Effect of an alternating magnetic field on the Bridgman solidification of semiconductor concentrated alloys
Effet d’un champ magnétique alternatif sur la solidification Bridgman des alliages semi-conducteurs concentrés
Résumé
The growth of homogeneous concentrated semiconductor alloys is a difficult task because of the elements segregation during the solidification process. In the framework of this thesis, we studied an original method, based on the alternating magnetic field effects, in order to reduce the chemical segregation and to avoid the solutal damping in the GaInSb concentrated alloys. A Bridgman vertical furnace provided with a copper inductor and a system for Peltier marking of the solid/liquid interfaces was developed with the aim to investigate the magnetic field effects. When an AC current passes through the coil, placed around the sample, a convective movement is generated in the liquid near the solidification interface, which is likely to improve the homogenization of the liquid. First, the results at low pulling rate and without magnetic field were reproduced and checked. Preliminary tests under alternating magnetic field were carried out on the alloys with a concentration between 1% and 8% mol InSb. The results show that the radial segregation is almost constant and it is maintained at lower values than those recorded for experiments without electromagnetic stirring. The phenomenon generated during the growth of the concentrated alloys under alternating magnetic field were analyzed through the variation of several parameters: the concentration of the GaxIn(1-x)Sb alloys (12 et 20% mol InSb), the intensity of the alternating magnetic field, the initial position of the solid/liquid interface in the coil and the crucible material. Important effects of the electromagnetic convection on the shape and the curvature of the interfaces, as well as a delayed-action in the interface destabilization were observed. However, the electromagnetic mixing is not sufficiently strong to avoid the solutal damping, whatever the magnetic field intensity may be.
La croissance des alliages semi-conducteurs concentrés homogènes représente une tâche difficile à cause de la ségrégation des éléments au cours du processus de solidification. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié une méthode originale, basée sur les effets du champ magnétique alternatif, destinée à réduire la ségrégation chimique et à éviter l’amortissement solutal dans les alliages GaInSb concentrés. Dans le but d’analyser les effets du champ magnétique, une installation Bridgman verticale équipée d’un inducteur en cuivre et d’un système pour le marquage Peltier des interfaces solide/liquide a été mise au point. La bobine placée autour de l’échantillon et parcourue par un courant alternatif génère dans le liquide, près de l’interface de solidification, un mouvement convectif susceptible d’améliorer l’homogénéisation du liquide. Dans un premier temps, les résultats à faible vitesse de tirage et sans champ magnétique sont reproduits et vérifiés. Des essais préliminaires sous champ sur des alliages GaInSb de concentrations variant de 1% à 8% mol InSb ont été réalisés. Les résultats montrent que, dans ces cas, la ségrégation radiale ne varie pas significativement et elle est maintenue à des valeurs plus faibles que celles enregistrées pour des expériences sans brassage électromagnétique. Les phénomène engendrés lors de la solidification des alliages concentrés sous champ magnétique
alternatif ont été analysés en variant plusieurs paramètres : la concentration de l’alliage GaxIn(1-x)Sb (12 et 20% mol InSb), l’intensité du champ magnétique alternatif, la position initiale de l’interface solide/liquide dans la spire et le matériau du creuset. Des effets importants sur la forme et la courbure des interfaces, ainsi qu’un retardement dans la déstabilisation de l’interface ont été observés. Cependant, le brassage créé n’est pas suffisamment intense pour éviter l’amortissement solutal, quelle que soit l’intensité du champ magnétique.
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