РОЗДІЛ 2
Оптимізація вирощування монокристалів багатокомпонентних твердих розчинів АІІBVI зонною плавкою
Складні напівпровідникові тверді розчини типу Hg1-xCdxTe (КРТ) широко застосовуються у сучасній оптоелектроніці. Ці матеріали, більшою чи меншою мірою, використовуються як базові для створення фотоприймачів інфрачервоного випромінювання для середнього (? = 3 - 5 мкм), і далекого (? = 8 - 14 мкм) діапазонів. Отримання таких матеріалів можливе багатьма способами: це й метод Бріджмена, і зонна плавка та твердотільна рекристалізація (для отримання монокристалів); і різні методи епітаксійного вирощування (для отримання плівок) [77]. Найбільш популярним є метод зонної плавки, за допомогою якого було отримано монокристали нового багатокомпонентного напівпровідникового твердого розчину Hg1-х-у-zCdхMnyZnzTe, який досліджується в даній роботі. Звичайно, процес зонної плавки твердих розчинів досить дорогий та довготривалий, тому дослідження, спрямовані на покращення якості та скорочення часу вирощування цих кристалів, є, без сумніву, актуальними.
Процеси в розплаві, які протікають при зонній плавці, аналогічні процесам при направленій кристалізації. Кристалізація речовини цим методом здійснюється шляхом переміщення через вихідну загрузку вузької розплавленої зони (рис. 2.1). Метод зонної плавки використовується головним чином для очищення речовин від домішок, оскільки рівноважні концентрації домішок в рідкій і твердій фазах різні. При багаторазовому проходженні розплавленої зони в одному напрямі, домішки концентруються на краях злитка. Ефективність очистки залежить від ефективного коефіцієнта розподілу. Метод часто використовують у режимі зонного вирівнювання для отримання однорідних легованих зразків і монокристалів твердих розчинів. У цьому випадку переміщення зони проводять в різних напрямах.
Рис. 2.1. Схема зонної плавки: 1 - закристалізований злиток; 2 - зона розплаву; 3 - підживлюючий злиток.
Основні фактори, що впливають на хід процесу - це довжина розплавленої зони, розподіл компонент у вихідному злитку, умови перемішування, швидкість пересування зони. Розподіл компонентів по довжині у кристалах, отриманих однопрохідною зонною плавкою, часто описують рівнянням Пфанна [78]:
, (2.1)
де і - концентрація компонента на відстані від початку злитка і концентрація у вихідному злитку відповідно; - коефіцієнт розподілу; - довжина розплавленої зони. Якщо довжина зони і швидкість її переміщення постійні, то розподіл залежить лише від початкових умов і змінюючи їх можна отримати необхідний розподіл компонентів вздовж злитку.
Рівняння Пфанна отримано з певними припущеннями, які можуть і не виконуватись. В роботі [79] вивчено можливі невідповідності реальних умов процесу кристалізації прийнятим припущенням. Проаналізовано вплив непостійності коефіцієнту розподілу і довжини зони, нерівномірність розподілу компонентів у вихідному злитку. Також співставлено експериментальні результати з теоретичними залежностями. На прикладі твердих розчинів системи HgTe - CdTe показано, що зміна коефіцієнта розподілу, який залежить від складу початкового полікристалу, а також нерівномірність розподілу компонентів вздовж злитку істотно впливають на характер розподілу. В результаті виведено відповідні рівняння, які враховують зазначені фактори.
Для оцінки впливу зміни коефіцієнта розподілу в роботі [80] була визначена його залежність від складу рідкої фази. За даними цієї роботи, в діапазоні концентрацій 0,07 - 0,22 мольних часток телуриду кадмію ця залежність підкоряється емпіричному рівнянню:
, (2.2)
де - вміст телуриду кадмію в рідкій фазі. В цій же роботі показано, що в стаціонарному режимі зонної плавки неоднорідність складу вихідного злитку пов'язана, наприклад, з умовами напрямленої кристалізації, відтворюється у вирощуваному кристалі.
За даними роботи [79], неоднорідність вихідного злитку може мати й інший характер: якщо тривалість синтезу недостатня для повного розчинення телуриду кадмію, то його надлишок локалізується у початковій частині злитку. За недостатньо високої температури зони CdTe може залишатися у вигляді нерозчинених твердих частинок, які служать додатковим джерелом тугоплавкого компоненту. Тоді зміна його кількості в розплаві з часом визначається рівнянням:
, (2.3)
де - концентрація компонента у вихідному матеріалі; - поперечний переріз злитку; - швидкість переміщення фронту кристалізації; - маса твердої фази; і - коефіцієнти, які враховують швидкість розчинення і зміну при кристалізації; - відстань від початку злитка, де концентрація компонентів дорівнює . На основі формули (2.3) в роботі [79] показано, що для отримання однорідних кристалів методом зонної плавки особливу увагу слід приділяти режимам синтезу з метою повного розчинення тугоплавких компонентів. Корисним є також добавка легкоплавких компонентів на початок злитку, однак це пов'язано з додатковими технологічними операціями, які збільшують імовірність забруднення кристалу.
Дослідженню процесу однопрохідної зонної плавки напівпровідникових твердих розчинів Hg1-хCdхTe та Hg1-хMnxTe присвячено роботи [81-82]. На відміну від роботи [79], у [81-82] показано, що розподіл компонентів CdTe та MnTe вздовж злитків монотонним чином залежить від складу вихідного полікристалу і для Hg1-хCdхTe описується емпіричною формулою:
, (2.4)
де , ( = 0,16 - 0,32), - відстань вздовж злитку, - склад вихідного полікристалу, - склад твердої фази злитку. У роботі [81] проаналізовано рівняння Пфанна для однопрохідної зонної плавки і показано, що для Hg1-хCdхTe ( = 0,16 - 0,32) найкраще узгодження з експериментом досягається при заміні коефіцієнта розподілу величиною і апроксимації уведеного коефіцієнта розподілу деякою лінійною функцією від координати вздовж злитку, то