Жартылай өткізгіш аспаптар және құрылымдар

ӘЛ-ФАРАБИ АТЫНДАҒЫ ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ

Таурбаев Т.И. Никулин В.Э. Байғанатова Ш.Б.
Тауасаров Қ.Ә. Таурбаев Е.Т. Мусабек Г.К.

ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ АСПАПТАР ЖӘНЕ
ҚҰРЫЛЫМДАР

Алматы 2009

Алғы сөз
Әдістемелік оқу құралы «Қатты дене физикасы» , «Материалтану және
жаңа материалдар технологиясы», «Техникалық физика» мамандықтары
бойынша білім алып жатқан студенттерге арналған. Оқу құралын жартылай
өткізгіш материалдар мен жартылай өткізгіштен жасалған аспаптарды оқыпүйрену кезінде басқа мамандықтардың студенттеріне де пайдалануға болады.
Әдістемелік оқу құралына «Жартылай өткізгіштер электроникасының
физикалық негіздері», «Жартылай өткізгіш аспаптар физикасы», «Жартылай
өткізгіштер физикасы», «Жұқа қабықшалар физикасы», «Материалтану»,
«Жартылай өткізгіштер оптоэлектроникасы», «Аморфты материалдар»
пәндерінің әр түрлі бөлімдері бойынша лабораториялық жұмыстар енген.
Оқу құралының мақсаты - студенттерді арнайы курстар мен
семинарларда алған теориялық деректерін пысықтау; технологиялық
қондырғылар және өлшеу құралдарымен практикалық жұмыс істеуге
дағдыландыру; физикалық тәжірибелер жасауға; тәжірибе нәтижелерін өндеуге
және талдауға үйрету.
Лабораториялық жұмыстарда студенттер кристалданудың кейбір
процестерімен, жартылай өткізгіш материалдарды алу жолдарымен және
жартылай өткізгіш негізінде жасалған аспаптардың негізгі параметрлерін
өлшеу әдістерімен танысады.
Барлық лабораториялық жұмыстарда қысқаша теориялық кіріспе,
тәжірибелік қондырғылардың сипаттамалары, тапсырманы орындау тәртібі
және мәселемен терең танысқысы келетін студенттер үшін қажетті бақылау
сұрақтары берілген .
Лабораториялық жұмыстарды орындау алдында студенттер қауыпсіздік
техникасының қажетті нұсқауларымен танысуы тиіс. Сонымен қатар
студенттердің жұмыс орындалатын қондырғылырды техникалық тұрғыдан
толық меңгергені, әрбір құралдың атқаратын қызметін, өлшейтін шамаларын
білгені абзал.
Әрбір орындалған лабораториялық жұмыс бойынша студент есеп беруге
дайындалуы қажет. Дайындық құрамына математикалық өңдеу, графиктер,
сызбалар, сипаттамалар, кестелерді толтыру, бақылау сұрақтарына жауап беру
кіреді.

2

№ 1 ЛАБОРАТОРИЯЛЫҚ ЖҰМЫС
МОНОКРИСТАЛДАРДЫ ҚОРЫТПАДАН БАҒЫТТАЛҒАН
КРИСТАЛДАНУ ӘДІСІМЕН ӨСІРУ
(Стокбаргер-Бриджмен әдісі)
Жұмыс мақсаты: Монокристалдарды қорытпадан өсіру әдісімен танысу.
Жұмыста қолданылатын жабдықтар:
1. СДО-125/3 пеші.
2. Формакуумдық сорғыш ВН-461.
3. МИИ-6 микроскоп.
4. Редукторлы электрометр.
ҚЫСҚАША ТЕОРЕТИКАЛЫҚ КІРІСПЕ
Сұйық фазада түйіндердің пайда болуы
Кристалдану процестері метатұрақты жүйенің еркін энергияның
минимумына (аса салқындатылған сұйық) сәйкес келмейтін күйде болатын
орталарда өтеді. Мұндай күйде сұйық неғұрлым көп уақыта, жана фазаның
түйіні пайда болғанша, болуы мүмкін. Сонан кейін метатұрақты сұйық фаза,
еркін энергияның минимумына сәйкес келетін, тұрақты қатты фазаға ауысады.
Термодинамикалық көз қарасынан жана фазаның түйіні пайда болуы өз өзімен
өтпейді, себебі бұл процесс кезінде фаза аралық бөліну шекарасының пайда
болуына энергия шығынын қажет етеді. Бірақ онда метатұрақты фазадағы
тығыздықтың флуктуациялары есепке алынбайды. Осы флуктуациялардың
ықтималдығы мына берілумен жазылады:
Р = Аехр (ΔG/ΔТ)

(1)

мұнда А - тұрақтысы, ΔG - берілген флуктуацияға негізделген жүйенің еркін
энергияның өзгерісі. Кристалдану кезінде түйін сфералық тәрізді десек жүйенің
еркін энергияның өзгерісі ΔG былай жазылуы мүмкін:
∆G = 4πr γ −
2

4πr 3 ∆G y

(2)

3

мұнда γ - меншікті беттік энергия, ал ΔG y - көлем бірлігінде еркін энергияның
өзгерісі, r - түйіннің радиусы. Түйіннің өлшемі өскенде беттік энергиясы
көлемдік энергиясынан тез өседі, ал бір белгілі шама кезінде
(2)-дегі
мүшелердің екеуі бір біріне тең болады, бұл жағдай r k радиусты түйінің пайда
болуына негіз болады. Туындыны нольге теңдестіріп, мынаны табуға болады:
d (∆G ) / dr = Bπrγ − 4πr 2 ∆G y = 0
rk = 2γ / ∆G y

(3)

3

Осыдан критикалық түйіннің еркін энергиясы
∆Gmax =

16πγ 3
3∆Gv

2

(4)

Екі өлшемді түйін пайда болу жағдайында (ұйытқыда кристалдану) шектеулі
түйі өлшемі кемиді, ал оның еркін энергиясы былай анықталады:
∆G = 2πr γ − πr 2 ∆Gv

(5)

d (∆G )
шартынан шығатыны
dr
rk = γ / ∆Gv

∆Gmax = πγ 2 / ∆Gv

(6)
(7)

1 – беттік энергия;
2 – көлемдік энергия;
3 – толық еркін энергия.
1 – сурет. Кристаллдық түйірлердің пайда болу
жұмысының оның радиусына тәуелділігі
1-ші суретте ΔG = f (r) функциясының графигі келтірілген, одан r = r k
болғанда толық еркін энергиясының максимумы болатындығы көрінеді. Егер
түйіннің өлшемі r k -ден кем болса, онда ол ериді, r = r k болғанда еру және
кристалдану процестерінің ықтималдығы бірдей. r > r k болғанда жаңа фазаның
өсуі термодинамика бойынша пайдалы, себебі осы кезде жүйенің толық еркін
энергиясы кемиді.
Қорытпаны аса салқындату түйіндердің өлшемі мен санына ықпалын
тигізеді. Асқын салқындату кезінде түйіндердің саны өседі сондықтан олардың
шектеулі радиусы кемиді. Осы жағдай поликристалдардың өсуіне ықпалын
тигізеді. Қанығу аз болғанда, керісінше, шектеулі түйіннің өлшемі өседі, ал
түйіндер саны азаяды, бұл монокристалдың өсуіне ықпалын тигізеді. Тұра
осындай эффектке монокристалдық ұйытқымен кристалдану кезінде жетуге
болады.
Кристалдардың өсу кинетикасы
Кристалдық фазаның өсу жылдамдығы деп уақыт бірлігіндегі кристал
қырының түзу сызықты өзіне параллель бағытпен орын ауыстыруын айтады.
Әр түрлі қырлардың өсу жылдамдығы әр түрлі және ол олардың ретикулярлық
тығыздығымен анықталады. Ретикулярлық тығыздығы аз қырлар тез өседі,
себебі оларды құрастыруға заттың аз мөлшері қажет. Сондықтан кристалдың
4

формасына жәй өсетін, тепе-теңдік пішініне жататын, қырлары жауапты. 2-ші
суретте тез өсетін С қыры жәй өсетін А және В қырларымен ығыстырылады.
Кристалдық фазаның пайда болу жылдамдығына екі фактор ықпалын тигізеді:
термодинамикалық және кинетикалық. Бірінші фактор гетерогендік
флуктуациялардың ықтималдығын анықтайды және (1)-ші теңдеумен
белгіленеді. Екіншісі - түйін пайда болу ықтималдығының атомдардың
қозғалтқыштығына тәуелділігін есептейді. Сонымен,
v = A exp(−

∆Gmax
∆H
),
) * exp(−
RT
RT

(8)

мұндағы ∆H - кристалданудың жасырын жылуы.

2–сурет. Қырларын параллель көшіру
жолымен кристалды өсіру сүлбесі

Кристалданудың жасырын жылуы
Кристалдардың өсуі оларға агрегаттар немесе бөлек атомдардың қосылуы
арқылы пайда болады. Кристалдың бетіндегі адсорбция әлі оның өсуі деп
есептелмейді, себебі ол атомдардың көбі қоршайтын ортаға қайта "буланады".
Бөлек атомдардың және молекулалардың атомдық-тектес бетке қосылуы
энергетикасы пайдалы емес, себебі бұл жағдай кристалдың беттік
энергиясының өсуіне келтіреді. Осындай бетте радиусы шектеулі радиустан
үлкен агрегат орнықты болады. Осы түйін кристалдың бетінде бекітілгеннен
кейін оның әрі қарай өсуі тангенциал бағытта, үш қырлы бұрыштардың
(қайтарма жүріс) және екіқырлы бұрыштардың тізбектеліп толуымен
орындалады (3-сур.). Аса қанығу 25-30%-тен аз болғанда шектеулі түйіннің
пайда болу ықтималдығы өте аз, бірақ ондай қанығу кезінде тангенциал өсуі
өте тез өтеді. Сондықтан өсу жылдамдығы кристалдың атомдық-тектес бетінде
екіөлшемді түйіннің пайда болуымен шектеледі.
3–сурет. Абсорбталған атомның кристалл бетінде
мүмкін болатын орналасулары:
1 – үш қырлы бұрышта;
2 – екі қырлы бұрышта;
3 – жазық бетте.

5

4 –сурет . Винттік дислокацияның моделі

Нақты кристалдарда аса қанығу 1%-тен кем болғанда да өсу пайда болуы
мүмкін. Теория және практика арасындағы мұндай қарсылықты дислокациялық
өсу теориясы түсіндіреді. Осы теория бойынша нақты кристалдың бетінде әр
уақытта винт тәрізді дислокациялар бар, олар өсу сатыларының көздері болып
табылады. Өсу процесі кезінде бұл сатылар жойылмайды, олар дислокациялық
нүкте айналасында айналып қозғалады. Екі өлшемді және дислокациялық
механизмдер нақты кристалдардың өсуі шарттарын сипаттаса да өсудің
ерекшеліктерін тек қана жуықтап сипаттайды. Өте жақсы кристалдарда
дислокациялар тығыздығы 104 см-2-ге жетеді, одан басқа олардың беттерінде
биіктіктері әр түрлі көп сатылар бар. Онда өсу кинетикасы сатылардың
қозғалысымен анықталады, ал морфологиясы пішініне, биіктігіне және
сатылардың өз ара орналасуна тәуелді болады. Қабаттық өсу беттің көп
жерлерінде бірмезгілде өтеді, ол өсетін қабаттардың бір бірімен беттесіп
жабылауына және сипатты рельефтің пайда болуына келтіреді.
Қоспалардың кристалдану тәртібі
Өсетін кристалды бақылап легирлеу үшін сонымен бірге оны тазартуы үшін,
қатты фаза және сұйық фазалар арасында қоспалардың қалай үлестірілетінін
білу керек. Бұл үлестірілу қоспаның сегрегация коэффициентімен жазылады
K o = C тв / С ж

(9)

мұнда С қ және С с - қатты және сұйық фазалардағы қоспалық атомдардың
концентрациясы.
Көптеген қоспалар үшін сегрегация коэффициенті 10-8-нан 10-ға дейінгі
аралықта жатады. Егер қоспа қорытпасының балқу температурасын жоғарлатса
сегрегация коэффициенті бірден көп болады, кері жағдайда -бірден кем (5- сур)

а)
б)
5 – сурет. Араластырылған ерітінділер аумағындағы фазалық диаграмма
6

Сегрегация коэффициентінің шамасы ликвидус (L) және солидус (S)
арасындағы бұрышпен анықталады, сонымен бірге осы сызықтардың
сұйылтылған ерітінділер аумағындағы фазалық
диаграммасының
температуралар осіне көлбеуімен анықталады.
Өсу жылдамдықтары үлкен болғанда сегрегация коэффициентінің тепеауытқуы байқалады. Ол ауытқуы К о <1 кезінде өсу
теңдік К о шамасынан
фронты алдындағы жұқа қабатта қоспалық атомдардың концентрациясы
көлемдік концентрациясымен салыстырғанда өсетіндігімен байланысты. Бұл
жағдай қоспаның үлестірілу эффективтік коэффициентімен К эфф есептеледі.
К эфф = К о /[К о + (1-К о )ехр(vδ /D),

(10)

мұнда v - кристалданудың жылдамдығы, δ - қорытпа қабатының диффузиялық
қалындығы, D- қорытпаға қоспаның диффузия коэффициенті.
(10)-ші формуладан vδ/D шамасы үлкен болғанда К эфф бірге
жақындайтынын, ал К эфф кіші болғанда өзіннің тепе-теңдік шамасына К о
ұмтылатынғын байқаймыз. Кристалдарды тазарту үшін кристалдану шарттарын
К эфф → К о етіп таңдау керек. Оны кристалданудың кіші жылдамдықтарын
қолдануымен және диффузиялық қабатының қалындығын азайтатын
қорытпаны мәжбүрлеп орын ауыстырумен алады.
Стокбаргер-Бриджмен әдісі
Стокбаргер-Бриджмен әдісі бағытталған кристалдану әдісі болып табылады
және Чохральский, Вернейль т.б. әдістерімен бірге құрамы кристалданатын
заттың құрамына жақын қорытпадан металдардың, элементар жартылай
өткізгіштердің
және
кейбір
жартылай
өткізетін
қосылыстардың
монокристалдарын өсіру үшін қолданылады. Мұнда басқа кристалдарды
өсіретін әдістерден бір айырмашылығы бар - тигельге орналасқан қорытпаның
көлемі түгел кристалданады. Стокбаргер-Бриджмен әдісі қолданылатын
жабдықтарының қарапайлығымен, кристалдану жылдамдықтары жоғары
болатындығымен және алынатын монокристалдардың мөлшерлерінің
үлкендігімен сипатталады.
Қарастырылатын әдістің кемшіліктері деп өсетін кристалда дефекттердің
үлкен саның айту керек, себебі өсетін кристал тигельдің қабырғаларына зор
қысым келтіреді, тура сондай қысымды қабырғалар кристалға кері келтіреді.
Қорытпаның тигель қабарғаларымен әрекеттесуі кристалды тигельдегі
қоспалармен бақылаусыз легирлеуіне келтіреді.
Стокбаргер-Бриджмен әдісі екі вариантта орындалуы мүмкін: вертикаль
және горизонталь (6-сурет). Қорытпа және өсетін кристалл тигельде (6,a - сур.)
немесе қайықшада (6,б - сурет) орналасады. Тигель екі өңірлі пешке
орналасады.

7

6–сурет. Стокбаргер-Бриджмен әдісінің сүлбесі
а) вертикаль; б) горизонталь.
Балқу өңіріндегі пештің температурасы кристалданатын заттың балқу
температурасынан 50-100 оС шамасына жоғары болу керек. Кристалдану
ауданында контейнердің конус тәрізді бөлігінің сол өңірге кіргенде түйіндердің
пайда болу үшін температуралық градиенті неғұрлым көп болу керек. Пештің
астыңғы жағынан тұрақты температурада құйманы күйдіреді. Тигельдің конус
тәрізді бөлігінде қорытпаның мөлшері аз болғандықтан түйіннің пайда болуы
ықтималдығы артады. Келесі салқындату түйіннің әрі қарай өсуіне әкеледі де
тигельдің формасын қайталайтын монокристалдық құйма пайда болады. Егер
контейнердің конус тәрізді бөлігінде бірнеше түйіндер пайда болса, онда құйма
бірнеше монокристалдардан тұрады.
Пайда болу және өсу процестері негізінде бақыланбайды және тигельдің
табиғатынан және жасау сапасынан, кристалдану шетінің пішінінен және өсу
жағдайларының әр түрлі өзгерістеріне тәуелді болады. Егер қорытпа тигельдің
қабырғаларына жақсы жанасса, онда қабырғаларға жақын жерлерде кезкелген
уақытта жаңа түйіндер пайда болуы мүмкін, олар өсетін құйманың құрылымын
бұзады.
Жалғыз түйінді алу үшін Бриджмен кварцтан жасалған екі жіңішкеленген
орыны бар ыдысты қолданған (7-сурет). Тигельдің А бөлігі температура
градиентінің өңіріне жеткеннен кейін кристалдану басталады және А бөлігінде
бірнеше түйіндер пайда болады. Олардын тек қана біреуі тигельдің В бөлігіне
жетеді және Г көлеміне өседі. Тигельдің қабырғаларында түйіндер пайда
болмау үшін кристалдану шеті дөңес болатын тигельді жасайтын затты таңдау
керек.
7 –сурет. Бриджмен ыдысы
Стокбаргер-Бриджменнің горизонталь әдісі қайық контейнерінде өткізіледі
(8-сурет). Өтетін процесс уақытында қорытпаның биіктігі тұрақты
сақталатындығы оның вертикаль кристалданудан негізгі айырмашылығы болып
табылады. Бұл шарт кристалдану процесінің тұрақты болуына ықпал етеді.
Одан басқа бағытталған горизонталь кристалдану кезіндегі қорытпаның үлкен
еркін беті кристалдану кезінде өзге қоспалардың булануын алуға қамтамасыз
8

етеді. Кристалдардың пішіні пластинкалық, ол техникалық колдануға өте
қолайлы. Осы әдіс контейнердің басында орналасатын монокристал ұйытқы
бетіне кристалдарды өсуріге және ірі, басқа әдістермен алуға қыйын, жазық
кристалдарды алуға мүмкіншілік береді.

8 – сурет. Кристаллды өсіруге арналған
қайықша
Өсіру қондырғысы және тәжірибе өткізу әдісі
Кристалдарды
Стокбаргер-Бриджмен
әдісімен
өсіруге
арналған
қондырғының сүлбесі 9- суретте келтірілген. Ол вертикаль негізден 1 тұрады,
оған екі өңірлі әр секциясы бөлек қоректендірілетін кедергілі пеш орналасқан 2.
Секциялар арасында температуралардың үлкен айырмашылығын алу үшін
жылубұру экраны 3 орналасқан. Пешті қыздыртатын элементтер кварцтан
жасалған қаптарымен изоляциялған. Негіздің жоғары бөлімінде 0,03-0,007
мм/сек аралығында орын ауыстыру жылдамдығын өзгертуге мүмкіншілік
беретін редукторы бар электр қозғағыш көмегімен қозғалатын контейнердің
орын ауыстыру механизімі 5 орналасқан. Қондырғының горизонталь
орналасуын реттеуші винттермен 6 жасалады. Қыздырғыштарды қоректендіру
үшін температураны реттейтін ПИТ-3 орынатылады. Пештің жоғары
секцияның температурасы Хромель-Капель типті термоқосақ 7 және цифрлік
вольтметрдің В7-27 көмегімен бақыланады. Бұл термоқосақ температуралық
режимді басқару және тұрақтандыру үшін пайдаланылады.

9–сурет.
Кристаллды СтокбаргерБриджмен әдісімен өсіруге арналған
қондырғының сүлбесі
9

ЖҰМЫС ТАПСЫРМАСЫ
1. Ампулаға шихтаны (висмутты) орналастыру.
2. Ампуланы вакуумдық жүйеге қосып, оның ішіндегі қысымын (2-3) * 10-2
мм.сын.бағ. дейін сорып және шығу түтікшесін балқытып пісіру жолымен
бітеу.
3. Ампуланы қондырғыдағы пештің жоғары секциясының орта бөлігінде
орналастыру.
4. Термореттеуіште қажетті жұмыс температурасын орналастырып пешті
қыздыру.
5. Ампуланың қозғалысының берілген жылдамдығын орналастыру. Пеш
қызғаннан кейін (1 сағат) орын ауыстыру механизімінің қозғалтқышын қосу.
6. Кристалдану процесі аяқталған соң қондырғыны ажыратып және толық
суығаннан кейін ампуланы пештен шығарып алу.
7. Ампуланы жарып өсірілген құйманы алу.
8. Үлгінің монокристалдығын тексеру үшін көлденен сынығын жасап
құрамы 12 г. КОН + 8 г. К 3 Fе(СN ) 6 + 100 мл Н 2 қышқылмен өңдеу.
9. МИИ-6 микроскоптың көмегімен қышқылмен өнделген шұнқырлардың
санын санау жолымен дислокациялардың тығыздығын анықтау. Қышқылмен
өңделген шұнқырлардың орташа жылдамдығы N =

n
формуламен анықталады,
S

мұнда n - микроскоптын көру өрісіндегі қышқылмен өнделген шұнқырлардың
саны, ол сынықтың әр түрлі жеріндегі бес өлшемдерден алынған, S - көру
өрісінің ауданы.
10. Қышқылмен өнделген фигуралар бойынша сынықтық бағдарлануды
анықтау.
Бақылау сұрақтары:
1. Моно- және поликристалдардар өсуіне қандай температуралар ықпал
етеді?
2. Екі өлшемділік және үш өлшемділік түйіндердің пайда болу үшін
түйіннің шекті мәні қалай есептеледі?
3. Кристалдардың өсуінде дислокациялардың ролін түсіндіріңіз.
4. Сегрегация коэффициенті деп нені айтады?
5. Сегрегацияның
эффективтілік
коэффициентінің
тепе-теңдік
коэффициентінен қандай айырмашылығы бар? Қандай жағдайда олар бірбіріне тең болады?
6. Стокбаргер-Бриджменнің әдісі бойынша жеке монокристалды алу үшін
ыдыстың пішіні қандай болу керек?

10

№ 2 ЛАБОРАТОРИЯЛЫҚ ЖҰМЫС
ҚОРЫТПА-ЕРІТІНДІДЕН МОНОКРИСТАЛ ҚАБАТТАРЫН ӨСІРУ
Жұмыс мақсаты:
1. Cұйық фазалық эпитаксиялық әдістерімен және А3В5 жартылай өткізгіш
қосылыстарын және оның қатты ерітінділерінен монокристалл қабаттарын
өсірудегі ерекшеліктермен танысу.
2. Қорытпа-ерітінділік кристалдану әдісімен GaAs төсенішінде Al х Ga 1-x As
қабатын эпитакциялық өсіру процесін жүргізу.
Жұмыста қолданылатын жабдықтар:
1. "Сплав-2" қондырғысы.
2. ВЛР-200 лабораториялық таразы.
3. Графит кассетасы.
ТЕОРИЯЛЫҚ КІРІСПЕ
Эпитаксиал өсіру әдістері
Р-n-ауысуларын жасайтын әр түрлі әдістердің арасында эпитаксиал
технологиясының маңызды орыны бар, себебі ол жартылай өткізгіштік
аспаптардың параметрлерін жақсартуға сонымен бірге диффузиялы-қорытпа
әдістерімен алынбайтын жаңа аспаптарды алуға мүмкіншілік береді.
Бір кристал заттың екінші түйін ретінде қарастырылатын кристалдық заттың
бетіне заңды түрде өсіру эпитаксия деп аталады. Егер ұйытқы монокристалл
болса, онда белгілі шарттарда оның үстінде монокристалдық қабат
отырғызылады, ол ұйытқының кристалдық құрылымның жалғасы болады.
Эпитаксиалдық өсіруінің үш негізгі әдістер белгілі: молекулярлық шоқтар
эпитаксиясы, газдық фазалы эпитаксиясы (ГФЭ) және сұйық фазалы
эпитаксиясы (СФЭ).
Молекулярлық шоқтардан эпитаксия вакуумда (ауасыз бос кеңістікте)
монокристалдық төсенішке термиялық отырғызудың жақсартылған әдісі болып
табылады. Ол элементар жартылай өткізгіштердің монокристалдық қабаттарын
алуға мүмкіншілік береді. Оның ерекше жақсылықтарына (саны 1000-ға дейін
жететін кезектесетін р- және n-типті субмикронды біртекті қабаттарды және
құрылымдарды алу, легирлеудің айқын профильдерін алуға мүмкіншілік
жасайтын, сонымен бірге отырғызу кезінде қабаттардың сапасын үздіксіз
бақылауға мүмкіншілік беретінін) ескермей, бұл әдісте қолданылатын
жабдықтар күрделі болғандықтан және өнім өндіруі төмен болғасын оның
қолданылуы шектеледі.
ГФЭ әдісінде отырғызу кезінде пайда болатын зат не химиялық реакция
нәтижесінде немесе реагент-тасушының көмегімен оның газдық фазасы арқылы
қайта кристалдану жолымен пайда болады. Жоғары сапалы монокристалдық
элементар жартылай өткізгіштерді және жартылай өткізгіштік қоспаларды, ине
тәрізді және жіп тәрізді кристалдарды, сонымен бірге өзге төсеніштерде
поликристалдық қабықшаларды алуға әдістің ерекшелігі мүмкіншілік береді.
11

СФЭ әдісінде жартылай өткізгіштіктердің монокристалдық қабаттарын
отырғызу осы жартылай өткізгіштердің оңай балқитын металл-ерітінділерде
өткізіледі. Бұл әдіс жартылай өткізгіштік материалдарды өсіру үшін және А3В5
қосылыстарының және олардың қатты ерітінділерінің негізінде гомо- және
гетероауысулары бар аспаптарды жасау үшін кең қолданылады. Басқа
әдістермен салыстырғанда СФЭ-дағы қолданылатын жабдықтар өте қарапайым,
қабатты отырғызу жылдамдықтары жоғары, легирлеу қоспаларын таңдауы кең.
Сұйық фазалық эпитаксия әдістері
СФЭ кезінде қорытпа-ерітіндінің кристалданыу қозғаушы күші болып аса
қанығу болатындықтан оны іске асыратын тәсілдерді қарастырған жөн. Бұл
тәсілдер: изотермиялық емес (немесе стационарлық емес) және изотермиялық
(стационарлық) тәсілдерге бөлінеді.
Изотермиялық емес тәсілдерге қорытпа-ерітіндісін әдейі суыту және аса
суыту әдістері жатады. 1-ші суретте қос жүйеде өтетін кристалдану процесін
түсіндіретін фазалық диаграмма келтірілген: жүйені әдейі суыту кезіндегі
температура интервалындағы (А)- еріткіш (В) - ерітілген зат.

1 –сурет. Металл (А) – жартылай өткізгіш
(В) күйінің диаграммасы

Бұл тәсілде төсеніш Т 1 температурада (1-ші суреттегі 1-ші нүкте) төсеніштің
материалы бойынша қаныққан қорытпамен түйістіріледі. Жүйе Т 1 -Т 2
интервалында суытылған кезде сұйықтағы В компонентасының коцентрациясы
Х 1 -ден Х 2 -ге дейін азаяды (1-ші суреттегі 2-ші нүкте). Концентрацияның
өзгерісі төсенішке қалындығы h мына формуламен анықталатын эпитаксия
қабатының отырғызалуына әкеледі:
hs =

PA PB
( x1 − x 2 )
Sρ B A A

мұнда h s - қабаттың қалындығы, А В және ρ В - кристалданатын заттың атомдық
салмағы және тығыздығы, х - оның ерітіндідегі концентрациясы, Р А и А А еріткіштің массасы және атомдық салмағы, S - төсеніштің ауданы.
Қорытпа-еріндісінің аса суыту тәсілі келтірілген тәсілден мынадай
айырмашылығы бар: төсеніш ерітіндімен жүйені Т 2 температураға дейін
суытқаннан кейін түйістіріледі.

12

Қорытпа-ерітіндісінің температурасы төмен түспей пайда болатын аса
қанығу изотермиялық әдістер деп аталады. Оларға температура өрісіндегі
эпитаксия, қорытпалардың изотермиялық араласу әдісі, "бу-сұйық-қатты"
эпитаксия әдісі бойынша өтетін және т.б. әдістер жатады.
Температура өрісіндегі эпитаксия температуралық градиенті бар өңірлік
балқыту аналогі болады. Бұл вариантта қорытпа-ерітінді екі барабар
төсеніштердің арасында орналасқан, төсеніштін біреуі Т 2 температурадағы
заттың көзі болып табылады, екіншісі - температурасы Т 1 <Т 2 өсу ұйытқысы
болып табылады (сур.2). Т 2 температурада қорытпа көзіндегі заттың еруі, Т 1
температудағынан көп болғандықтан, қорытпада концентрация градиенті пайда
болады. Ерітілген зат ұйытқыға қарай қозғалады да оған жақын орналасатын
қорытпа-ерітіндіні аса қанықтырады, оның нәтижесінде ұйытқы көзінде
затының кристалдануы басталады, ал балқыған өнірі температурасы жоғары
жаққа ығыстырылады.

2 –сурет. Температуралық өрісте
кристалдану процессін түсіндіретін сүлбе

Изотермиялық шарттарда ерітінділердің изотермиялық араласу әдісі
бойынша қорытпа-ерітіндісі аса қанығуға жетуі мүмкін. Бұл жағдайда,
құрамдары әр түрлі және берілген температурада қаныққан, екі қорытпаерітінділер керек. 2-ші және 3-ші суреттерде бұл құрамдар үштік жүйенің
фазалық диаграммасында көрсетілген. 1-ші және 2-ші ерітінділер араласқаннан
кейін қорытпа пайда болады, ол 1-2 кесіндісінде кейбіреуі нүктемен
көрсетілген. Осы кесіндінің 1-ші және 2-ші нүктелерінен басқа, барлық
нүктелері берілген температурада аса қаныққан құрамдарға сәйкес болғанда,
төсеніштен артық материал бөлініп шығады.

3 – сурет. А-В-С үштік жүйесінде ликвидус
изотермасының сүлбелік көрінісі

"Бу-сұйық-қатты" әдісте қорытпа-ерітіндінің аса қанығуы изотермиялық
шарттарда газдық фазадан қоректену жолымен өткізіледі. Бұл әдіс бойынша

13

кристалдық зат газдық фазадан төсенішке қарай төсеніш бетіндегі металерітіндінің жұқа қабаты арқылы жеткізіледі.
Электр сұйықты эпитаксияны изотермиялық әдіске жатқызуға болады,
мұндағы қорытпа-ерітіндінің аса қанығуы кристалданатын затты электр
өрісінің тасымалдауынан пайда болады.
СФЭ аппаратуралық құрылымы әр түрлі болады, ол әр ерекше жағдайда
қойылатын талапқа және аса қанығуды іске асыратын тәсіліне қарай
анықталады.
СФЭ-ның ерекшеліктері. Арсенид галлийдің және Ga 1-x Al x As-ның
қатты ерітінділерінің сұйықтық эпитаксиясы
А3В5 қосылыстардың және олардың қатты ерітінділерінің сұйықтық
эпитаксиясы туннельдік диодтарды, Ганн диодтарын, сәулеленетін құралдарды,
фотодиодтарды және жартылай өткізгіштік электроникасының басқа
құралдарын жасауға қолданылады. Біріншіден ол GaAs-ке және оның
алюминий негізіндегі қатты ерітінділеріне жатады. GaAs-AlAs жүйесінде
эпитаксия
қабаттарының
сипаттамаларын
анықтайтын
факторларды
3 5
қарастырайық. Айтылатындар А В -тың басқа қосылысында дұрыс болады.
Торлық сәйкессіздігі
Өте жақсы эпитаксиал қабаттарын алған кезде кристалхимиялық
құрылымның және төсеніш тордың параметірлерінің және өсірілетін қабаттың
сәйкессіздігі өте маңыздылығы былайша білінеді. Отырғызу басында,
эпитаксиал қабат өте жіңішке болғанда, оның торы деформациялады, ол
параметр бойынша төсеніштің торына жақындайды. Қабықшаның қалындығы
өскен сайын оның ішінде серпімді деформациясы өсе бастайды және онымен
сейкес жүйенің еркін энергиясы да өседі. Жүйе еркін энергияның минимумына
тырысқанда орайласатын торлардың мерзімділігінде үзілістер пайда болады,
олар сәйкессіздіктің дислокациялары деп аталады. Олар деформация
энергиясын көп мөлшерде төмендетеді. Қабаттың қалындығы өскен сайын
дислокациялардың саны өседі, белгілі бір шамаға жетіп, ол сан тұрақты болады.
Торлық сәйкессіздігінің өсуімен дислокациялардың тығыздығы өседі, ол
байланыс сипаттамасынан және орайласатын материалдардың серпімділік
сипаттамаларына тәуелді болады. 4-ші сурет торлық сәйкессіздігі кезінде
дислокациялардың пайда болуын көрсетеді.

4 – сурет. Сәйкессіздік дислокациясының пайда болу сүлбесі
14

Сәйкессіздік дәрежесі ∆а , ао сияқты анықталуы мүмкін, мұнда ∆а - төсеніш
торының және қабат параметрлерінің айырмашылығы, ал ао - тордың орташа
параметірі.
Эпитаксиалдық өсуі ∆а / ао ≤0,1 болғанда мүмкін, ол жағдай теория бойынша
көрсетілген. СФЭ кезінде торлардың параметрлерінің >2% түрлілігі
поликристалдардың өсуіне келтіреді. GaAs-AlAs жүйесі торлардың келісушілік
көз қарас бойынша эпитаксия жасауға идеал болады. Себебі температура 300 К
болған кезде ол тордың 5,563 Е параметірі болады, ал AlAs - 5,661 Е, онда
олардың торларының арасындағы сәйкессіздігі тек қана 0,14% болады. Бұл
жағдай бір қатар жартылай өткізгіштік құралдарды жасағанда GaAs-AlAs
жүйесінде СФЭ-ның көмегімен алынатын гетероауысуларды қолданылуға
мүмкіншілік береді.
Фазалық диаграммалар
Кристалдану процестері және эпитаксиалдық қабаттарының параметрлері
фазалық тепе-теңдіктермен анықталады. Төсеніш-сұйық-бу жүйесіндегі
фазалық тепе-теңдіктерге сәйкес келетін фазалық диаграммалармен жазылады.
Кейбір жағдайларда сұйық-бу шекарасындағы тепе-теңдікті есептемесе де
болады. 5-ші суретте үштік Al-Ga-As жүйесінің практикада маңызды
құрамдары және температуралар аумағының фазалық диаграммалары
келтірілген.

б)
а)
5 – сурет. GaAs - AlAs үштік жүйесінің ликвидусы (а) және солидусы (б)
Бірақ, кристалдану процесі көбінесе тепе-теңдік шарттарда өтпейді.
Мысалы, кристалдану шарттарының тепе-теңдіксіздігі GaAs бинар төсенішті
үш компонентті қаныққан Al-Ga-As қорытпа-ерітіндімен жанасқанда пайда
болады. Бұл жағдайда төсеніш және қорытпа атомдарының арасындағы алмасу
нәтижесінде төсеніштің бетінде жұқа қорғаушы Al х Ga 1-х As қабат пайда болады,
ол жанасатын сұйық фазамен тепе-теңдікте болады, басқаша айтқанда, квази
тепе-теңдік күйге жетеді. Басқаша кристалдану пайда болу үшін қорытпада аз
болса да аса қанығу шарты орындалуы керек, ол тепе-теңдік шарттарынан
ауытқу болып табылады. Сондықтан, эпитаксиал өсу кезінде, фазалық
диаграммалардан басқа аса қанығу пайда болу тәсілін, оның шамасын,
қорытпаның көлемін, тағы да басқа факторларды еске алу керек.
15

СФЭ кезіндегі төсенішке және металл-еріткішке қойылатын талаптар
Тордың және кристалданатын заттың параметрлерінің жақындығының
шарты кристалдану процесін өткізу үшін керек бірақ жеткілікті емес. СФЭ
кезінде төсеніштің дайындалуына ерекше көңіл бөлу керек, себебі оның бетінің
күйі өсетін қабаттың сапасына маңызды ықпалын тигізеді. Эпитаксия процесін
өткізу алдында төсеніштерді егейді, майсыздандырады, химиялық
жылтыратады және деиондалған сумен жуады, нәтижесінде олардың беттерінен
механикалық зақымдары, кірлер және әр түрлі қоспалар жойылады.
Көбінесе төсеніштерді СФЭ процесі кезінде тазартады, төсеніштің
дефектілік қабатын қышқылмен өндейді. Оны төсеніштің материалы бойынша
қанықпаған қорытпа-ерітіндімен жанастыру жолымен іске асырады. Шамалы
легирленген қабаттарды өсіргенде эпитаксиал қабаттың төсеніштен шығатын
қоспаларымен легирленуі болмауын қамтамасыз ету керек.
Метал-еріткішке негізгі қойылатын мынадай: ол легирленген болу керек,
кристалданатын затты өзінің ішінде жеткілікті мөлшерде ерітетін болу керек,
метал-еріткіштің көмегімен эпитаксиал қабаттың керекті электрлік қасиеттерін
алуға мүмкіншілік беретін жағдайлардан басқа кезде электр бейтарап болу
керек, буларының қысымы аз болу керек.
Эпитаксиал қабаттарды легирлеу
Жартылай өткізгіштерді өсуру үшін қолданылатын эпитаксиал қабаттарды
легирлеу СФЭ кезінде қорытпа-ерітіндінің ішіне сәйкес қоспаларды енгізу
жолымен іске асырылады. Қоспаның өсетін қабатқа кіруі оның қатты фазадағы
шекті ерітінділігімен және үлестірілуі коэффициентімен (К) анықталады. К
коэффициентінің мағынасы 6-ші суреттен белгілі, ол кристалдану процесі
кезінде қатты және сұйық фазалардың арасында қоспаның қалай үлестірілетінін
көрсетеді.

6 – сурет. Гипотетикалық күй диаграммасы

GaAs-тегі барлық қоспаларды донорлық, акцепторлық және комплекстік
орталарды тудыратын қоспаларға бөлуге болады. GaAs-дегі жиі қолданылатын
донорлық қоспалар периодтық жүйенің алтыншы топ элементтері: теллур,
селен, күкірт, ал акцептор ретінде - екінші топ элементтері: мырыш және
кадмий. Төртінші топ элементтері (кремний, германий, қалайы) комплекстік
орталарды құрайды және өсіру шарттарына байланысты донорлар немесе
акцепторлар болуы мүмкін. Онымен бірге GaAs-тегі комплекстік қоспаларға
аспалы элементтердің қоспаларыда жатады: хром, темір, кобальт, никель, олар
тыйым салынған өңірде терең деңгейлерді құрайды. Терең деңгейлерді жоғары
16

омдық жартылай изоляцияланатын қабаттарды
алу
үшін қолданады.
Қоспалардың қатты А1 х Ga 1-х As ерітінділердегі орналасу тәртібі олардың GaAsтегі орналасу тәртібіне ұқсас. Қатты ерітінділерінде қоспалардың үлестірілу
коэффициенті GaAs-дегі үлестірілу коэффициентінен кем, ол қатты ерітіндіде
AlAs-тың мөлшер көбейсе, GaAs-тің үлестірілу коэффициенті азаяды.
Сондықтан, қатты ерітінділерде қоспалардың жоғары концентрациясын алу
қиын. Донорлардың және акцепторлардың концентрациясы эпитаксиал
қабаттағы қоспа концетрацияның сызықты функциясы болып табылады. Бірақ
концентрация үлкен болғанда комплекстік легирлеу нәтижесінде бұл сызықтық
бұзылу мүмкін. Көп қабатты құрылымдарды өсіргенде будың қысымы аз
(мысалы германий және қалайы) легирлейтін қоспаларды қолдану тиімді. Кері
жағдайда әр түрлі типі өткізгіштік қабаттарының қайтакомпенсациясы пайда
болуы мүмкін. А3В5 қосылыстарындағы қоспалардың орналасу тәртібі туралы
келтірілген әдебиеттерден табуға болады.
СФЭ әдісімен Gal-xAlxAs эпитаксиал қабаттарды өсіру үшін
қолданылатын қондырғы
СФЭ әдісімен GaAlAs монокристалдық эпитаксиал қабаттарды өсіру үшін
қолданылатын қондырғы 7-ші суретте келтірілген. Қондырғының негізгі
бөліктері: графиттен жасалған кассета, кварцтан жасалған реактор, түтік тәрізді
кедергілі пеш, сору және сутегіемен үрлеу жүйесі, автоматикалық
жылуреттеуштің сүлбесі.

7 –сурет. СФЭ әдісімен жартылай өткізгіш қабаттарын өсіруге
арналған қондырғының сүлбесі
Кассета өсіру қондырғысының эпитаксиал өсіру іске асатын бөлігі болып
табылады. 7-ші суретте поршень тәрізді кассетаның қарапайым сызбасы
келтірілген. Ол жинақтау конструкциясы болып табылады. Ол корпустан 13,
қорытпаға арналған терезеден 17, құйылуға арналған көлемнен 14, жұмыс
17

төсенішке арналған ойыстан 15, буфер төсенішке арналған ойыстан 16 поршень
18 тұрады. Поршень штоктың 9 көмегімен екі бағытта қозғала алады.
Кассетаның конструкциясы қорытпа-ерітіндісінің гомогенизациясын жұмыс
істейтін төсеніштен бөлек өткізуге, оны буфер төсеніштің материалы бойынша
қанықтыруға, қорытпа-еріндіні жұмыс істейтін төсенішпен жанастыруға
мүмкіншілік береді.
Сору және газбен үрлеу жүйесі бар реакторы жұмыс өңірінде эпитаксия
температурасындағы төсеніштерді және қорытпа-ерітінділерді тотығуға
келтірмейтін шарттар жасайды. Ол кварцтан жасалған түтік 12, оның шығу
вентилі 21 арқылы барботермен 20 қосылған, ал кіру сутекті тазартқышпен 4
және форвакуумдық насоспен 7, 2 және 3 вентильдер арқылы қосылған.
Реактордың тиеу тесігі фланецтің 8 және нығыздағыштың 19 көмегімен
герметизацияланады. Фланец арқылы шток өткізілген, ол резина сақинамен
нығыздалынады. Реактордағы қысым 5 және 6 манометрлердің көмегімен
бақыланады.
Автоматты жылу реттеушінің сүлбесі жұмыс өңіріндегі температураны
жоғары дәлдікпен тұрақты шамада сақтауға мүмкіншілік береді. Онымен бірге
ол пешті программа бойынша белгілі жылдамдықпен суытуға мүмкіншілік
береді. Оның негізін ПП-1 типті 11 термоқосақ бірге дәлдікпен істейтін
изодромды жылуреттеуіш ПИТ-3 құрайды (7-сур.). Температура сол
термоқосақа қосылған цифрлык вольтметрмен В7-23 бақыланады.
Жылуреттеуіштің қоректену блогі кедергі пешіне 10 қосылған, пештің
конструкциясы жұмыс өңірінің ұзындығы бойынша температураның өзгерісін
±1 оС артық болмауын қамтамасыз етеді.
ЖҰМЫС ТАПСЫРМАСЫ
1. А1-Ga-As жүйесіндегі берілген температурада фазалық тепе-теңдік
диаграммаларын қолданып, А1 х Ga 1-х As қатты ерітіндісінің қабатын өсіру үшін
қолданатын шихтаның шығынын есептеу, мұнда Х - қатты ерітіндегі А1As
мольдік бөлігі (оқутышымен беріледі). Атомдық проценттерді салмаққа
ауыстырғанда келесі формуланы қолдануға болады:
PAl ( As ) = M Ga *

X Al ( As ) AAl ( As )
X Al AAl + X As AAs + X Ga AGa

,

мұнда Р - А1(As) мөлшелерінің массасы, М Ga , Х және А – сәйкес
компоненталарының атомдық бөліктері және салмақтары.
2. Шихтада лигерлейтін қоспаның мөлшері мен өсірілген қабаттағы ток
тасушылардың қажетті концентрациясын алу үшін мына формуламен есептеңіз
mn =

nAn ρ Ga
k n Nρ Ga

мұнда n – негізгі ток тасушылардың қажетті концентрациясы, А n - қоспаның
атомдық салмағы, N - Авогадро саны, P Ga және ρ Ga - шихтадағы галлийдың
салмағы және галлийдың тығыздығы, k n - қоспаның үлестірілу коэффициенті

18

(берілген температурада k n -нің А1Аs мөлдік бөлігіне тәуелділігінің графигінен
табылады).
3. Al x Ga 1-x As эпитаксиал қабатын өсіру (процестің температурасы, өсу
уақыты және салқындату жылдамдығы оқутышымен беріледі). Процесті өткізу
технологиясының режимін жазу. Жұмысты жасаған кезде мына тәртіппен
орындау керек: