, кристаллизации расплава и охлаждения выращенного кристалла.

b. Разработаны принципы управления тепловым полем ростовых камер системой из двух раздельно управляемых нагревателей. Впервые создана установка, в которой выращивания кристаллов группы АIIВVI с расплава под давлением аргона до 100 атм может быть выполнено любым из трех методов: по Бриджмена, зонной плавкой или градиентной охлаждением.

c. Разработан новый принцип построения теплового узла ростовой камеры для выращивания крупногабаритных кристаллов. Создана оригинальная ростовая установка для выращивания методом Штебер наиболее крупных на сегодняшний день кристаллов селенида цинка диаметром 250 мм. Расчеты показывают принципиальную возможность удвоения диаметра выращиваемого кристалла благодаря геометрическому увеличению деталей теплового узла ростовой камеры.

d. Установлено, что повышение поглощения ИК излучения в кристаллах селенида цинка происходит за счет примесей, поступающих в кристалл из конструкционных материалов ростовой камеры и атмосферных газов, адсорбированных на футеровке ростовой камдстави исследования зависимости формы изоконцентрат цинка от распределения температурного поля ростовой камеры разработаны принципы технологии получения тройного твердого раствора Cd1-xZnxTe с однородным распределением цинка в большей части кристаллической были. Показано, что достижение плоской формы фронта кристаллизации является необходимым условием получения материала для полупроводниковых гамма-детекторов, которые имеют спектрометрические свойства при комнатных температурах.

Практическое значение. Решено комплексную задачу получения ряда практически важных кристаллов группы АIIВVI (ZnSe, CdZnTe) в условиях опытно-промышленного производства, включающий в себя как разработку технологического процесса выращивания кристаллов, так и оригинальных ростовых установок.

Полученные экспериментальные и теоретические данные, которые позволили классифицировать основные механизмы и причины повышения поглощения ИК излучения в оптических кристаллах ZnSe, что представляет основу для разработки эффективного технологического процесса выращивания високопрозорих кристаллов силовой оптики в условиях серийного производства.

Разработан опытно-промышленную технологию выращивания тройного твердого раствора Cd1-xZnxTe с однородным распределением цинка в большей части кристаллической были, что является необходимым условием получения материала для полупроводниковых гамма-детекторов, которые имеют спектрометрические свойства при комнатных температурах. Разработана методика изготовления таких детекторов.

Для демонстрации возможностей разработанной ростовой аппаратуры выращено кристаллы сложных фторидов типа АВF3 без фтористого водорода для подавления пирогидролизу. Для этого разработан способ низкотемпературного синтеза исходной шихты для выращивания кристаллов со структурой перовскита KMgF3 и антиперовскиту LiBaF3.

Разработана серия ростовых установок с перестроений тепловым узлом, в том числе, впервые создан ростовую установку высокого давления (Р и 100 атм) с двумя раздельно управляемыми нагревателями, что обеспечивает максимальную гибкость в выборе роСООО условий для реализации всех наиболее используемых методов роста кристаллов с расплава под давлением инертного газа за Бриджмена, зонной плавкой или градиентной охлаждением.

Создана оригинальная ростовую установку для выращивания методом Штебер наиболее крупных кристаллов селенида цинка диаметром 250 мм.

Разработаны способы улучшения чистоты используемой исходного сырья, ее грануляции, дезоксидации и прочее, пригодные и для технологии выращивания других кристаллов.

Личный вклад автора заключается в разработке основной идеи работ [1-3, 8-12, 23-30, 32], проведении вычислений и анализа основных результатов [14, 16, 18], теоретических расчетах, связанных с выращиванием экспериментальных образцов кристаллов ZnSe и CdZnTe [4,6,15,17,21], исследовании их полу-проводниковой, оптических, гамма-детекторных и других характеристик [5,19,20,22,31]. Автор принимал непосредственное участие в написании статей по теме диссертации, а 3 статьи [7,14,16] написаны самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат результаты и выводы, приведенные в диссертации и автореферате.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований были представлены и обсуждались на: вторая и восьмая Всесоюзных конференциях по росту кристаллов, (Харьков, 1982 и 1992); Третий Всесоюзной конференции "Состояние и перспективы разработки методов выращивания монокристаллов» (Харьков, 1985); Межгосударственной конференции "Сцинтилляторы-93" (Харьков, 1993); Четвёртого Международной конференции "Лазерные технологии-93" (м.Шатура, Моск.обл., 1993); Первый Международной конференции по материаловедению халькогенидов (Черновцы, 1994); 3-м Средиземноморском семинаре "Новые оптические материалы NOMA-97" (Четраро, Италия, 1997); Международных конференциях "MRS-1994 Spring Meeting". и "MRS-1998 Spring Meeting" (Сан-Франциско, США, 1994 и 1998); Международной конференции "PHYSCI-94" (С.-Петербург, Россия, 1994); Одиннадцатый и двенадцатый Международных конференциях по росту кристаллов (Амстердам, Голандглавные из них: более высокая ионнисть атомов решетки, высокая упругость пара и его агрессивность, малая энергия дефектов упаковки кристаллической решетки. Для выращивания с расплава летучесть компонентов является негативным фактором сублимация II-VI материалов происходит при температурах, более низких температур плавления.

Некоторые из II-VI материалов были получены как кубической, так и гексагональной структуры. Энергетическая разница между этими двумя фазами мала, поэтому дефекты упаковки, вызванных фазовыми переходами представляют главную проблему для соединений в которых стабильной фазой при комнатной температуре является кубическая. Даже в тех случаях, когда фазовый переход не обнаружено (CdTe), образование дефектов остается проблемой вследствие низкой энергии дефектов упаковки. Мягкость этих материалов делает их склонными к деформации.

С этими особенностями материалов II-VI, возможно, и связана недостаточная изученность технологических условий выращивания кристаллов с заданными свойствами, а это, в свою очередь, сдерживает разработку эффективной технологии и аппаратуры для получения этих материалов.

Учитывая основных методов получения кристаллов происходит, только розплавни методы (по Бриджмен, зонная плавка, градиентное охлаждения и их модификации) совмещают высокие скорости роста кристаллов с достаточно хорошей кристалличность материала и его чистотой. Кроме того, только они на сегодняшний день обеспечивают возможность получения кристаллов больших размеров, а потому и высокую производительность технологического оборудования.

Во втором разделе приведены результаты разработки серии установок, позволяющих получать кристаллы и твердые растворы II-VI соединений с диаметром от нескольких мм до 250 мм в условиях опытно-промышленного производства.

Основные требования к ростовых камер высокого давления для получения II-VI соединений происходят из главных физико-химических особенностей этого класса полупроводников, а именно:

1. необходимо подавление потерь шихты в течение ростового цикла, используя и нертну атмосферу ростовой камере (аргон, азот) с давлением от единиц до сотен атмосфер;

2. высокие температуры расплавов и высокое давление инертного газа в камере накладывают ограничения на способы нагрева шихты, на чистоту и реакционную способность конструкционных материалов (особенно тигля).

Все вышеупомянутое только частично касается наиболее легкоплавкой соединения теллурид кадмия, выращивание которого возможно в закрытой кварцевой ампуле при внешнем давлении ~ 1 атм. Однако и для этого материала применения ростовых камер высокого давления позволяет получать кристаллы с качественно другими характеристиками, которые недоступны для методов выращивания этих кристаллов при атмосферном давлении.

Ростове аппараты для выращивания кристаллов II-VI группы с расплава под давлением инертного газа представляют собой толстостенные стальные камеры (рис. & Nbsp;), охлаждаемые водой (иногда воздухом), внутри которых размещены: система теплоизоляции; тигель с расплавом и тепловой узел, который обеспечивает нагрев определенной области камеры высокого давления таким образом, чтобы создать и поддерживать три температурных зоны:

1. зону расплавления исходного материала;

2. градиентную зону кристаллизации расплава;

3. зону охлаждения выращенного кристалла.

Параметры всех трех зон (разделение температуры внутри зоны, геометрические размеры зон, осевой и радиальный температурные градиенты в зоне кристаллизации и зоне охлаждения кристалла и т.д.) имеют основное влияние на совершенство структуры кристалла и создание в нем тех или иных дефектов. Кроме того, параметры этих зон определяют возможность реализации таких розплавних методов выращивания кристаллов, как направленная кристаллизация, зонная плавка или градиентное охлаждения расплава. Таким образом, наиболее важной проблемой создания эффективного ростового оборудования является разработка конструкции теплового узла, который позволяет получить необходимые температурные условия на всех этапах выращивания кристаллов.

Разработка конструкции механизма перемещения тигляю, от плавности хода которого зависят однородность свойств кристаллов, а также появление характерных объемных дефектов типа пор и включений, можно считать второй важной задачей на пути создания эффективного ростового оборудования

Работа всех узлов и механизмов внутри ростовой камеры происходит при высоком давлении инертного газа, паров основных компонент расплава, десорбованих газов и других загрязнений техногенного характера, нагретых до высокой температуры. Поэтому внутреннее строение камеры высокого давления, выбор конструктивных материалов для изготовления деталей камеры, их предварительная очистка также является одним из важных факторов, который определяет чистоту и совершенство структуры кристалла.

Решение этих трех проблем выполнено в работе на основе соответствующих расчетов и анализа связи характеристик получаемых кристаллов с ростовыми параметрами.

В результате разработки создана базовая конструкция опытно-промышленной установки (рис. & Nbsp;). Конструкция позволяет регулировать ростовые параметры в широких пределах, чтобы обеспечить возможность выращивания всей группы широкозонных материалов II-VI соединений. Кроме того, разработка серии нагревателей различной конструкции позволяет реализовать все наиболее употребительные розплавни методы выращивания кристаллов этой группы: зонную плавку, метод Бриджмена-Стокбаргера и градиентного охлаждения.

С рис. 3

Загрузка...

Страницы: 1 2 3 4 5






Ещё Рефераты по вашей теме

Состояния соматического ЗДОРОВЬЕ "Я И ФАКТОРЫ РИСКА ПО ЕГО НАРУШЕНИЙ У ДЕТЕЙ ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА - Автореферат
Запорожская наследие на юге Украины последней четверти XVIII - начала XIX века - Автореферат
Управление эффективным развитием паливопостачальних об объединений Украины на основе контроллинга - Автореферат
Дифракционного взаимодействия нуклонов И ДЕЙТРОНОВ с ядрами При промежуточных энергиях - Автореферат
Теоретические и экспериментальные ПУТИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ водорода НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ двигательных и энергетических установок летательных аппаратов - Автореферат
ЗАКОНОМЕРНОСТИ морфологические изменения АДЕНОГИПОФИЗА ЖИВОТНЫХ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И солей тяжелых металлов - Автореферат
ПРАВОВЫЕ ВОПРОСЫ СОЦИАЛЬНОЙ ПАРТНЕРСТВА В УКРАИНЕ - Автореферат