Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Арсенид галлия. Получение, свойства и применение

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.10.2023

Размер:

18.36 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 484 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

П О Л У Ч Е Н И Е И Ф И З И К О - Х И М И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А

[ГЛ. 1

Рпс. 1.9. Схема установки для выращивания монокристаллов ме
	тодом зонной плавки.
1 — печь с температурой 8 0 0 — 1 2 0 0 ° С; 2 — печь для создания расплавленной
зоны с температурой	1260° С (внизу дан поперечный разрез этой печи);	а —
печь, регулирующая	давление пара мышьяка о температурой 610° С;	4 —
слпток арсенпда галлнп; 5 — прокладки из огпсупорпого материала;		й —
два мулптопьгх стержня; 7 — зонная печь с обмоткой сопротивления.

Рис. 1.10.	Схема установки для зонной плавки по Рпчардсу.
1 — пробка из	кварцевой ваты; г — зеркало,	наклон	45°; 3 — жидкая
зона; 4 — избыток мышьяка; 5 — кварцевая опорная труба; б — керамиче
ская прокладка; 7 — нагревательная спираль		(кантал);	8 — огнеупорный
блок; 9 — кристалл арсенида галлия; ю — направляющие; 11 — термопара;
12	— печь, контролирующая температуру мышьяка.

1.2]

М Е Т О Д И К А В Ы Р А Щ И В А Н И Я М О Н О К Р И С Т А Л Л О В

представляет собой спираль из проволоки, которая кре пится внутри алундовой трубы, распиленной на два секто ра так, что в собранном состоянии образуются продоль ные щели вверху и внизу. Зазор щелей регулируется по воротом секторов. Это дает возможность наблюдать за расплавленной зоной и регулировать тепловой режим.

Жидкая зона создается за счет местной теплоизоляции и перемещается при движении блока из огнеупорного кирпича, смонтированного на раме с роликами.

1.2.3. Бестигельиая зоииая плавка. Бестигельная зон ная плавка по характеру протекающих процессов кристал лизации ие отличается от горизонтальной. Особенность метода состоит в том, что жидкая зона, проплавленная в вертикально расположенном и закрепленном на концах стержне, удерживается за счет сил поверхностного натя жения расплава.

Отсутствие тигля исключает обычный, часто трудно устранимый источник загрязнения и выдвигает бестигель ную зонную плавку в число самых эффективных методов очистки различных материалов.

Недостатком метода является зависимость максималь ного диаметра и длины жидкой зоны от поверхностного натяжения расплава и его плотности. Для арсенида гал лия, плотность которого относительно велика, максималь ный диаметр стержня с устойчивой жидкой зоной без при менения магнитной подвески не превышает 8 ш . Кроме того, поверхностное натяжение расплава зависит от его стехиометрии, и это требует принятия дополнительных мер для точной стабилизации стехиометрического состава во время плавки.

Известны два типа установок, отличающихся но устрой ству рабочей ампулы. На рис. 1.11 [49] представлена схема аппарата с отпаиваемой кварцевой ампулой, в которой стержень арсенпда галлня и затравка крепятся незави симо друг от друга в кварцевых цилиндрах, основания которых являются частью ампулы. Основными элемен тами аппарата являются также графитовые нагреватели, предотвращающие конденсацию мышьяка и регулирующие давление его пара, и ипдуктор для разогрева зоны токами высокой частоты (/.^4—5 Мгц).

Схема более усовершенствованной установки показана на рис. 1.12. Главным преимуществом установки этого

ш-

Рис.

1.11.

Схема

уста

Рис.

1.12.

Схема установки

для плав

новки для плавки с отпа

ки

разборной кварцевой ампулой.

иваемой

кварцевой ам

1 —

к в а р ц е в ы й

с т е р ж е н ь ;

—

о х л а ж д а е м а я

пулой.

в е р х н я я

п р о б к а ;

з •— к а н а л ы

д л я

воды;

1 — с л и т о к

а р с е н и д а

г а л

13,

17,

20,

22,

23 — т с п л о о т р а ж а ю щ и о

э к р а н ы ; в — в е р х н и й г р а ф и т о в ы й н а г р е в а

л и я ;

2 —

к в а р ц е в а я

т р у б к а

тель;

— к в а р ц е в о е

о к н о ;

— о т р е з о к

к в а р

с п р о р е з ь ю ; з — п р е ц и з и -

ц е в о й т р у б ы ; ю — в ы с о к о ч а с т о т н ы й и н д у к

о н н о о б р а б о т а н н ы е н а п р а в

т о р ;

11 — и з о л я т о р ;

12 — к о а к с и а л ь н ы й

л я ю щ и е ; 4 — р е г у л и р у ю щ и е

в ы с о к о ч а с т о т н ы й

в в о д ; 14 — к о р п у с

в п л ь -

р и с к и ; 5 — к в а р ц е в ы й д е р

с о н о в с к о г о у п р а в л е н и я ; 15 — м е х а н и з м р е г у

ж а т е л ь ; б — к в а р ц е в а я а м

л и р о в а н и я д л и н ы з о н ы ; 16 — к в а р ц е в а я р а б о

п у л а ;

7 — В Ч - и н д у к т о р

ч а я т р у б к а ; 18 — к в а р ц е в о е у п л о т н е н и е ; 19 —

(4,5

Мгц);

8 — к в а р ц е в а я

к в а р ц е в о е о к н о ;

— н и ж н и й

г р а ф и т о в ы й

т р у б к а ;

9 —

печь;

ю —

н а г р е в а т е л ь ;

— ч е х о л

т е р м о п а р ы ;

—

т е р м о п а р а ;

11 — п р о б к а .

п о д ъ е м н ы й м е х а н и з м .

1.2]

М Е Т О Д И К А В Ы Р А Щ И В А Н И Я . М О Н О К Р И С Т А Л Л О В

{

типа является разборная кварцевая ампула [501. Наличие наружной камеры из .магниево-алюминиевого сплава позволяет вести процесс как под вакуумом, так и в атмо сфере инертного газа. Установ ка содержит также все необхо димые элементы: защитные гра фитовые нагреватели, высокочас тотный индуктор, устройство для его перемещения и т. п. Она обес печивает хорошую видимость рас плавленной зоны и вполне безо пасна.

1.2.4. Метод Чохральского.

Термин «метод Чохральского» [51] применяется для процессов [вер тикального вытягивания моно кристаллов из расплавов с темпе ратурой, близкой к точке крис таллизации. Наибольшее развитие метод получил в технике получе ния кристаллов полупроводников.

Первые крупные монокристал лы арсенида галлия по этому ме тоду выращены Греммельмайером в 1956 г. [52]. Схема его аппарата приведена на рис. 1.13. Все основ ные элементы установки запая ны в кварцевой ампуле 1. Вытягпвание кристалла производится

спомощью наружного магнита 6.

Вдержатель затравки 8 вмонти рован перминдюровый сердечник

7, защищенный от воздействия па					Рис. 1.13.		Схема		уста
ров	мышьяка кварцевой оболоч				новки	Грелшельмайера.
кой.	Ассимметрия		поперечного		р а с п л а в ;	3 —	г р а ф и т о в ы й
					1 — к в а р ц е в а я а м п у л а ; г —
профиля		магнитного		сердечника	т и г е л ь ;	4 —	высокочастот
позволяет вращать кристалл. Рас					н ы й и н д у к т о р ;			5 — з а
					т р а в к а ;	6—	магнит;		7 —
плав	2	помещен в	графитовый		м а г н и т н ы й с е р д е ч н и к ; S —
тигель 3, нагреваемый				высокочас	д е р ж а т е л ь з а т р а в к и .

тотным		индуктором	4.	Верхняя часть кварцевой				ампулы

обогревается печью сопротивления. «Потолок» ампулы мо жет служить местом конденсации избыточного мышьяка.

3 А р с е н и д г а л л и я

П О Л У Ч Е Н И Е П Ф Т 1 3 Н К О - Х 1 Ш И Ч Е С К П Е С В О Й С Т В А

[ГЛ. I

Работа с такой конструкцией включает в себя необхо димость запайки ампулы перед каждой плавкой и вскры тия ее после окончания процесса выращивания. Устра нение этого недостатка долгое время считалось централь ной проблемой в создании более совершенного аппарата.

Оригинальное решение разборпостн герметичной ка меры предложил Ричарде [53]. Его кварцевая установка состоит из двух частей. Нижняя часть снабжена узким и глубоким кольцевым карманом, заполненным жидким галлием. Верхняя, несущая затравкодержатель, часть вводится в этот карман, чем п осуществляется гермети зация системы. Для сохранения равновесия уровней гал лия внутреннему давлению паров мышьяка противостоит внешнее давление азота.

Муди и Колм [541 сконструировали разборную уста новку, в которой имиприменен тщательно пригнанный кварцевый поршень, соединенный с держателем затравки. Впоследствии пдея применения плунжерного затвора была с успехом осуществлена Малышевым н Белеповон [551 н рядом другпх авторов [5G, 57].

Преимущество разборных установок перед запаянными аппаратами логически бесспорно, однако запаянные ап параты с магнитным управлением конструктивно проще разборных, а пеудобство, связанное с запаиванием и вскрытием кварцевого аппарата оказалось не столь суще ственным. Эта операция заппмает незначительную долго времени в общей переподготовке аппарата к очередному выращиванию, кроме того, ее можно механизировать.

Неудобство работы с аппаратами плунжерного типа связано с заеданием шприца конденсатом.

Галлневый затвор оказался трудно применим из-за образования в нем твердой корки арсенида галлия. Первая • модификация установки Греммельмайера была выполнена Бурдуковым [163] в Физико-техническом ин ституте АН СССР в 1958 г. Отличительной особенностью этого аппарата (рис. 1.14) является наличие в нем элемен тов (внутренппй и наружные тепловые экраны и кварце вое веретено), позволяющих устанавливать желаемую форму фронта кристаллизации, симметричную относитель но оси роста кристалла. Наличие смотрового отростка исключает необходимость наполнять аппарат инертным газом, без которого обычно образующийся конденсат

М Е Т О Д И К А В Ы Р А Щ И В А Н И Я М О Н О К Р И С Т А Л Л О В

яа стенках ампулы-, близких к раснлаву, затрудняет наблюдение за растущим кристаллом. За ис ключением смотрового окна, аппа рат может быть изготовлен из срав нительно недорогого полупрозрач ного кварца. На рпс. 1.15 пока зан монокристалл арсеннда гал лия, выращенный в этом аппарате.

О новых усовершенствованиях «магнитного метода» выращивания арсеипда галлия и подобных ему соединений часто упоминается в литературе [58, 59]. Особого вни мания заслуживает аппарат Внлстона [42] (рпс. 1.16). В этом аппа рате наилучшим образом решена конструкция подъемного устройст ва кристалла. Наличие осевого кварцевого стержня обеспечивает удобную центровку пермпидюроиых сердечников в поле внешнего магнита. Поверхность трения под шипников здесь сведена к мини муму, и, кроме того, расплав га рантирован от попадания в пего частиц от трущихся деталей.

Весьма интересным новшеством в методе Чохральского явилось выращивание кристаллов из-под слоя флюса. О применении этой техники к арсеииду галлия сооб щили Маллин, Строган и Бриккелл [61]. Они: выращивали крис таллы GaAs в обычных установ ках, используемых в производст ве германия. В качестве флюса можно брать хлористый барий пли хлористый кальций. Наибо лее подходящим веществом для этой цели оказалась окись бора. Прозрачность жидкой окиси бора 3*

Рис. 1.14. Схелга уста новки Бурдукова.

1 — « м ы ш ь я к о в а я » печь-, г — к в а р ц е в а я а м п у л а ; з— г р а ф и т о в ы й ч е х о л ; 4 — м а г н и т д л я п о д ъ е м а к р и с т а л ла; 5 — п е р м м н д ю р О в ы й с е р д е ч н и к ; ff — р е з е р в у а р д л я з а г р у з н и м ы ш ь я к а ; 7—


в е р х н я я	печь		о б о г р е в а		ам
п у л ы ;	8 — печь			о о о г р е в а
с м о т р о в о г о		отростка;			9 —
к р и с т а л л ;		IV — с м о т р о в о й
отросток;		11	—	В Ч - п щ г у к -

т о р ; 12 — т е п л о в ы е э к р а н ы ;


13 — т ш ш я я		печь о б о г р е в а
а м п у л ы ;	14 — г р а ф и т о в ы й
нагреватель;		15 —	к в а р ц е в о е
в е р е т е н о с	з а п а я н н о й в			нем
п е р м ш щ г о р о в о й			п л а с т и н о й ;
10 — г р а ф и т о в ы е			п о д ш и п
н и к и ; п—,		м а г н и т ,		в р а
щ а ю щ и й в е р е т е н о .

1.2]	М Е Т О Д И К А В Ы Р А Щ И В А Н И Я М О Н О К Р И С Т А Л Л О В

кристаллографической ориентацией (в переводе с грече ского эпитаксия означает — gju на, ra£i£ — расположе ние в порядке). Эпитакснальное наращивание может быть

Рпс. 1.16. Схема установки Вплстоца.

1 — к в а р ц е в а я	т р у б к а т о ч н о й		у с т а н о в к и ;	г	— п о с т о я н н ы е	магниты;		3 —
затравка; 4 — п р о з р а ч н ы й щ и т		с	электрическим н а г р е в о м д л я				л у ч ш е й в и д и
мости; 5 — графитовый тигель;		6 — в н е ш н я я		к в а р ц е в а я т р у б к а ;			7 — р а с п л а в ;
8 — и н д у к ц и о н н а я к а т у ш к а ; 9		—	к р и с т а л л ;	10	— д е р ж а т е л ь	затравки; и		—
нагреватель; 12	— в р а щ а ю щ и й с я		с т о л и к д л я		магнитов; 13 — с е р д е ч н и к			и з
м я г к о г о ж е л е з а ;	14—графитовый		п о д ш и п н и к ; is — в н у т р е н н я я з а п а я н н а я
			т р у б к а .

осуществлено либо из газовой фазы (метод газовой эпитаксии), либо из жидкой фазы (метод жидкостной эпптаксии). Каждый из этих двух методов имеет множество разновидностей.

Впервые в технологии полупроводников (вначале пятидзсятых годов) для получения монокристаллпческпх слоев германия была использована эпитаксия из газовой фазы.

3 S П О Л У Ч Е Н И Е I I Ф И З И К О - Х И М И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А [ГЛ. 1

В 1954 г. Вольфом и др. [62] была		показана возмож
ность	энптаксиалыюго наращивания	полупроводников
А т В л	' п з жидкой фазы, когда авторы из	раствора-расплава

Ga r Pi _ c получили фосфид галлия. И только через несколь ко лет Нельсон [63] осуществил эпитаксиальный рост

арсенида	галлия	из	растворов-расплавов GaAs—Su и
Ga ,А.31_Л . на подложках			из	арсенида	галлия в	открытой
системе, а	Горелепок		и	Царенков	[64] — пз	раствора-
расплава Gal Asi_l . в закрытой системе.
Возможность		эпитаксналыгого наращивания				арсенида
галлия из	газовой фазы с помощью химических транс-
портных реакций была показана в работе [65].
В настоящее время для получения монокрнсталлнче-
скпх слоев	арсенида галлпя наибольшее распространение

получили два метода: газотранспортная эпитаксия и жид

костная эпитаксия.
Газотранспортная	эпитаксия.	Суть методов газо

транспортной эпнтакспп заключается в том, что твердое или жидкое вещество А, взаимодействуя по обратимой реакции с каким-либо газообразным веществом В, обра зует только газообразные продукты С, которые после переноса в другую часть системы при изменении условий равновесия разлагаются с выделением вещества А:

Атв.ж ~Ь В г а з * i С г а з .

Необходимым условием переноса вещества А наряду с об ратимостью указанной реакции является наличие гра диента концентраций. Градиент концентраций можно создать, например, за счет разности температур пли изме нением соотношения давлений газообразных веществ. Вопросы химических транспортных реакций более де тально рассмотрены в монографии [М12].

Методы газотранспортной эпитаксии по способу пере носа газообразного вещества можно разделить иа два ме тода:

а) метод газотранспортной эпитаксии в закрытой си стеме — перенос вещества осуществляется посредством диффузии и конвекции;

б) метод газотранспортной эпитаксии в открытой си стеме — перенос вещества происходит в газовом потоке.

Практически при газотранспортной эпитаксии арсе нида галлия в основе процесса переноса лежит реакция

1.2]

М Е Т О Д И К А В Ы Р А Щ И В А Н И Я М О Н О К Р И С Т А Л Л О В

диспропорционирования

6GaX + As4 ^2GaX, + 4GaAs,

где X— хлор либо под, либо бром. При повышенных тем пературах эта реакция имеет тенденцию идти справа па лево, при пониженных — слева направо.

Г а з о т р а н с п о р т н а я э п и т а к с и я в з а к р ы т о й с и с т е м е . По этому методу процесс эпитаксиального наращивания проводят в откачанных герме тичных кварцевых ампулах диаметром —-10—15 мм и

длиной —10—15 см (рис. 1.17). В одном конце

ампулы

помещается подложка

GaAs,

в другом

— источник

и пе

реносчик.

( G C A S PbCl-

GaAs

)

В качестве

переносчике

используют

обычно

йод [65]

или

хлор [66], которые поме

щаются в ампулу в свобод

ном

виде 12

или

в виде сое

динения РЬС12 .Ампула поме

щается в

двухзонную

печь.

В горячей части ампулы

(Тг—

— 750 °С) находится источник

Рамтояниелм

(мелкие кристаллы

GaAs), в

Рне. 1.17.

Эпптакспальное на

холодной

(ГХ ~700°С)

— мо

нокристаллическая

подлож

ращивание

газотранспортным

ка

GaAs),

ориентированная

методом в

закрытой

системе.

по

кристаллографической плоскости

(111)

или

(100).

При этом в горячей зоне при -—750 °С образуются пары моногаллоида галлия и мышьяка, которые посредством диффузии и конвекции перемещаются в холодную зону. При ~700 °С в результате взаимодействия мышьяка и моногаллоида галлия на подложке осаждается арсенид галлия и образуется трпгаллоид галлия. Тригаллопд галлия перемещается в горячую зону, абсорбирует гал лий, в результате чего вновь образуется моиогаллоид и продолжается перенос до тех пор, пока весь источник не будет перенесен в холодную зону.

Если необходимо получать легированные эпитаксиальные слои, то в ампулу вводится соответствующая легирующая примесь. Уровень легирования слоев изме няется количеством вводимой в ампулу прпмесп.

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 484 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ