Макеты страниц
8.2. Методы выращивания монокристаллов арсенида галлияАрсенид галлия представляет собой соединение, которое разлагается при нагревании. Диссоциация становится заметной уже при температурах выше В настоящее время монокристаллы арсенида галлия выращивают, главным образом, двумя методами: методом Чохральского и горизонтальным методом Бриджмена. Метод Чохральского позволяет получать крупные монокристаллы заданной ориентации с концентрацией электронов Метод Чохральского. Рассмотренная выше особенность арсенида галлия делает непригодными для вытягивания его кристаллов классические установки Чохральского. Осложнения возникают в связи с необходимостью совмещения подвижных частей механизма подъема и вращения затравки с герметичностью объема, находящегося под давлением мышьяка около 0,9 атм. В связи с этим имеется два варианта установок для вытягивания монокристаллов арсенида галлия по Чохральскому. В одном из них расплав и вытягиваемый кристалл находятся в герметичной системе под давлением мышьяка; в другом — процесс производится в установке обычного типа, но расплав находится под слоем легкоплавкого солевого или окисного флюса.
Рис. 8.9. Способы герметизации в установках Чохральского: а — герметичная система с магнитным подъемным механизмом; б — система с уплотнениями и механическим подъемом; в — система с защитным слоем окиси бора. 1 — избыточный мышьяк; 2— герметичная труба для вытягнвания; 3 — кварцевый держатель затравок; 4 — ферромагнитные сердечники; 5 — вращающаяся платформа; 6 - затравка; 7 — расплав GaAs; 8 — кварцевый тигель; 9 — осциллограф; 10 — ВЧ катушка; 11 — вращающий магнит; 12 — поднимающий магнит; 13— водяная рубашка; 14 — печь сопротивления; 15 - пары мышьяка; 16 — уплотнение из нитрида бора; 17 — поток аргона; 18 — тефлоновый подшипник; 19 — инертный газ; 20 — герметизирующий слой окиси бора. Возможные варианты установок схематически показаны на рис. 8.9. Плавка арсенида галлия проводится при температуре чуть выше температуры плавления (1 240°С). Для поддержания давления мышьяка около 0,9 атм весь герметизированный объем должен быть нагрет до температуры не ниже 600 °С. Поскольку пары мышьяка при высоких температурах чрезвычайно агрессивны, то все детали установки должны быть изготовлены из кварца, графита и других стойких материалов (например, из нитрида бора или нитрида алюминия). Обычно плавка арсенида галлия проводится в графитовом тигле, который нагревают токами высокой частоты. Верхняя часть кварцевой ампулы поддерживается при температуре выше Скорость вытягивания вначале устанавливают 0,5 см/час, но после достижения оптимального диаметра кристалла увеличивают до 4 см/час. Скорость вращения затравки — около 20 об/мин. Таким образом выращивают кристаллы в направлении Другим вариантом метода Чохральского в применении к арсениду галлия является плавка арсенида галлия под защитным слоем флюса, например окиси бора Для того чтобы полностью предотвратить испарение мышьяка из расплава, над слоем флюса создают противодавление инертного газа, не меньшее давления мышьяка при этой температуре. Вытягиваемый кристалл покрыт тонкой пленкой окиси бора. Метод выращивания монокристалла арсенида галлия по Чохральскому из-под слоя флюса позволяет достигать более стабильной скорости вытягивания и, следовательно, должен давать более совершенные кристаллы. Метод Бриджмена в технологии полупроводников обычно используют в горизонтальном варианте (рис. 8.10). Выращивание производят в герметичной системе (в запаянной ампуле) под давлением мышьяка в двухзонной печи.
Рис. 8.10. Схема установки для выращивания монокристаллов арсенида галлия горизонтальным методом Бриджмена (а) и температурный профиль печи (б): 1 — неподвижная керамическая труба; 2 — печь I; 3 — избыточный мышьяк; 4 — кусок кварца; 5 — окно; 6 — печь II; 7 — затравка; 8 — расплавленный арсенид галлия; 9 — нагревательная обмотка; 10 — кварцевая лодочка; 11 — разбиваемая перемычка; 12 — запаянная кварцевая ампула; 13 — теплоизоляция. (Печь перемещается в направлении стрелки.) В зоне с арсенидом галлия поддерживают температуру на 20° выше температуры плавления Даже очень слабое смачивание материала лодочки расплавом приводит к дефектной структуре со множеством зерен под малыми углами. Основными примесями в кристаллах арсенида галлия являются кремний и магний (в количествах около одной части на миллион), которые переходят из кварца. Простая пескоструйная обработка лодочки уменьшает поверхность контакта расплава с кварцем и тем самым способствует росту более совершенных и более чистых кристаллов. Плотность дислокаций в монокристаллах, выращенных горизонтальным методом Бриджмена, не более Бездислокационные монокристаллы выращивают в кварцевых лодочках, обработанных пескоструйным методом, из расплава, легированного оловом до концентрации Из таких кристаллов изготовлены диоды ПКГ с высокими характеристиками, работающие при комнатной температуре, несмотря на дополнительное легирование кремнием из кварца до концентрации Зонная плавка. Выращивание монокристаллов арсенида галлия методом горизонтальной зонной плавки обычно производят в установках, аналогичных печи Ричардса (рис. 8.11). Установка имеет то преимущество, что в ней исключается необходимость перемещения как ампулы, так и нагревателей. Она, кроме того, позволяет проводить в одной ампуле последовательно три операции: синтез, зонную очистку и выращивание кристалла. Печь представляет собой алундовую или кварцевую трубу с двухзонным нагревателем. Вдоль трубы медленно, перемещается огнеупорный кирпич, благодаря чему создается горячая зона с температурой выше
Рис. 8.11. Схема установки для выращивания монокристаллов арсенида галлия методом зонной плавки: 1 — нагревательный элемент; 2 — керамическая прокладка; 3 — кварцевая опорная трубка; 4 — пробка из стекловаты; 5 — зеркало под углом 45°; 6 — расплавленная зона-, 7 — избыточный мышьяк; 8 — термопара: 9 — контрольная печь; 10 — кристалл арсенида галлия; 11 - огнеупорный кирпич; 12 — направляющая дорожка. Скорость роста кристаллов Бестигельная зонная плавка интересна тем, что в этом методе исключен контакт расплава с кварцевым контейнером. Схема установки показана на рис. 8.12. Расплавленную зону перемещают снизу вверх, что предотвращает появление трещин в монокристалле. Скорость перемещения
Рис. 8.12. (см. скан) Схема установки бестигельной зонной плавки для выращивания монокристаллов арсенида галлия: 1 — кварцевый стержень; 2 — съемная верхняя втулка, охлаждаемая водой; 3 — пазы для охлаждающей воды; 4 — крайний конвекционный экран. 5 и 22 — конвекционные экраны нагревателя: 6 и 21 — верхний и нижний графитовые нагреватели; 7, 13, 17 — стенные экраны: 8, 19 — кварцевые окна: 9 — цилиндрический экран, поддерживающий платиновый проволочный нагреватель: 10 — ВЧ индуктор; 11 — изоляционная прокладка; 12 — коаксиальный Плотность дислокаций на плоскости (111) составляет
|
1 |
Оглавление
|