Главная Промышленная автоматика.

примесей. Прежде всего рассматриваются принципы направленной кристаллизации, которые являются основой всех методов выращивания кристаллов.

1.2.1, НАПРАВЛЕННАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Для направленной кристаллизации наблюдается неоднородное распределение примесей по длине слитка из-за оттеснения примеси. Коэффициент распределения определяется как отношение концентрации примеси в твердом веществе к концентрации этой примеси в расплаве. Изменение концентрации примеси по длине слитка описывается уравнением [64]

Csig)=KC,il-gfp~\ (1.12)

где Кр - равновесный коэффициент распределения; g - доля твердой фракции; Cj - первоначальная концентрация примеси в расплаве. Это уравнение предполагает бесконечную скорость диффузии в расплаве и незначительную скорость диффузии в твердой фракции. Наиболее важные примеси в GaAs имеют величины менее единицы. Это означает, что увеличивается в ходе затвердевания. В табл. 1.3 даны коэффициенты распределения ряда примесных элементов в GaAs. На рис. 1.4 приведены кривые, описываемые уравнением (1.12) для разных величин К. Следует отметить, что для Лр< < 0,01 примесная концентрация изменяется более чем на порядок по длине слитка. В частном случае (примесь хрома) с Кр< 10~ быстро увеличивающаяся примесная концентрация в нижней части слитка может превышать предел растворимости. По этой причине обычно конец легированных хромом слитков отрезают. Радиальные изменения примесной концентрации могут


о 0,1 0,2 0,3 0,k 0,5 0,6 0.7 0,8 д

Таблица 1.3. Коэффициент распределения различньрс элемеитов в арсениде галлия

Элемент

Элемент

0,02

0,002

0,00004

0,0004

0,00001

0,0006

0,002

0,002

0,14

0,01

0,08

0,007

0,06

Willardson R. К., AUred W. P. (m. Sym. On Ga.s, Reading, 1966, p. 35.

Рис. 1,4. Зависимости коицентрадни в расплаве от содержания твердой фазы для различных значений коэффициентов распределения [б4]



быть обусловлены как оттеснением, гак и недостаточным перемешиванием расплава. Учитывая эти особенности в распределении примесей, перейдем к описанию некоторых практически важных методов выращивания кристаллов полуизолирующего GaAs.

1.2.2. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ВЫРАЩИВАНИЯ (МЕТОД БРИДЖМЕНА ИЛИ МЕТОД НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ)

Горизонтальный метод Бриджмена уже многие годы используется для выращивания полуизолирующего GaAs [7,65]. Этим методом могут быть получены кристаллы массой до 3 кг. Метод включает перенос As от одного конца вакуумированной грубы к лодочке, содержащей Ga на другом конце. Разность температур устанавливается таким образом, что лодочка с Ga находится при температуре плавления GaAs (1235° С), а As на другом конце -при температуре 614°С. Давление паров As при этой температуре равно 1,01-10 Па. Схема установки приведена на рис. 1.5. Сгехиомегрический состав поддерживается либо точным управлением температурой в холодной точке грубы, либо точным взвешиванием Ga и As с учетом количества As в газовой фазе. После синтезирования GaAs в лодочке расплав охлаждают с одного конца таким образом, что граница кристаллизации перемещается вдоль лодочки со скоростью 0,1 -2 см/ч. Обычно используются две разновидности этого метода. В одном методе охлаждение достигается перемещением лодочки по отношению к печи. В другом методе лодочка и печь неподвижны, но температурный профиль вдоль лодочки понижается, причем градиент температуры равен 1° С/см. Это иллюстрируется рис. 1.6 (недавно предложенная методика выращивания, основанная на сочетании обоих ме-

Нагредателд А

Окно HaipeSamenb Б

оооооооооо

кварцевая труба

Избыточный пышьяк

о о о о 9

. Затрабка

Жидкий

оооооооооо \

оооооооо

1500 -

HanpabfiSHus перемещения печи

Нагреватель А НогреОатель Б

Расстояние

Рис. 1.5. Схема установки для выращивания кристаллов GaAs в горизонтальной системе Бриджмена



Контрольная термопара нагредатепя j

if Окно


Тру la с Sue шн им диаметром 6,5 мм TpySa с днешнам

Виамешром 3S,Jмм Кантропьиая

/ / / 1 термопара ~ нагревателя

11-I

НагреЬатель с п/\атинаЬай термопарой

<

хромепь - апюмепь

Температура д зоне реакции


saj Термопара контроля , X температуры в зоне НагреЬатель с термопарой реаки,ии

YA Мзопйрии нагребатеоя Ц Загя(/шка

Расстояние, см

Рис 1 6 Схема установки и температурный профиль печи с градиентным

охлаждением

тодов, гарантирует, что примеси занимают заданное положение в слитке, и позволяет образовать границу раздела твердое состояние ~ расплав, способствующую росту монокристалла с минимальной плотностью дислокаций) [66]. Процесс производится в кварцевой трубе, а лодочку для галлия также изготавливают из кварца.

Источники примесей в горизонтальном методе Бриджмена следующие.

1) исходные материалы (Ga, As);

2) кварц (реагирующий с расплавом) (Si);

3) вакуумное масло, вносимое в рабочую камеру в процессе откачки (углерод).

Основной примесью, вносимой в монокристалл в методе Бриджмена, является кремний, источником которого служит кварц. Концентрация Si в кристалле может быть значительно уменьшена путем контролируемого введения кислорода [6]. В настоящее время получены следующие электрические характеристики GaAs, выращенного с добавлением Ог • холловская подвижность при комнатной температуре равна примерно 8000 см/(В • с) (20000 - 30000 см/(В • с) при 77 К) при концентрации носителей заряда (2-4) -10 см- [6].

1 2.3 МЕТОД ЧОХРАЛЬСКОГО

Метод Чохральского по выращиванию монокристаллов под слоем расплавленного флюса (например, В2О3) широко используется для выращивания монокристаллов соединений с одним летучим компонентом [67 - 69]. Принципиальная схема метода показана на рис. 1.7. Тигель заполняют поликристаллическим GaAs, сверху помещают достаточное количество В2О3, 22





0 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0039