Воздействие ультразвукового поля и пониженной силы тяжести на электрофизические свойства и структуру монокристаллического арсенида галлия

• Автор: Фицуков, Михаил Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 144 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. СВОЙСТВА ПОЛУИЗОЛИРУЮЩЕГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ВЫРАЩИВАНИЯ ЕГО МОНОКРИСТАЛЛОВ
1.1. Факторы, влияющие на свойства арсенида галлия. Виды неоднородностей монокристаллов
1.2. Анализ возможгюстей 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. Методические особенности измерений свойств монокристаллов и образцов на их основе
3.2. Изучение структуры экспериментальных и опытных монокристал-лических 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
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
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].
Полуизолируюшие 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 .ГСЕ, 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 10* 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 талия 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 обра-
С учетом дефицита электроэнергии на борту' космического аппарата, необходимости сброса тепла с контейнера с расплавом при жестких требованиях к массогабаритным характеристикам всех систем космической технологической установки может быть целесообразной следующая технологическая схема процесса направленной кристаллизации. Контейнеры, диаметром 100 мм и длиной 250 мм с поликристаллическим арсенидом галлия, заправленные в земных условиях, устанавливаются в цилиндрические каналы, выполненные в блоке с термоизолирующим веществом (например, гидридом лития). Количество контейнеров может определяться, с одной стороны, планированием провести в космосе технологический процесс и вернуть на Землю как можно больше контейнеров с монокристаллами, а с другой стороны, приемлемостью массогабаритных характеристик (масса, обычно не должна превышать 700 кг, габариты систем технологической установки должны вписываться в сферу диаметром не более 2 м) [73]. В этом случае, каждый контейнер снаружи должен быть оснащен оптимизированным электронагревателем (мощность 4 кВт, напряжение 27 В) и экранновакуумной теплоизоляцией, которая механически не связана не со стенками контейнера, не со стенками канала в термоаккумуляторе, в котором и размещен контейнер. Она должна иметь возможность перемещаться вдоль всего контейнера: в одном крайнем положении теплоизоляция полностью экранирует контейнер в канале (теплоизоляция размещена в термоаккумуляторе), во втором положении - она полностью выдвинута из термоаккумулятора. Причем механизм перемещения экранно-вакуумной теплоизоляции целесообразно разместить под блоком термоаккумулятора. В этом случае электронагреватели контейнеров скоммутированы с энергоисточником так, что каждый из них при работе будет подключаться к источнику питания поочередно.
Если блок термоаккумулятора будет связан с холодильником-излучателем теплопроводом с теплоносителем, то это позволит в необходимых случаях сбрасывать тепло в открытое космическое пространство. На контейнерах, в термоаккумуляторе и в холодильнике-излучателе целесообразно установить датчики и измерительные средства, которые позволят, с одной стороны, контролировать ход технологического процесса и качество получаемых монокристаллов, с другой стороны, управлять самим процессом.
Из анализа вышеприведенной литературы, работа технологической установки должна осуществляться следующим образом. В исходном положении все контейнеры