3. Методы выращивания полупроводниковых монокристаллов

Известно, что большинство полупроводниковых приборов формируются в монокристаллах.

Монокристалл – кристаллическое образование, в котором отсутствуют границы областей с резким изменением кристаллографической ориентации. Допускается разориентация отдельных областей на угол до нескольких минут (малоугловые границы) при этом возникающие напряжения компенсируются цепочкой дислокаций. При бόльшей разориетации нарушается трансляционная периодичность и возникает поликристалл.

Для того чтобы вырос монокристалл необходимо:

• обеспечить рост из одного зародыша (или из ограниченного числа одинаково ориентированных зародышей);

• обеспечить направленный теплоотвод от границы раздела фаз (нормальная направленная кристаллизация);

• обеспечить плоскостность границы раздела фаз.

3.1. Методы выращивания объемных монокристаллов из расплава

Эти методы наиболее распространены в практике благодаря простоте, высокой производительности, возможности получения монокристаллов больших размеров.

Недостатками их являются ограничения по:

• температуре плавления (сложно выращивать кристаллы с высокими температурами плавления),

• давлению насыщенного пара компонентов (сложно выращивать кристаллы с высоким давлением насыщенного пара при температуре плавления);

• применению для разлагающихся полупроводников;

• применению для полупроводников, претерпевающих фазовые превращения в твердом состоянии.

Кинетика роста определяется отводом скрытой теплоты кристаллизации от фронта кристаллизации.

Рассмотрим возможные варианты распределения температуры при выращивании кристаллов из собственных расплавов и растворов-расплавов (рис. 17.).

Рис. 17. Распределение температуры при выращивании.

При отрицательном градиенте температур в расплаве на фронте кристаллизации (3) возможен направленный рост лишь при условии невозможности гомогенного зародышеобразования. Следовательно, реализация монокристаллического роста возможна при отсутствии смачиваемых контактирующих поверхностей и перепада температур по расплаву Т такого, чтобы был более 10^-7м. Поверхность затравки должна быть отполирована до состояния, при котором неровности были бы много меньше . В противном, нарушится плоскостность фронта кристаллизации, что приведет к поликристаллическому росту кристалла (каждая неровность начнет разрастаться самостоятельно).

При нулевом градиенте температур на фронте кристаллизации (2) проводятся процессы жидкофазной эпитаксии с ограничением по концентрационному переохлаждению (подробнее будет рассмотрено ниже).

Наконец, при положительном градиенте температур на фронте кристаллизации (1) обеспечивается планарность фронта, поскольку любой спонтанно возникший выступ будет плавиться (его температура выше температуры плавления).

Тепловой баланс на фронте кристаллизации:

Q_ж. + Q_кр. = Q_тв. + Q_изл., (21)

где Q_ж. – подвод тепла из жидкой фазы, Q_кр. – тепло, выделяющееся при кристаллизации, Q_тв. – отвод тепла по кристаллу и Q_изл. – излучаемое тепло.

, (22)

где f – скорость кристаллизации,  – теплопроводности фаз, L_кр.. – теплота кристаллизации, S – площадь поперечного сечения кристалла,  – плотность. Пренебрегая излучением, получим:

. (23)

Обычно , поскольку теплопроводность жидкой фазы выше (максимальный градиент температур в жидкой фазе может быть до 50 К/см). Скорость кристаллизации повышается при увеличении градиента температур в твердой фазе и понижении – в жидкой. Однако при снижении способствует нарушению гладкости фронта кристаллизации. Увеличение же приводит к напряжениям в растущем кристалле и, следовательно, к генерации структурных дефектов.

Методы выращивания монокристаллов из расплава разделяются на тигельные и бестигельные.