Монокристаллов молибдена

На 4, а приведена упрощенная схема плоского п—р-перехода, созданного в монокристалле полупроводника.

.4.8. Расположение кристаллографических плоскостей (Ш) в цилиндрическом монокристалле полупроводника (а), имеющем ал-мазоподобную структуру, и их влияние на огранку монокристалла псевдогранями — поперечное сечение монокристалла (б)

а—внешний вид поверхности монокристалла кремния (XI); б — схема расположения кристаллизующихся слоев в монокристалле полупроводника вблизи фронта кристаллизации; /— торцевая часть «пакета» монокристаллических слоев; 2 — плоскость (111); 3 — область переохлажденного расплава, ограниченная изотермой 4\ 5 — перегретый расплав; 6 — двухмерный зародыш; 7—• плоскость фронта кристаллизации

Для приближенной оценки предельной растворимости примеси в монокристалле полупроводника пользуются также другим способом. Как показывает практика, при концентрации примеси в расплаве, превышающей 1 % (ат.), рост монокристалла из-за выделений второй фазы полностью прекращается. Поэтому предельную растворимость примеси в монокристалле полупроводника оценивают по следующему эмпирическому выражению:

Для многих сложных полупроводников не известны данные, необходимые для расчета концентраций примеси, создающей глубокие уровни (положение энрегетических уровней, эффективные плотности состояний и др.) и компенсирующей ее простой донорной или акцепторной примеси. Тогда концентрацию такой примеси, необходимой для создания в монокристалле полупроводника требуемых свойств, например удельного электрического сопротивления, определяют экспериментально. Для этого выращивают монокристаллы из расплавов с различным содержанием легирующей примеси (проценты по массе), как это показано на 4.17 для легированного примесью железа полуизолирующего фосфида индия. Далее с помощью эффективного коэффициента распределений k можно по уравнению (4.3) рассчитать концентрацию легирующей примеси в кристалле в атомах на кубический сантиметр.

Дислокации в растущем монокристалле образуются под действием термоупругих напряжений (касательных напряжений в плоскости скольжения) т, возникающих в растущем монокристалле полупроводника в результате различия размеров отдельных его слоев, находящихся при различных температурах ( 4.38). В слое, расположенном перпендикулярно оси роста монокристалла и находящемся под действием осевого градиента температуры ( 4.38, а — в), для полного снятия напряжений необходимо устранить разность размеров диаметров верхней и нижний частей слоя AD. Для этого в него необходимо ввести определенное количество дислокаций п (ис. 4.38, б) :

Интенсивная генерация дислокаций в растущем монокристалле происходит тогда, когда термоупругие напряжения в кристалле начинают по своей величине превосходить критическое сдвиговое напряжение образования дислокаций Ткр. Сопоставляя между собой расчетные значения термоупругих напряжений т в монокристалле полупроводника с экспериментально определенным для действующих температур критическим напряжением образования дислокаций ТКР, можно выделить в растущем монокристалле область наиболее интенсивной генерации дислокаций.

Таким образом, в самом общем случае термические напряжения в растущем монокристалле полупроводника максимальны в центре и на периферии его сечения. Между двумя областями с различным знаком напряжений существует область, где напряжения вследствие самокомпенсации отсутствуют. Поэтому распределение дислокаций по сечению

В некоторых случаях дислокации образуют в растущем монокристалле полупроводника устойчивые дислокационные стенки — так называемые малоугловые границы. Этот вид дефекта встречается очень часто в дислокационных монокристаллах полупроводников. Причина образования малоугловых границ — миграция подвижных дислокаций под действием термических напряжений в области монокристалла, где их уровень близок к нулю. В результате возникают протяженные их скопления, образующие дислокационные стенки.

гированного расплава, а в случае полупроводниковых соединений— капли легкоплавкого компонента. Захвату твердых включений способствует большая скорость кристаллизации, а капель легкоплавкого расплава — нарушение гладкости фронта кристаллизации и переход его в ячеистый. Вокруг достаточно крупных включений в монокристалле полупроводника образуются характерные розетки дислокаций ( 4.47, б), подтверждающие наличие локальной концентрации напряжений.

Нарушенный слой образуется при любой абразивной обработке полупроводника. Особенность нарушенного слоя, возникающего в монокристалле полупроводника после его резки, заключается в том, что дефекты в нем расположены

Характерной особенностью дефектной структуры облученных кристаллов являются хаотичность в расположении точечных и объемных барьеров и неоднородность создаваемых ими полей напряжений. Но нельзя считать распределение дефектов в кристаллах изотропным. На начальной стадии облучения кристаллов наблюдается сильная анизотропия в распределении радиационных дефектов и анизотропия влияния радиации на механические свойства в различных кристаллографических направлениях. О. А. Троицкий [15] на монокристаллах цинка обнаружил в плоскостях базиса более высокую скорость накопления радиационных дефектов и большее влияние радиации на сопротивление движению дислокаций в базисных плоскостях по сравнению с другими кристаллографическими плоскостями. В. К. Крицкая с сотрудниками [16] по изменению интегральных интенсивностей рентгеновских рефлексов обнаружила ориентационную зависимость в распределении радиационных дефектов в облученных электронами монокристаллах молибдена и как следствие — анизотропию величины эффекта повышения сопротивления деформированию в различных кристаллографических направлениях монокристаллов молибдена.

В монографии рассмотрены физические, механические и технологические свойства молибдена и его промышленных сплавов, приведены результаты исследований природы низкотемпературной хрупкости металла, его термической стабильности и радиационной стойкости. Изложены результаты работ по изучению основных способов получения монокристаллов молибдена, пластической и термической обработки монокристаллического молибдена, а также по изготовлению из него ! катодов ТЭП.

Таблица 4.1 Термоэмиссионные свойства монокристаллов молибдена

Максимальное значение работы выхода электронов в вакууме монокристаллов молибдена получается с плоскости {110} — 4,9—5,1 эВ. Монокристаллы молибдена с кристаллографическими плоскостями {НО} и {100} на рабочей поверхности эмиттера обладают наибольшей работой выхода электронов в вакууме по сравнению с другими гранями монокристалла. Существенно, что монокристаллы молибдена ориентации {110} обладают более высокой работой выхода электронов (почти на 17% по сравнению с поликристаллическим молибденом такого же химического состава). По этой причине применение монокристаллов молибдена с кристаллографической ориентацией {110} на поверхности катода весьма перспективно с точки зрения повышения эффективности работы ТЭП и повышения КПД преобразователя.

готовления анодов и катодов ТЭП, и в этом направлении ведутся широкие исследования. Разрабатываются методы получения больших монокристаллов молибдена с заданной кристаллографической ориентацией, в том числе определенного профиля (пластины, трубки), отрабатывается технология изготовления из монокристаллов молибдена трубчатых эмиттеров, изучаются методы их термомеханической обработки и методы нанесения на них покрытий в целях повышения работы выхода электронов.

Первая группа методов основана на использовании химических транспортных реакций и характеризуется тем, что кристаллизация осаждаемого металла в этом случае осуществляется из паров его галоидных соединений (иодидов или хлоридов). Для получения монокристаллов молибдена используются преимущественно, хлориды (см. главу V). В общем дислокационный механизм роста кристаллов из газовой фазы сводится к спиральному присоединению атомов на ступеньке, образованной винтовой дислокацией [21, 77, 125], и в зависимости от режима осаждения позволяет получить поли- и монокристаллические осадки. Скорости химических процессов осаждения металлов в молекулярном, кинетическом или диффузионном режимах очень велики и не зависят от механизма массообмена. Характер кристаллизации и скорость роста кристаллов осаждаемого металла в основном определяется относительным перенасыщением газовой фазы. Осадки в виде высокочистых монокристаллов растут при малых степенях пересыщения газовой фазы, в то время как средние степени пересыщения обеспечивают рост массивных поликристаллов. При высоких степенях пересыщения образуются порошки посредством гомогенного зарождения в газовой фазе.

Вторая группа методов получения монокристаллов молибдена основана на рекристаллизационном отжиге металла, деформированного предварительно на несколько процентов» (1—10%). Сущность метода состоит в том, что одно из рекри-сталлизованных зерен в металле растет значительно быстрее за ,ечет соседних. Образованию монокристалла во всем объеме исходного поликристалла при этом способствует создание градиента температур вдоль оси образца, а также термоциклиро-вание [25, 102]. В сильнодеформированном молибдене (на 70% и более) наблюдается аномальный рост зерен в процессе вторичной рекристаллизации, особенно, если имеется четко выраженная текстура деформации. Образованию монокристаллов в сильнодеформированном молибдене способствует создание достаточно большого подвижного температурного градиента по направлению деформации. В этом случае сильно активизируется миграция границ растущих зерен. Таким образом, например, можно получать монокристаллические молибденовую и вольфрамовую проволоки [113].

Механические свойства монокристаллов молибдена, полученных разными методами [102]

Механические свойства монокристаллов молибдена ориентации <Ш> при различном числе проходов зоны п [9]

-Чем более очищен и совершенен монокристалл, тем выше относительное остаточное сопротивление /С. При таком методе оценки после двух проходов зоны относительное остаточное электросопротивление монокристалла молибдена от десятка единиц для исходного поликристаллического материала возрастает до 2000—3000 для монокристалла [9]. Одновременно увеличение степени чистоты и совершенства монокристаллов молибдена проявляется в снижении их сопротивления пластической деформации. С повышением числа проходов зоны при зонной электронно-лучевой плавке (свыше двух) незначительно уменьшается прочность монокристаллов молибдена и возрастает пластичность (см. табл. 4.7).

Одним из возможных путей получения крупных монокристаллов молибдена является периферийная зонная плавка [801. Для выращивания монокристаллов большого диаметра этим способом на маточный монокристалл (зонной электронно-лучевой плавки) меньшего диаметра навивается чистая молибденовая проволока или 'Наращивается периферийный слой с использованием гидростатического прессования химически чистых порошков с последующей зонной электронно-лучевой проплавкой наращенной части [80, 82]. Основной особенностью таких монокристаллов первоначально являлось наличие пористости в граничной области. В результате применения высокочистых наращиваемых материалов, стабилизации режима плавки и исключения скручивания монокристалла при плавке освоена технология выращивания беспористых монокристаллов молибдена диаметром до 35 мм и длиной до 250—300 мм [82].