JPH05201712A - Linear-cahin phosphorus material - Google Patents

Linear-cahin phosphorus material

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JPH05201712A JP4151368A JP15136892A JPH05201712A JP H05201712 A JPH05201712 A JP H05201712A JP 4151368 A JP4151368 A JP 4151368A JP 15136892 A JP15136892 A JP 15136892A JP H05201712 A JPH05201712 A JP H05201712A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 支持体上に附着せる式MPx (ここでMは1
種またはそれ以上の金属であり、そしてPは1種または
それ以上のプニクチド類である)で表わされる固体フィ
ルム。 【効果】 半導体として有用な新規な形態のリン材料の
固体フィルムが得られる。
(57) [Summary] [Constitution] The formula MP x (where M is 1) attached to the support.
A solid film of one or more metals, and P is one or more pnictides). [Effect] A solid film of a phosphorus material having a novel form useful as a semiconductor can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】技術分野 本発明は、鎖状(catenated)リン材料、その
製造および使用、そしてそれを用いる半導体装置および
他の装置に関する。これらの材料は高リンのポリホスフ
ァイド類(すなわち、ポリマーの性質が維持されている
ホスファイド類)、アルカリ金属ポリホスファイド類、
単斜晶系のリンおよびリンの新規な形態に関する。塊
状、厚いフィルムおよび薄いフィルムの結晶質、多結晶
物および非結晶質のリン材料およびポリホスファイド材
料の製造に、蒸気移送を用いる。薄いフィルムを製造す
るために、フラッシュ蒸気および化学的蒸着を用いる。
結晶質および多結晶質のポリホスファイド類の製造に、
凝縮した相技術を利用する。これらの材料の伝導度を増
大するために、拡散ドーピングを用いる。適当な金属接
触部により、材料上に整流接合を形成する。フィルム材
料を光学的コーティングとして使用できる。粉末状の結
晶および非結晶質材料を、難燃性充填剤として使用でき
る。結晶質材料、ことに繊維質の形態は、強化された高
い引張り強さの成分として使用できる。
[0001] Technical Field The present invention is a chain (catenated) phosphor material, its manufacture and use, and to semiconductor devices and other devices using the same. These materials include high phosphorus polyphosphides (ie, phosphides in which the polymer properties are maintained), alkali metal polyphosphides,
It relates to monoclinic phosphorus and novel forms of phosphorus. Vapor transfer is used to produce bulk, thick and thin film crystalline, polycrystalline and amorphous phosphorus and polyphosphite materials. Flash vapor and chemical vapor deposition are used to produce thin films.
For the production of crystalline and polycrystalline polyphosphides,
Utilizes condensed phase technology. Diffusion doping is used to increase the conductivity of these materials. A rectifying bond is formed on the material by a suitable metal contact. The film material can be used as an optical coating. Powdered crystalline and amorphous materials can be used as flame retardant fillers. Crystalline materials, especially fibrous morphologies, can be used as the reinforced high tensile strength component.

【0002】従来技術 過去数十年の間、半導体の使用は絶えず応用範囲が拡が
りかつ重要性が増してきている。たとえば、ケイ素に基
づく半導体は、種々の有用な装置、たとえばPN接合整
流器(ダイオード)、トランジスタ、シリコン制御整流
器(SCR)、光電池、感光性ダイオードなどの供給に
おいて一般に成功した。しかしながら、結晶質シリコン
の製造には高い経費を必要とし、そして拡大しつつある
応用範囲にわたって半導体の要求が絶えず増大している
ため、入手可能な有用な半導体材料の範囲をそれに応じ
て拡げることが要求されてきた。
Prior Art Over the last few decades, the use of semiconductors has been constantly expanding in application and increasing in importance. For example, silicon-based semiconductors have been generally successful in providing a variety of useful devices such as PN junction rectifiers (diodes), transistors, silicon controlled rectifiers (SCRs), photovoltaic cells, photosensitive diodes, and the like. However, the production of crystalline silicon is expensive and due to the ever-increasing demand for semiconductors across a growing range of applications, it is possible to correspondingly expand the range of useful semiconductor materials available. Has been requested.

【0003】本発明の有用な半導体は、約1〜3eV
(より特定的には1.4〜2.2eV)のエネルギーバ
ンドギャップ、5より大きい(より特定的には100〜
10,000)の光伝導度比、約10-5〜10-12(オー
ム−cm)-1(より特定的には10-8〜10-9(オーム−
cm) -1の範囲)の伝導度、および周囲使用条件下の化学
的および物理的安定性を有する。したがって、多くの材
料の純粋き金属または純粋な絶縁材料ではないという意
味において半導性であることができるが、これらの規準
を満足する半導性材料のみは本発明に関連して有用な半
導体であると考えることができる。
Useful semiconductors of the present invention have about 1-3 eV.
(More specifically 1.4-2.2 eV) energy band gap greater than 5 (more specifically 100-
10,000) photoconductivity ratio, about 10 -5 to 10 -12 (ohm-cm) -1 (more specifically 10 -8 to 10 -9 (ohm-
cm) -1 ) conductivity and chemical and physical stability under ambient use conditions. Thus, many materials can be semiconducting in the sense that they are not pure metals or pure insulating materials, but only semiconducting materials that meet these criteria are useful semiconductors in connection with the present invention. Can be thought of as

【0004】代替の非石油に基づくエネルギーを開発す
るという現在の要求が与えられると、半導体が有効な光
起電特性をも示すとき、すなわち、太陽エネルギーを効
果的にかつ効率よく電位に変える能力を示すとき、半導
体の潜在的商業的実用性は著しく増加する。経済的観点
から、とくに薄いフィルムの形の、非結晶質半導体は、
製造コストが潜在的に低いために、単結晶の形よりも望
ましい。また、非結晶質半導体は、多くの半導体装置に
おいて使用されるのと同じ材料の多結晶の形よりも、す
ぐれた電気的品質を有する。
Given the current demand to develop alternative non-petroleum based energies, the ability of semiconductors to also effectively and efficiently convert solar energy to electrical potential when the semiconductor also exhibits effective photovoltaic properties. , The potential commercial utility of semiconductors is significantly increased. From an economic point of view, amorphous semiconductors, especially in the form of thin films,
It is preferable to the single crystal form due to the potentially low manufacturing costs. Also, amorphous semiconductors have superior electrical qualities to polycrystalline forms of the same materials used in many semiconductor devices.

【0005】半導体工業において、結晶質シリコンなど
よりも有用な新らしい半導体材料が研究しつづけられて
いる。非シリコンの結晶分野において、半導体化合物、
たとえば、GaAs,GaP、およびInPの単結晶が
商業的に使用されている。多くの他の半導体材料は、特
殊化された目的に使用されてきている。たとえば、Cd
Sおよびセレンは多くのゼログラフ装置における光伝導
体として利用されている。
In the semiconductor industry, new semiconductor materials that are more useful than crystalline silicon are being researched. In the field of non-silicon crystals, semiconductor compounds,
For example, GaAs, GaP, and InP single crystals are in commercial use. Many other semiconductor materials have been used for specialized purposes. For example, Cd
S and selenium are used as photoconductors in many xerographic devices.

【0006】この用途において、半導体装置は、装置が
電気接触部を用いる、すなわち、電子装置であるか、あ
るいは非電子装置、たとえば、ゼログラフィーにおいて
用いる光伝導体、リン光材料、陰極線管におけるリンな
どであるかどうかにかかわらず、半導体材料を含む装置
を意味する。リンの既知の形態のいくつかは半導性を有
すると述べられてきているが、多くは不安定であり、高
度に酸化性および反応性であり、そしてリンの既知の形
態はいずれも有用な半導体として有効に使用されてきて
いない。
In this application, a semiconductor device is one in which the device uses electrical contacts, ie, is an electronic device, or is a non-electronic device, such as a photoconductor for use in xerography, a phosphorescent material, a phosphor in a cathode ray tube. Etc. means a device containing semiconductor material, whether or not. Although some of the known forms of phosphorus have been described as semiconducting, many are unstable, highly oxidative and reactive, and all known forms of phosphorus are useful. It has not been effectively used as a semiconductor.

【0007】第III −V族の材料すなわちリン化ガリウ
ムおよびリン化インジウムは、正四面体状に結合されて
おり、こうして、下に指摘するように、ここに開示する
化合物と明瞭に区別される。さらに、それらの半導性は
リン対リン結合により支配されず、すなわち、主な伝導
路はリン対リン結合ではない。他のものは黒リンに類似
する構造を有しかつ半導性を有する水性化リンを開示し
た。
The Group III-V materials, gallium phosphide and indium phosphide, are bound tetrahedrally and are thus clearly distinguished from the compounds disclosed herein, as noted below. .. Moreover, their semiconductivity is not dominated by phosphorus-to-phosphorus bonds, ie the main conduction path is not phosphorus-to-phosphorus bonds. Others disclosed hydrous phosphorus having a structure similar to black phosphorus and having semiconductivity.

【0008】高リンのポリホスファイド類についてのか
なりな研究は、H.G.フォン.シュネリング(von
Schnering)を代表とするグループによりな
された。このグループからの種々の報告によると、彼ら
が製造した最高のリンを含有するポリホスファイド化合
物は結晶質MP15(M=1a族金属)である。これらの
ポリホスファイドは、金属とリンとの混合物を密閉した
アンプル内で加熱することにより製造される。フォン.
シュネリングの報告によると、それらの構造に基づい
て、ポリホスファイド類は古典的な意味において原子価
化合物として分類されており、そしてこのことはこれら
の化合物は絶縁体または半導体であり、すなわち、金属
ではない。
Considerable research on high phosphorus polyphosphides has been reported by H. K. G. phone. Schnelling (von
Schnering). According to various reports from this group, the highest phosphorus-containing polyphosphide compounds they produced are crystalline MP 15 (M = 1a group metal). These polyphosphides are produced by heating a mixture of metal and phosphorus in a closed ampoule. phone.
Schnelling reports that, based on their structure, polyphosphides are classified as valence compounds in the classical sense, which means that these compounds are insulators or semiconductors, i.e., metals. is not.

【0009】ヒットルフ(Hittorf)のリンとも
呼ばれる、単斜晶系のリンは、先行技術に従い、次のよ
うにして黄リンと鉛から製造される:1gの黄リンおよ
び30gの鉛を密閉管内で630℃にゆっくり加熱して
溶融にし、その温度に短時間保持する。次いでこの溶液
を11日間10℃/日の速度で520℃に冷却し、その
後室温に急速に冷却する。次にそれを8lの6%の酢酸
中の2kgの酢酸の溶液中で電気分解し、そしてリンを陽
極の下に置いたのぞき窓中に集める。ほぼ正方形の管状
結晶、約0.2×0.2×0.05mm、がこのようにし
て得られる。
Monoclinic phosphorus, also called Hittorf phosphorus, is produced from yellow phosphorus and lead according to the prior art as follows: 1 g yellow phosphorus and 30 g lead in a sealed tube. Heat slowly to 630 ° C. to melt and hold at that temperature for a short time. The solution is then cooled to 520 ° C. at a rate of 10 ° C./day for 11 days and then rapidly cooled to room temperature. Then it is electrolyzed in a solution of 2 kg of acetic acid in 8 l of 6% acetic acid and phosphorus is collected in a sight glass placed under the anode. Substantially square tubular crystals, about 0.2 x 0.2 x 0.05 mm, are thus obtained.

【0010】この先行技術の単斜晶系のリンの構造は、
サーン(Thurn)およびクレブス(Krebs)に
より決定された。結晶はリンの五角形の管の2層からな
り、管のすべては平行であり、それゆえすべての五角形
の管のリンの層の他の対、層の第2対における管のすべ
ては平行であるが、層の第2対中の管は層の第1対にお
ける管に対して垂直である。結晶の空間グループ、なら
びに結合の角度および結合の距離は測定されたJerry Do
nabue,"The Structure of the Elementa",1974年発行の
節"Phoaphorus(リン)"中の先行技術の要約参照。
The structure of this prior art monoclinic phosphorus is
Determined by Thurn and Krebs. The crystal consists of two layers of pentagonal tubes of phosphorus, all of the tubes are parallel, therefore all other pairs of phosphorus layers of all pentagonal tubes, all of the tubes in the second pair of layers are parallel. However, the tubes in the second pair of layers are perpendicular to the tubes in the first pair of layers. The spatial groups of crystals, and the bond angles and bond distances were measured by Jerry Do
See the prior art summary in the section "Phoaphorus", nabue, "The Structure of the Elementa", 1974.

【0011】ヒットルフのリンの結晶の電子的性質は、
報告されていない。結晶は大きさが小さいため、電子的
性質は容易に決定できない。先行技術に従う高純度の電
子的等級のリンの製造は非常に複雑でありかつ時間を浪
費し、それゆえ電子工学的等級のリンは非常に高価であ
る。また、先行技術は、安定なリン化合物の難燃剤とし
ての使用の必要性を示している。結晶質の形態は、プラ
スチック、ガラスおよび他の材料中の強化用材料として
の追加の実用性を有する。
The electronic properties of Hittorf's phosphorus crystals are:
Not reported. Due to the small size of crystals, their electronic properties cannot be easily determined. The production of high-purity electronic grade phosphorus according to the prior art is very complicated and time consuming, and therefore electronic grade phosphorus is very expensive. The prior art also indicates the need for the use of stable phosphorus compounds as flame retardants. The crystalline form has additional utility as a reinforcing material in plastics, glass and other materials.

【0012】[0012]

【発明の開示】われわれは、有用の半導体、光学的、お
よび機械的性質を有するアルカリ金属のポリホスファイ
ド材料のある群を発見した。有用な半導体の性質 「ポリホスファイド(polyphosphide)」
とは、多数のリン対リン結合が主要比率を占める材料を
意味する。「有用な半導体」とは、伝導度が絶縁材と金
属との中間であることばかりでなく、有用な多数の性質
の例証を意味する: −安定性 −弾性材料の構造 −有用な範囲のバンドギャップ(典型的には1〜2.5
eV) −高い固有の抵抗性、しかしドーピング可能な能力 −すぐれた光伝導性 −効率よいルミネセンス −整流性接合を形成する能力 −大規模化可能な方法による比較的低い温度(半導体に
ついて)において形成できる能力 −大きい面積のリンの薄いフィルムとして形成できる能
力 −延性繊維として形成できる能力 これらのポリホスファイド類は、これらの特徴のすべて
を有する材料の独立の群である。
DISCLOSURE OF THE INVENTION We have discovered a group of alkali metal polyphosphide materials having useful semiconductor, optical, and mechanical properties. Useful Semiconductor Properties "Polyphosphide"
Means a material with a large proportion of phosphorus-to-phosphorus bonds predominating. By "useful semiconductor" is meant not only that the conductivity is between that of an insulator and a metal, but also of many useful properties: -stability-structure of elastic material-band of useful range. Gap (typically 1 to 2.5
eV) -High intrinsic resistance, but ability to be doped-Excellent photoconductivity-Efficient luminescence-Ability to form rectifying junctions-At relatively low temperatures (for semiconductors) by scalable methods Ability to Form-Ability to Form as a Thin Film of Large Area Phosphorus-Ability to Form as Ductile Fibers These polyphosphides are an independent group of materials that possess all of these characteristics.

【0013】多数の形態における実用性の保存 有用な性質は化学的組成および物理的形態(結晶および
非結晶)の広い範囲にわたって本質的に一定にとどまる
ことは、等しく重要である。われわれの知識によれば、
ポリホスファイド類は、所望の多結晶様の性質が非結晶
質の形態において保存される唯一の半導体である。これ
は非結晶質の形態が少なくともより修正可能であるため
に主要な技術的意味を有し、そして大規模な用途、たと
えば、光電池、大きい面積の表示装置、および静電コピ
ー装置について、しばしば必須である。
Preservation of Utility in Multiple Forms It is equally important that useful properties remain essentially constant over a wide range of chemical compositions and physical forms (crystalline and amorphous). According to our knowledge,
Polyphosphides are the only semiconductors in which the desired polycrystalline-like properties are preserved in an amorphous form. This has major technical implications because the amorphous form is at least more modifiable, and is often essential for large scale applications such as photovoltaics, large area displays, and electrostatic copy machines. Is.

【0014】しかし現在まで、非結晶質半導体を用いる
ときの問題は、それが安定な単一相の材料として容易に
形成されないということである。そして非結晶質の形態
は、強制するときでさえ、その結晶質の対応物の非常に
望ましい特徴のいくつかを失なう。主要な既知の半導体
(シリコン)は、その結晶質の形態において正四面体配
位を有する。それを非結晶質とする(非結晶質のSiを
作る)試みは、正四面体結合が破壊し、有用な半導性質
をこわすダングリングボンドを残すことを伴うことが知
られている。純粋な非結晶質のSiは有用ではなく、不
安定であり、そしてもろい。ダングリングボンドを水素
またはフッ素で飽和する試みは、部分的に成功しただけ
である。
However, to date, the problem with using amorphous semiconductors is that they are not readily formed as stable single-phase materials. And the amorphous form loses some of the highly desirable features of its crystalline counterpart, even when forced. The major known semiconductor (silicon) has a tetrahedral coordination in its crystalline form. Attempts to make it amorphous (to make amorphous Si) are known to involve breaking tetrahedral bonds, leaving dangling bonds that break useful semiconducting properties. Pure amorphous Si is not useful, unstable, and brittle. Attempts to saturate dangling bonds with hydrogen or fluorine have been only partially successful.

【0015】構造の中心の役割 ポリホスファイド類の多数の形態のうちで有用な性質の
保存は、材料の構造の直接の結果であり、前記構造はリ
ンの独特の性質、とくにきわめて多数のリン部位におけ
る3つのリン対リンの共有結合が主要比率を占めるポリ
マーを形成するその能力によって可能とされると、われ
われは信ずる。
Central Role of Structure The preservation of useful properties of the many forms of polyphosphides is a direct result of the structure of the material, which is a unique property of phosphorus, especially the large number of phosphorus. We believe that the three phosphorus-to-phosphorus covalent bonds at the site are enabled by its ability to form a predominant polymer.

【0016】結晶質の形態において、型MP15(ここで
M=Li,Na,K,Rb,Cs)で表わされるポリホ
スファイドは、五角形の断面をもつ平行な管から成るリ
ンの骨格により形成された構造を有する。これらのリン
の管は、図4,5および6に示すようにP−M−P架橋
により結合されている。このMP15原子の骨格のための
組み立てブロックは、P8 (2つのP4 の剛性単位によ
り形成された)およびMP7 (MP3 およびP4 の剛性
単位の会合により形成された)として見ることができ
る。
In the crystalline form, polyphosphides of the type MP 15 (where M = Li, Na, K, Rb, Cs) are formed by a phosphorus skeleton consisting of parallel tubes with a pentagonal cross section. It has a structured structure. These phosphorus tubes are joined by PMP crosslinks, as shown in FIGS. See the building blocks for this skeleton of MP 15 atoms as P 8 (formed by two rigid units of P 4 ) and MP 7 (formed by the association of rigid units of MP 3 and P 4 ). You can

【0017】前述の組み立てブロックまたは集団を用い
て、コシアコブ(Kosyakov)は概説文献(Russ
ian Chemical Review,48(2),1979) 中で、これらのホス
ファイド化合物をポリマー材料として、その基本的組み
立てブロックをモノマーとして用いることにより、処理
することができることを理論的に示した。それゆえ、原
理的には、同じリン骨格を有する原子の骨組の多数を構
成することが可能である。
Using the building blocks or populations described above, Kosyakov has been reviewed by Russ.
In ian Chemical Review, 48 (2), 1979) it was shown theoretically that these phosphide compounds could be processed by using them as polymeric materials and their basic building blocks as monomers. Therefore, in principle, it is possible to construct a large number of atomic skeletons with the same phosphorus skeleton.

【0018】われわれの研究において、後述する種々の
技術により、MP15結晶およびまた型〔MP7 a 〔P
8 b (ここでbはaより非常に大きい)で表わされる
組成物をわれわれは合成した。これらの「繊維」、「ホ
イスカー」または「リボン」として本来観察される新規
なリンに富んだ化合物は、この研究においてMPx (こ
こでxは15より非常に大きい)と呼ぶ。これらの低い
金属含量の材料は、多結晶質繊維の厚いフィルム(10
ミクロンより大きい)および非結晶質の特性の大きいボ
ール(1cm3 より大きい)として蒸気移送により製造さ
れる。多結晶質繊維は、KP15ホイスカーと同じ形態学
を示す。
In our research, by various techniques described later, MP 15 crystal and also type [MP 7 ] a [P
8 ] b, where b is much larger than a, we have synthesized. These "fibers", "whiskers" or compounds rich novel phosphorus originally observed as a "ribbon" will be referred to as in this study MP x (where x is much greater than 15). These low metal content materials are suitable for thick films of polycrystalline fibers (10
Manufactured by vapor transfer as large balls (greater than 1 micron) and amorphous (greater than 1 cm 3 ). Polycrystalline fibers exhibit the same morphology as KP 15 whiskers.

【0019】われわれが発見した最初のMPx (xは1
5より非常に大きい)結晶質材料の構造的骨組は、MP
15化合物のリンの骨組に類似するリンの骨格が主要比率
を占める。これらの結晶質材料MP15およびMPx (x
は15より非常に大きい)の有用な電気的および光学的
性質は類似することを、われわれは発見した。したがっ
て、これらの材料の性質は、配位数が3より多少小さい
リン骨格の数のP−P共有結合により支配される。驚ろ
くべきことには、これらの材料の有用な電気光学的性質
はMP15およびMPx (xは15より非常に大きい)結
晶質材料およびそれらの非結晶質対応物について本質的
に保存されることも、われわれは発見した。
The first MP x we have found (where x is 1
The structural skeleton of the crystalline material is much larger than
The phosphorus skeleton, which is similar to the phosphorus skeleton of 15 compounds, accounts for the major proportion. These crystalline materials MP 15 and MP x (x
We have found that the useful electrical and optical properties of (much greater than 15) are similar. Therefore, the properties of these materials are dominated by the PP covalent bond with a number of phosphorus skeletons whose coordination number is somewhat less than three. Surprisingly, the useful electro-optical properties of these materials are essentially conserved for MP 15 and MP x (x is much greater than 15) crystalline materials and their amorphous counterparts. We also found that.

【0020】従来知られた材料と異なり、これは1つの
寸法的に剛性の構造であり、そして以下の意味において
弾性である。ポリホスファイドの結晶の対称性は非常に
低い(三斜晶系)。結晶質の形態から非結晶質の形態に
転移するとき、低い対称性の材料は、非結晶状態を特徴
づける構造的無秩序の増大を徐々に伴うことができると
信じられる。シリコンにおけるように強い正四面体結合
(配位数4)の引き裂きは存在しない。なぜなら、リン
はシリコンよりも非常に小さい配位数をもち、懸垂結合
をつくらないで非常に大きい構造的無秩序を受け入れる
ことができるからである。ポリホスファイド類は性質が
ポリマーである。明らかなX線回折ピークをもたないポ
リマーの非結晶質構造が生じ、それは普通の非結晶質半
導体が達成できるよりも長い範囲の局所規則度(loc
al order)をもつ。構造的意味において、非結
晶性のこの徐々の開始は、非結晶質ポリホスファイド類
において望ましい結晶性質が保存される理由であると信
じられる。
Unlike previously known materials, it is a dimensionally rigid structure and is elastic in the following sense. The crystal symmetry of polyphosphite is very low (triclinic). It is believed that when transitioning from a crystalline form to an amorphous form, low symmetry materials can be accompanied by an increase in the structural disorder that characterizes the amorphous state. There is no strong tetrahedral bond (coordination number 4) tearing as in silicon. This is because phosphorus has a much lower coordination number than silicon and can accept much greater structural disorder without creating pendant bonds. Polyphosphides are polymeric in nature. An amorphous structure of the polymer is produced which has no apparent X-ray diffraction peaks, which has a longer range of local order (loc) than can be achieved by ordinary amorphous semiconductors.
al order). In a structural sense, this gradual onset of amorphousness is believed to be the reason for the preservation of desirable crystalline properties in amorphous polyphosphides.

【0021】既知の有用な半導体との区別 ポリホスファイド類のこの群の組成および構造は、すべ
ての既知の有用な半導体と明瞭に区別される: グループ4a (結晶のSi、非結晶質Si;Hな
ど) 3a−5a(III-V)(GaAs,GaP,InPなど) 2b−6a(II-VI)(CdS,CdTe,HgCdTe
など) カルコゲニド(Chalcogenide)類(Aa2
Se3 ) 1b−3a−6a(CuInSe2 既知の形態のリンとの区別 アルカリポリホスファイド類(MPx ,M=Li,N
a,K,Rb,Ca:ここでx=15かつ15より非常
に大きい)はリンに富んでいる。それにもかかわらず、
それらの構造(平行な五角形の管)およびそれらの性質
(安定性、バンドギャップ、伝導性、光伝導性)はそれ
らをすべての既知のリン材料(黒リン、白リン/黄リ
ン、赤リン、および紫リン/ヒットルフのリン)と明瞭
に区別される。これらの種々の形態の間の構造的関係
は、下に考察する。
Distinction from Known Useful Semiconductors The composition and structure of this group of polyphosphides are clearly distinguished from all known useful semiconductors: Group 4a (crystalline Si, amorphous Si; H, etc.) 3a-5a (III-V) (GaAs, GaP, InP, etc.) 2b-6a (II-VI) (CdS, CdTe, HgCdTe)
Etc.) Chalcogenides (Aa 2
Se 3 ) 1b-3a-6a (CuInSe 2 ) Differentiation with known forms of phosphorus Alkaline polyphosphides (MP x , M = Li, N
a, K, Rb, Ca: where x = 15 and much larger than 15) are rich in phosphorus. Nevertheless,
Their structure (parallel pentagonal tubes) and their properties (stability, bandgap, conductivity, photoconductivity) make them all known phosphorus materials (black phosphorus, white phosphorus / yellow phosphorus, red phosphorus, And purple phosphorus / Hittorph's phosphorus). The structural relationships between these various forms are discussed below.

【0022】われわれの研究は、大部分リン自体のこの
面を明らかにするために実施した。われわれの現在の使
用を、次に要約する。 1.非結晶質Pすなわち赤リン 非結晶質の赤リンは、通常白リンの熱処理により製造さ
れる、赤リンのすべての非結晶質の形態についての一般
的用語である。
Most of our work was carried out to clarify this aspect of phosphorus itself. Our current uses are summarized below. 1. Amorphous P or Red Phosphorus Amorphous red phosphorus is a general term for all amorphous forms of red phosphorus, usually produced by heat treatment of white phosphorus.

【0023】2.紫リン 赤リンのこの微結晶質の形態は、白リンまたは非結晶質
の赤リンの、純粋な供給物から、延長した熱処理により
製造される。 3.ヒットルフのP 構造的に紫リンに同一である赤リンの結晶質の形態。ヒ
ットルフのPは大過剰量の存在下に製造される。これに
もかかわらず、「ヒットルフのリン」および「紫リン」
は互換的にしばしば使用されてきている。結晶構造は平
行な五角形の管の二重層から成り、隣接の二重層は単斜
晶系のセルにおいて互いに垂直である。ヒットルフのリ
ンの結晶は、紫リンの微結晶よりも多少大きい(ほぼ1
00ミクロン)。
2. This microcrystalline form of purple phosphorus red phosphorus is produced by an extended heat treatment from a pure feed of white phosphorus or amorphous red phosphorus. 3. P structurally crystalline forms of red phosphorus are identical purple phosphorus Hittorufu. Hittorf's P is produced in the presence of a large excess. Despite this, "Hit Ruff's Rin" and "Purple Rin"
Are often used interchangeably. The crystal structure consists of parallel bilayers of pentagonal tubes, with adjacent bilayers perpendicular to each other in a monoclinic cell. Hittorf's phosphorus crystals are slightly larger (approximately 1) than purple phosphorus crystallites.
00 micron).

【0024】4.大きい結晶の単斜晶系のリン 上の2種類と本質的に同型構造である、大きい結晶(数
mm)について、ここに記載する。これらの新規な結晶
は、アルカリ−リン供給物の蒸気位相(Vapor T
rangport)(VT)処理により製造される。アル
カリの包含は、大きい結晶の形成に明らかに必須であ
る。分析により、これらのリンの大きい結晶中のアルカ
リ(500〜2000ppm )の存在が確認される。
4. Large crystals, which are essentially isomorphic to the two types of monoclinic phosphorus on large crystals (number
mm) is described here. These new crystals are vapor phase (Vapor T
It is manufactured by a range port (VT) process. The inclusion of alkali is clearly essential for the formation of large crystals. Analysis confirms the presence of alkali (500-2000 ppm) in these large crystals of phosphorus.

【0025】5.ねじれた繊維のリン ここに記載されるリンの結晶形は、非結晶質のリン供給
物のVT処理により製造される。多結晶質のMPx 「リ
ボン」とほぼ同型構造であると信じられる。金属の役割:リンはなぜ十分でないか 元素状リンの多くの同素形態は、リンで得ることができ
る結合および構造の多様性および複雑性についての証拠
である。われわれはアルカリ金属が正確にどのように動
くかについての詳細な、包括的なモデルに欠けるが、ア
ルカリ金属がリンを安定化し、その結果、単一の独特の
構造を潜在的に得ることができる構造の集合から選択す
ることができることを示す、多数の広範なデータを引き
出した。
5. Twisted Fiber Phosphorus The crystalline form of phosphorus described herein is produced by VT treatment of an amorphous phosphorus feed. It is believed to have a near isomorphic structure to polycrystalline MP x "ribbons". The Role of Metals: Why Phosphorus Is Not Enough The many allotropic forms of elemental phosphorus are evidence for the diversity and complexity of binding and structure that can be obtained with phosphorus. We lack a detailed, comprehensive model of how alkali metals behave exactly, but alkali metals can stabilize phosphorus, resulting in the potential for a single, unique structure. A large number of extensive data have been drawn showing that one can choose from a set of structures.

【0026】少なくともある多少のアルカリ金属が存在
しないと、次の望ましくない現象が起こる: A.リンは不安定である(例、白リン)。 B.既知の単一相がそのリンになることができる程度
に、それは高温においてそのようにのみなることがで
き、そして大きさは微結晶質に制限される(例、紫リ
ン)か、あるいは C.高圧において(例、黒リン)。
In the absence of at least some alkali metal, the following undesirable phenomena occur: A. Phosphorus is unstable (eg white phosphorus). B. To the extent that a known single phase can become its phosphorus, it can only do so at elevated temperatures, and its size is limited to microcrystalline (eg, purple phosphorus) or C.I. At high pressure (eg black phosphorus).

【0027】D.供給物中にアルカリ金属が存在しない
と、構造物のMPx 型は蒸気移送により形成されない。
むしろ、われわれが発見した、ねじれたリンの繊維が得
られる。この結晶は準安定性であり、そして構造はわれ
われのX線、ラマンおよび光ルミネセンスのデータによ
り示されるようによく定義される。蒸気移送におけるア
ルカリ金属の存在は、すべての平行なねじれていない相
に好都合である。また、それは、われわれが発見したと
ころによると、異なる温度において単斜晶系のリンの大
きい結晶に好都合である。
D. In the absence of alkali metal in the feed, the MP x form of the structure is not formed by vapor transfer.
Rather, it gives us the twisted phosphorus fibers we discovered. This crystal is metastable and the structure is well defined as shown by our X-ray, Raman and photoluminescence data. The presence of alkali metals in the vapor transport favors all parallel untwisted phases. It also favors monoclinic large crystals of phosphorus at different temperatures, which we have found.

【0028】性質を決定するものとしての、組成物では
なく、構造の主要な役割は、KPx (xは15より非常
に大きい)が本質的にKP15の性質であるが、単斜晶系
のリンの性質と多少異なる性質(バンドギャップ、光ル
ミネセンス、ラマンスペクトル)を有することに注目す
ることによって、明瞭となる。非常に少量のアルカリ金
属でさえ安定な相を選択する役目をすることができるこ
とは、明らかである。しかし、非アルカリ金属はどのよ
うにはたらくであろうか?クレブス(Krebs)は、
2b−4a−P14(2b=Zn,Cd,Hgかつ4a=
Sn,Pb)から成る管状構造をもつ、非アルカリポリ
ホスファイド類を報告した。
The major role of the structure, not the composition, as the determining property is that KP x (where x is much greater than 15) is essentially the property of KP 15 , but monoclinic. It becomes clear by noting that it has a property (bandgap, photoluminescence, Raman spectrum) that is slightly different from that of phosphorus. It is clear that even very small amounts of alkali metals can serve to select stable phases. But how do non-alkali metals work? Krebs
2b-4a-P 14 (2b = Zn, Cd, Hg and 4a =
We reported non-alkali polyphosphides with a tubular structure consisting of Sn, Pb).

【0029】純理的な仮説は、グループ4aの元素が両
性でありかつPの部位をPを代わりに占有しうるため
に、これらの材料が管状構造を形成するということであ
る。アルカリ金属のイオン化エネルギーに基づいてP15
の骨組の有効電子親和度を計算することができ、それら
のすべては5.1eV以下である。次いで、他の可能な
組成物、たとえば、2b−4a−P14化合物について有
効イオン化電位を計算することができる。前述のケレブ
ス(Krebs)の材料のすべては、4.8eV以下の
「有効イオン化度」を有する。
The pure hypothesis is that these materials form a tubular structure because the elements of group 4a are amphoteric and may occupy the P site instead. P 15 based on the ionization energy of the alkali metal
The effective electron affinities of the frameworks can be calculated, all of which are below 5.1 eV. Then, other compositions, for example, it is possible to calculate the effective ionization potential for 2b-4a-P 14 compound. All of the aforementioned Krebs materials have an "effective ionization degree" of 4.8 eV or less.

【0030】有用な性質 われわれの主要な初期の発見は、KP15ホイスカー(単
結晶)が安定な半導体であり、赤色光に相当するバンド
ギャップ(1.8eV)を有し、そして効率的な光伝導
性と光ルミネセンスを示すということであった。これら
は電子工学および光学における潜在的用途をもつ、半導
体の性質である。他のアルカリMP15材料のホイスカー
も、これらの性質をもつ(M=Li,Na,Rb,C
s)。
Useful Properties Our major early discovery was that KP 15 whiskers (single crystals) are stable semiconductors, have a bandgap (1.8 eV) equivalent to red light, and are efficient light sources. It was to show conductivity and photoluminescence. These are semiconductor properties with potential applications in electronics and optics. Whiskers of other alkaline MP 15 materials also have these properties (M = Li, Na, Rb, C
s).

【0031】それらの電位を実現するために、材料は装
置を製作しかつ試験するために適当な大きさおよび形態
で製造しなくてはならなかった。しかしながら、晶癖
は、結晶学的「双晶形成」を含まない大きい、単結晶の
生長に助けとならないことを、われわれは認識した。大
きくて、双晶を含まない単結晶は、今日のほぼすべての
半導体装置のベースである。多結晶質材料は望ましさに
劣る。なぜなら、個々の結晶が十分に大きい場合でさ
え、結晶境界の存在は、このような境界に関連する物理
的および化学的な不連続性のために、いくつかの望まし
くない性質を破壊する役目をする。それゆえ、われわれ
はわれわれが発見した非結晶質の形態に注意を向けた。
In order to achieve those potentials, the materials had to be manufactured in the appropriate size and configuration for making and testing the device. However, we have recognized that crystal habits do not aid in the growth of large, single crystals that do not include crystallographic "twinning". Large, twin-free single crystals are the basis of almost all semiconductor devices today. Polycrystalline materials are less desirable. Because, even when individual crystals are large enough, the presence of crystal boundaries serves to destroy some undesired properties because of the physical and chemical discontinuities associated with such boundaries. To do. Therefore, we turned our attention to the amorphous form we found.

【0032】有用な非結晶的半導体は、光電池のような
接合装置として、あるいは静電複写機におけるようなコ
ーティングとして、いずれのように使用するにしても、
外在的理由(コスト、製作容易さ、および応用の要求)
および内在的理由(塊状の非結晶質状態における材料)
で一般に薄いフィルムとして作られてきた。KP15は安
定な非結晶質の薄いフィルムとして作ることができるこ
とを、われわれは発見した(蒸気移送による)。(これ
はシリコンを用いて実施できない:非結晶質のSiは安
定でないが、単結晶のSiは安定である。) 安定な、塊状の、および薄いフィルムの非結晶質KPx
(xは15より非常に大きい)を、蒸気移送により作る
こともできる。
Useful amorphous semiconductors, whether used as junction devices such as photovoltaic cells or as coatings in electrostatographic machines, are either
External reasons (cost, ease of manufacture, and application requirements)
And intrinsic reasons (materials in a massive amorphous state)
Has generally been made as a thin film. We have discovered (by vapor transport) that KP 15 can be made as a stable amorphous thin film. (This cannot be done with silicon: amorphous Si is not stable, but single crystal Si is stable.) Stable, bulk, and thin film amorphous KP x
(X is much larger than 15) can also be made by vapor transfer.

【0033】これらのポリホスファイド類は他の点でも
異常であるという証拠が存在する。これらの材料のMP
15およびMPx (xは15より非常に大きい)の有用な
性質は、下表XVI およびXVIIに示すように、それらの結
晶質の形態およびそれらの非結晶質の対応物において類
似する。接合を必要としない非結晶質の薄いフィルムK
15を利用する用途を、容易に考えることができる
(例、静電複写)。事実、高い固有抵抗(ほぼ108
109 ohm−cm)は、このような接合を含まない系の用
途のための1つの利点である。
There is evidence that these polyphosphides are otherwise unusual. MP of these materials
The useful properties of 15 and MP x (x is much greater than 15) are similar in their crystalline morphology and their amorphous counterparts, as shown in Tables XVI and XVII below. Amorphous thin film K that does not require bonding
Applications that utilize P 15 can be easily considered (eg, electrostatography). In fact, high resistivity (almost 10 8 ~
10 9 ohm-cm) is one advantage for applications in systems that do not include such junctions.

【0034】電子工学および光電子工学の装置のすべて
は、電荷のキャリヤーが感ずる電位エネルギーにおける
鋭い不連続性を提供する材料中に、あるいは材料ととも
に、多少の接合を形成することを必要とする。これはド
ーピングにより材料の抵抗を低下することを必要とす
る。KP15中に拡散したNiは、材料の抵抗を数桁減少
する役目をすることを、われわれは発見した。表面を分
析すると、固体状態からのNiの拡散(Ni層上へ析出
したKP15)は、フィルムの生長過程の間正常の拡散パ
ターンに従うことが照明された。
All electronic and optoelectronic devices require the formation of some bonds in or with materials that provide a sharp discontinuity in the potential energy experienced by charge carriers. This requires doping to reduce the resistance of the material. We have found that Ni diffused into KP 15 serves to reduce the resistance of the material by several orders of magnitude. Surface analysis revealed that the diffusion of Ni from the solid state (KP 15 deposited on the Ni layer) followed a normal diffusion pattern during the film growth process.

【0035】背面の接触部および拡散体としてNiを有
し、そして上面の接触部として他の金属、たとえば、C
u,Al,Mg,Ni,Au,AgおよびTiを有する
装置の形状は、接合の形成に導びく。接合の電流−電圧
(I−V)特性は、これらの上面の接触部を用いて測定
した。接合のキャパシタンス−電圧(CV)特性は、A
lおよびAuの上面の接触部を用いて測定した。データ
は、上面の接触付近の高い抵抗性の層との二重の形成を
示す。
It has Ni as the back contact and the diffuser and another metal as the top contact, eg C.
The geometry of the device with u, Al, Mg, Ni, Au, Ag and Ti leads to the formation of the bond. The current-voltage (I-V) characteristics of the junction were measured using the contact portion on the upper surface of these. The capacitance-voltage (CV) characteristic of the junction is A
It was measured using the contact part on the upper surface of 1 and Au. The data show a double formation with a highly resistive layer near the top contact.

【0036】高い抵抗性の層は、本発明のドーピング手
順から生ずるKP15フィルムのドーピングしない部分で
ある。小さい光起電効果(短かい回路条件下のマイクロ
アンペア電流)を観測した。 ポリホスファイド類の合成 組成と形態が変化するポリホスファイド類を生成するこ
とをわれわれが発見した方法を、以下において説明す
る。
The high resistance layer is the undoped portion of the KP 15 film resulting from the doping procedure of the present invention. A small photovoltaic effect (microamp current under short circuit conditions) was observed. Synthesis of Polyphosphides Described below is the method we found to produce polyphosphides with varying composition and morphology.

【0037】A.凝縮した相(CP)の合成 これは出発供給物の等温の加熱、ソーキング(固定した
温度における加熱)、および冷却を、最小体積の容器内
で実施することをいう。結晶および塊状の多結晶質のM
15を製造する。 B.単一源の蒸気移送合成(1S−VT) 出発反応成分の供給物を排気した管の1つの区域に配置
する。この管はTdよりも高い温度Tcに加熱し、ここ
でTdは材料が蒸気から析出する管の他の区域の温度を
表わす。結晶のMP15:結晶、多結晶(塊、および薄い
フィルム)および非結晶質の塊状の高いxのMPx :単
斜晶系のリン:星形の繊維:およびねじれた繊維のリン
が製造される。
A. Condensed Phase (CP) Synthesis This refers to isothermal heating, soaking (heating at a fixed temperature), and cooling of the starting feed in a minimum volume vessel. Crystalline and massive polycrystalline M
The production of P 15. B. A single source vapor transfer synthesis (1S-VT) starting reactant feed is placed in one section of an evacuated tube. This tube heats to a temperature Tc above Td, where Td represents the temperature in the other areas of the tube where the material precipitates from the vapor. Crystalline MP 15 : crystalline, polycrystalline (lumps and thin films) and amorphous bulky high x MP x : monoclinic phosphorus: star-shaped fibers: and twisted-fiber phosphorus are produced. It

【0038】C.2の源の蒸気移送合成(2S−VT) 排気された室内に装填された源の反応成分の供給物を、
供給物の間の析出ゾーンの距離で物理的に分離する。2
つの源を析出ゾーンよりも高い温度に加熱する(少なく
とも、非結晶質材料を得るために:後を参照)。析出ゾ
ーンは系において最も冷たいもので必要ではないが、よ
り冷たい領域は1種よりも多い成分を捕捉することがで
きるべきでない。2S−VTは薄いフィルムの非結晶質
KP15をつくるために使用する第1の方法であった。M
15の多結晶質および非結晶質の薄いフィルムと多結晶
質のフィルムおよび塊の非結晶質の大きいxの、MPx
が製造される。
C. 2 source vapor transfer synthesis (2S-VT) evacuated chamber feed source feed components
Physically separate at the distance of the precipitation zone between the feeds. Two
The two sources are heated above the deposition zone (at least to obtain amorphous material: see below). The precipitation zone is not the coldest in the system and is not required, but the colder areas should not be able to trap more than one component. 2S-VT was the first method used to make thin film amorphous KP 15 . M
Polycrystalline and amorphous thin films of P 15 and polycrystalline films and agglomerates of amorphous large x, MP x
Is manufactured.

【0039】D.溶融物の急冷 供給物を密閉し、排気した管(可能ならば等温的に)内
で、DTA実験において観測された吸熱により決定した
「融点」より高い温度に加熱し、その温度にしばらくの
間保持する。次いでこの管を炉から取り出し、急速に冷
却する。CsP7 が製造された。
D. The melt quench feed was sealed and heated in an evacuated tube (isothermally if possible) to a temperature above the "melting point" determined by the endotherm observed in the DTA experiment, at which temperature for some time Hold. The tube is then removed from the furnace and cooled rapidly. CsP 7 was manufactured.

【0040】E.フラッシュ蒸発 粉末の形の供給物を少量で、わずかのアルゴン流のもと
に、RF加熱された感受体中へ供給し、これを約800
℃より高い温度に維持する。感受体の内側において、材
料を曲りくねった通路に通し、そこでそれを、理論的
に、熱表面に強制的に接触させる。これは供給物を急速
にかつ完全に蒸発させて、生ずる蒸気流の組成が注入さ
れつつある粉末の組成と同一であるようにすることを意
図している。蒸気の流れは排気された室に向けられ、こ
こでそれはより冷たい表面に衝突し、凝縮した生成物の
材料を生ずる。非結晶質のフィルムが製造された。
E. A small amount of the feed in the form of flash-evaporated powder was fed into the RF-heated susceptor under a slight flow of argon, which gave about 800
Keep above ℃. Inside the susceptor, the material is passed through a tortuous path where it is theoretically forced into contact with the hot surface. This is intended to vaporize the feed rapidly and completely so that the composition of the resulting vapor stream is identical to that of the powder being injected. The vapor stream is directed to the evacuated chamber where it impinges on the cooler surface, producing condensed product material. An amorphous film was produced.

【0041】F.化学的蒸発の析出(CVD) 一般に、これはある種の化学反応をして生成物を生じな
くてはならない、2種類(またはそれ以上の)蒸発した
成分を混合することにより、材料の製造することを意味
する。われわれの実施において、KおよびP4 を立に溶
融して炉に入れ、ここでそれらを急速に蒸発させ、アル
ゴン流により下流の、より冷たい反応室へ運び、ここで
結合した流れは凝縮した生成物の材料を生ずる。CVD
の意味はこれらの方法の意味にあり、それはほとんど大
規模化が可能でありかつその場でのドーピングが可能で
ある。すなわち、材料の同時の合成およびドーピングが
可能である。
F. Chemical Vapor Deposition (CVD) Generally, this is the manufacture of a material by mixing two (or more) vaporized components that must undergo some type of chemical reaction to produce a product. Means that. In our practice, K and P 4 were melted upright into a furnace where they were rapidly evaporated and carried by an argon stream to a downstream, cooler reaction chamber where the combined stream condensed Produces the material of the thing. CVD
Means the meaning of these methods, which can be scaled up and doped in situ. That is, simultaneous synthesis and doping of materials is possible.

【0042】G.分子流の析出(MFD) これは2S−VTおよび分子ビームエピタキシー(MB
E)を誘発する、多数の源の蒸発移送技術である。独立
に加熱された源を使用し、そして蒸発された種を、2S
−VTでは達成できない制御された速度で支持体(同様
に独立に加熱されている)へ到着させる。析出は排気さ
れた室内で起こり、この室は析出のその場での監視手段
をもつ(2S−VTはこれをもたない)。室を密閉する
かあるいは連続的に排気して、圧力を制御することがで
きる。
G. Molecular Flow Deposition (MFD) This is 2S-VT and molecular beam epitaxy (MBD).
E) is a multi-source evaporative transfer technique that induces. An independently heated source was used and the evaporated seeds were treated with 2S.
-Arriving at the support (also independently heated) at a controlled rate that cannot be achieved with VT. Deposition occurs in an evacuated chamber, which has in-situ monitoring for deposition (2S-VT does not have this). The chamber can be sealed or continuously evacuated to control pressure.

【0043】KP15材料 広範な種類の異なる物理的形態および組成のポリホスフ
ァイド材料を、われわれの研究において初めに製造し
た。しかしながら、潜在的に有用な半導体用途につい
て、われわれの研究の重点は単結晶材料から非結晶質材
料−塊状あるいは大きい面積の薄いフィルムに変えられ
た。
KP 15 Materials A wide variety of different polymorphs and compositions of polyphosphide materials were initially produced in our study. However, for potentially useful semiconductor applications, the focus of our work has shifted from single crystalline materials to amorphous materials-bulk or large area thin films.

【0044】すべてのMP15材料のうちで、KP15はK
−P系について存在する独特の結晶質のより高級のポリ
ホスファイド(xは7以上である)化合物である。(こ
れと対照的に、他のアルカリ金属はx=7またはx=1
1の化合物、すなわち、CsP7 ,NaP7 ,RbP11
などを形成できる)。KP11およびKP7 は化合物とし
て形成しない。この理由で、K−P系は、多数の化合物
が形成しうる、他のアルカリ金属−P系よりも制御が容
易である。
Of all MP 15 materials, KP 15 is K
A unique crystalline higher polyphosphide (x is 7 or greater) compound that exists for the -P system. (By contrast, other alkali metals have x = 7 or x = 1.
1 compound, ie, CsP 7 , NaP 7 , RbP 11
Can be formed). KP 11 and KP 7 do not form as compounds. For this reason, K-P systems are easier to control than other alkali metal-P systems that many compounds can form.

【0045】さらに、われわれの実験研究の結果から、
K+Pをいかなる手段によっても蒸発させ、適切な比
(〔P〕/〔K〕は15以上)において、温度が適切に
低いゾーンに移送させるときはいつでも、非結晶質のK
15が形成することが明らかである。この観察により、
温度はKP15の結晶化を防ぐために十分に低く、かつx
が15より非常に大きいKPx が析出しないように十分
に高くならないことを、われわれは意味する。
Furthermore, from the results of our experimental research,
Whenever K + P is vaporized by any means and transferred to a zone where the temperature is appropriately low in the proper ratio ([P] / [K] is greater than 15), amorphous K is used.
It is clear that P 15 forms. By this observation,
The temperature is low enough to prevent crystallization of KP 15 and x
We mean that KP x, which is much greater than 15, is not high enough to prevent precipitation.

【0046】この信条に基づいて、すべての合成法は同
じ一般原理で実施することを理解できる。各方法は、源
の蒸発を制御するかあるいは析出を制御するために、異
なる手段を単に使用した。2つの源の系(2S−VT、
CVDおよびMFD)は、重要な変数を独立に制御でき
るので、とくに有用である。上の考察に基づき、薄いフ
ィルムの非結晶質のKP15を、有用な半導体材料の開発
のためのわれわれの装填組成物として選択した。
Based on this belief, it can be seen that all synthetic methods operate on the same general principle. Each method simply used different means to control the evaporation of the source or to control the deposition. A system of two sources (2S-VT,
CVD and MFD) are particularly useful because they allow independent control of important variables. Based on the above considerations, thin film amorphous KP 15 was selected as our loading composition for the development of useful semiconductor materials.

【0047】ポリホスファイド類の性質の一般的究明に
おいて、長さ約1cmのカリウムポリホスファイドのホイ
スカーを単一源の蒸発移送により製造した。この材料の
性質を研究するとき、結晶がKP15であることは、単結
晶のX線回折により決定された。また、これらの結晶は
半導体であることが発見された。アルゴンレーザーの照
明下の4°Kにおける放射を測定したとき、1.8eV
のエネルギーをもつ光ルミネセンスが観測され、こうし
て材料はこのエネルギーの範囲内のバンドギャップを持
ち得ることが示された。
In a general investigation of the properties of the polyphosphides, ca. 1 cm long potassium polyphosphide whiskers were prepared by single source evaporation transfer. When studying the properties of this material, the crystal was KP 15 determined by X-ray diffraction of the single crystal. It was also discovered that these crystals are semiconductors. 1.8 eV when measuring the radiation at 4 ° K under the illumination of an argon laser
Photoluminescence with energies of was observed, thus indicating that the material may have a bandgap within this energy range.

【0048】後に、これらのホイスカーの伝導度を測定
するために、リード線を銀ペイントで取り付けた。リー
ド線が非常に小さい結晶へ実際に取け付けられるかどう
かを見るために、伝導度を測定する間それを顕微鏡で観
察した。驚ろくべきことには、結晶を顕微鏡内で動か
し、照明を変えるとき、伝導度は劇的に変化した。10
0の光伝導度比が測定され、ホイスカーの照明した伝導
度は約10-8( ohm−cm)-1であった。ホイスカーがバ
ンドギャップをもつかどうかを確立するために、次いで
ホイスカーの光伝導度の波長依存性、光学的吸収の波長
依存性および伝導度の温度依存性について測定を行っ
た。これらの測定値は、4°Kにおける光ルミネセンス
の測定値と一緒に、ホイスカーはほぼ1.8eVのバン
ドギャップをもつことを確立した。こうして、KP15
結晶質ホイスカーは潜在的に有用な半導体であることが
確立された。
Later, the leads were attached with silver paint to measure the conductivity of these whiskers. To see if the lead was actually attached to a very small crystal, it was observed under a microscope while measuring the conductivity. Surprisingly, when the crystal was moved in the microscope and the illumination was changed, the conductivity changed dramatically. 10
A photoconductivity ratio of 0 was measured and the illuminated conductivity of the whiskers was about 10-8 (ohm-cm) -1 . In order to establish whether the whiskers have a band gap, we next measured the wavelength dependence of the photoconductivity, the wavelength dependence of the optical absorption, and the temperature dependence of the conductivity of the whiskers. These measurements, along with the photoluminescence measurements at 4 ° K, established that whiskers have a bandgap of approximately 1.8 eV. Thus, KP 15 crystalline whiskers were established to be potentially useful semiconductors.

【0049】KP15ホイスカーの蒸発移送の製造の間、
石英管の内側に非結晶質フィルムが形成した。この非結
晶質フィルムも1.8eV程度のバンドギャップと約1
00程度の光伝導度比をもつことがわかった。ホイスカ
ーと同様に、この非結晶質フィルムはほぼ10-8(ohm−
cm) -1の電気的伝導度を有した。こうして、それも潜在
的に有用な半導体であることが確立された。
During the manufacture of the evaporative transfer of the KP 15 whiskers,
An amorphous film formed inside the quartz tube. This amorphous film also has a band gap of about 1.8 eV and about 1
It was found to have a photoconductivity ratio of about 00. Similar to the whiskers, this amorphous film is almost 10 -8 (ohm-
It had an electrical conductivity of cm) -1 . Thus, it was established that it was also a potentially useful semiconductor.

【0050】その時、KP15を半導体の製造に使用され
るシリコンのような大きい結晶として製造できるかどう
か、KP15の多結晶質または非結晶質のフィルムを再現
性をもって製造し、半導体製造に利用できるかどうか、
および蒸気移送により製造される材料および同じ有用な
性質をもつかもしれない類似材料の完全な特性づけ、に
ついての問題が発明者らにもち上がった。
The use that time, whether produced as large crystals such as silicon that is used to KP 15 in semiconductor manufacturing, manufacture reproducibly a film of polycrystalline or non-crystalline KP 15, the semiconductor manufacturing Whether you can
And the question of complete characterization of materials produced by vapor transfer and similar materials that may have the same useful properties, arose to the inventors.

【0051】多くの蒸発移送の実験の後、カリウムとリ
ンとの単一源を加熱する蒸気移送により多結晶質と非結
晶質の材料が製造され、そして閉じた管の他方の端に凝
縮した材料はKP15ではなく、湿式分析により測定する
と、xが約200〜約10,000の範囲であると思わ
れるKPx であることが驚ろくべきことには発見され
た。
After a number of evaporative transfer experiments, polycrystalline and amorphous materials were produced by vapor transfer heating a single source of potassium and phosphorus and condensed on the other end of the closed tube. It was surprisingly found that the material is not KP 15 but KP x , which appears to range from about 200 to about 10,000 as measured by wet analysis.

【0052】それ以後、また、単一源の蒸発移送におい
て、リンのカリウムへの親和性、またはアルカリ金属の
その物質への親和性のため、MP15が最も安定なポリホ
スファイドとして初めに析出することを、予期せざるこ
とには発見した。リンが過剰に存在すると、新規な形態
のリンが析出するであろう。(MPx 、ここでxは15
より非常に大きい。)この新規な形態のリンは、KP15
と同じ電子工学的品質を有し、半導体として有用であ
る。
Thereafter, and also in a single-source evaporative transfer, MP 15 was initially deposited as the most stable polyphosphide because of the affinity of phosphorus for potassium or alkali metal for that substance. Unexpectedly, I did. If phosphorus is present in excess, a new form of phosphorus will precipitate. (MP x , where x is 15
Much larger. ) Phosphorus this novel form, KP 15
It has the same electronic quality as, and is useful as a semiconductor.

【0053】研究の途中において、多結晶質および非結
晶質のKP15、および単一源の蒸気移送により形成され
えない他のアルカリ金属類似体の薄いフィルムを形成し
ようとして、本発明者らは、アルカリ金属とリンを隔置
し、別々に加熱する、2つの源(分類された源)の蒸発
移送法を考案した。分離された中間の析出ゾーンの温度
を制御することにより、MP15(ここでMはアルカリ金
属である)の薄いフィルムを多結晶質および非結晶質の
形態で製作した。この技術も、新規な形態の多結晶質リ
ン材料の薄いフィルムおよび非結晶質リン材料の厚いフ
ィルム、および式MPx (ここでMはアルカリ金属であ
り、そしてxは15よりも非常に大きい)を有する多分
ポリマー様である他の材料の製造に導びいた。
In the course of research, we sought to form thin films of polycrystalline and amorphous KP 15 , and other alkali metal analogs that could not be formed by single source vapor transport. We devised an evaporation transfer method of two sources (classified sources) in which alkali metal and phosphorus are separated and heated separately. By controlling the temperature of the separated intermediate deposition zone, thin films of MP 15 (where M is an alkali metal) were made in polycrystalline and amorphous forms. This technique also employs a new form of thin film of polycrystalline phosphorus material and thick film of amorphous phosphorus material, and the formula MP x, where M is an alkali metal and x is much greater than 15. Has led to the production of other materials that are likely polymer-like.

【0054】また、われわれはフラッシュ蒸発、化学的
蒸発析出を使用し、そしてこれらの材料の合成に分子流
析出法を使用することを提案する。すべてのポリホスフ
ァイド類のための式としてMPx を使用する。以後指摘
するように、有用な半導体について、xは7から無限の
範囲であることができる。既知のアルカリポリホスファ
イド類は、式MP7 ,MP11およびMP15を有する。式
MPx (式中xは15より非常に大きい)を有する多分
ポリマーの形態が存在することを、われわれは発見し
た。
We also propose to use flash evaporation, chemical vapor deposition and to use molecular flow deposition for the synthesis of these materials. Use MP x as the formula for all polyphosphides. As noted below, for useful semiconductors, x can range from 7 to infinity. Known alkaline polyphosphides have the formula MP 7 , MP 11 and MP 15 . We have found that there is probably a polymeric morphology with the formula MP x , where x is much greater than 15.

【0055】また、これらの研究の間、単一源の蒸発移
送は、析出温度を大きい区域にわたって一定に制御し、
これによって多結晶質および非結晶質のMPx (ここで
xは15より非常に大きい)の大きい面積の厚いフィル
ムおよびボール(boule)が形成されるようにする
ことによって、先行技術より改良された。大量の結晶質
および多結晶質のMP15(ここでMはアルカリ金属であ
る)は、化学量論的比率のアルカリ金属およびリンを一
緒に等温的に加熱することにより、製造された。この凝
縮された相の方法は、単一源の蒸気移送において使用す
るための、きわめてすぐれたMPx (ここでxは7〜1
5の範囲である)を生成した。凝縮した相の方法でそれ
自体は、好ましくは100℃付近の温度に加熱された、
ボールミルによりアルカリ金属およびリンを一緒に前も
って混合しかつ粉砕することによって、促進される。こ
のボールミリングは、驚ろくべきことには比較的安定な
粉末を生成する。
Also during these studies, a single source evaporative transfer controlled the deposition temperature constant over a large area,
Improved over the prior art by allowing it to form large area thick films and boules of polycrystalline and amorphous MP x, where x is much greater than 15. .. Large amounts of crystalline and polycrystalline MP 15 (where M is an alkali metal) were prepared by isothermally heating stoichiometric ratios of alkali metal and phosphorus together. This condensed phase method is a very good MP x (where x is 7 to 1) for use in single source vapor transfer.
Range of 5). Heated in a condensed phase manner to a temperature preferably near 100 ° C.,
This is facilitated by premixing and grinding the alkali metal and phosphorus together in a ball mill. This ball milling surprisingly produces a relatively stable powder.

【0056】平行な管のポリホスファイド類のすべて
は、ほぼ1.8eVのバンドギャップ、5より非常に大
きい光伝導度比、(測定された比は100〜10,00
0の範囲を有する)、および10-8〜10-9(ohm−cm)
-1程度の低い伝導度を有する。アルカリ金属の存在下に
形成した非結晶質の形態のこれらの材料、すなわち、ア
ルカリポリホスファイド類MPx (ここでxは6より非
常に大きい)は実質的に同じ準伝導性質を有することを
われわれは発見したので、非結晶質材料の局所規則度は
すべての平行な五角形の管の実質的に全体を通じて同一
であると、われわれは結論する。
All of the parallel tube polyphosphides have a bandgap of approximately 1.8 eV, a photoconductivity ratio of much greater than 5, (measured ratios of 100 to 10,000).
0), and 10 −8 to 10 −9 (ohm-cm)
-It has a conductivity as low as -1 . It is noted that these materials in amorphous form formed in the presence of alkali metal, namely the alkali polyphosphides MP x, where x is much larger than 6, have substantially the same quasi-conducting properties. As we have found, we conclude that the local order of amorphous materials is substantially the same throughout all parallel pentagonal tubes.

【0057】すべてのポリサルファイド類において、リ
ン部分の大部分における3つのリン対リン〔類似原子の
(homatomic)〕共有結合は存在する他の結合
よりも主要比率を占めて伝導路を提供し、そしてそれら
のすべては半導体の性質を有する。リン原子の共有結合
は、それらのすべてがこれらの材料中の主要な伝導路お
よび平行な局所規則度を提供するカートネーション中で
使用され、すぐれた半導性質を提供する。リン原子は3
価であり、そしてカートネーションはチャンネル様断面
を有するらせんまたは管を形成する。アルカリ金属原子
は、存在するとき、カートネーションを一緒に接合す
る。リン以外の原子種、とくに3つの共有類似原子の結
合を形成できる3価の種も半導体を形成するであろう。
In all polysulphides, the three phosphorus-to-phosphorus [homatomic] covalent bonds in the majority of the phosphorus moieties occupy a major proportion of the other bonds present and provide a conductive pathway, and All of them have semiconductor properties. The covalent bonds of the phosphorus atoms are used in cartonations, all of which provide the predominant conduction paths and parallel local order in these materials, providing excellent semiconducting properties. 3 phosphorus atoms
Value, and cartonations form a helix or tube with a channel-like cross section. Alkali metal atoms, when present, join the cartonations together. Atomic species other than phosphorus, especially trivalent species capable of forming bonds of three covalently similar atoms, will also form semiconductors.

【0058】こうして、新規な形態のリンおよびそれの
製造法:非結晶質および多結晶質のMPx の固体フィル
ムおよびそれを製造する方法および装置:多数の温度の
単一源の技術により金属ポリホスファイド類を製造する
方法および装置:多数の分離された源の技術により高リ
ンのポリホスファイド類を製造する方法および装置:多
結晶質形態の凝縮相の技術によりMP15を製造する方法
および装置;1eVより大きいバンドギャップおよび1
00〜10,000の光伝導度比を有する、五角形の管
中で一緒に共有結合された7個以上のリン原子のポリホ
スファイドのグループからなる半導体装置:MPx (こ
こでMはアルカリ金属でありそしてxは6より大き
い)、および1eVより大きいバンドギャップおよび1
00〜10,000の光伝導度比を有する材料からなる
半導体装置:高い比率の鎖状の(catenated)
共有結合した3価の原子、好ましくはリンから形成さ
れ、鎖状の原子が多数の共有結合で一緒に接合されてお
り、その局所規則度が各層において平行である鎖状の原
子の層からなり、層が互いに平行であり、カートネーシ
ョンが好ましくは五角形の管である、半導体装置;アル
カリ金属と前記カートネーション構造からなり、連続す
る共有鎖状結合の数がこのような材料を半導性とするた
めに十分に非鎖状結合の数よりも大きい、半導体装置;
少なくとも2つの鎖状単位からなる化合物から形成さ
れ、各単位は少なくとも7個の共有結合した鎖状原子、
好ましくはリンの骨格を有しかつ1つの単位の骨格を他
の単位の骨格に伝導的に結合するアルカリ金属を有す
る、半導体装置;接合装置;このような半導体装置を形
成する方法;このような半導体装置をドーピングする方
法;このような装置を利用して電流を流し、そして電位
を発生させる方法を、われわれは発明した。
Thus, a novel form of phosphorus and its method of preparation: amorphous and polycrystalline MP x solid films and methods and apparatus for its preparation: metal poly- METHODS AND APPARATUS FOR PRODUCING PHOSPHIDES: METHODS AND APPARATUS FOR PRODUCING HIGH PHOSPHORUS POLYPHOSFIDES BY MULTIPLE SEPARATED SOURCE TECHNOLOGIES: METHODS FOR PRODUCING MP 15 BY CONCENTRATED PHASES IN POLYCRYSTALLINE FORM AND Device; bandgap greater than 1 eV and 1
Semiconductor device consisting of a group of polyphosphides of 7 or more phosphorus atoms covalently bonded together in a pentagonal tube having a photoconductivity ratio of 00 to 10,000: MP x, where M is an alkali metal And x is greater than 6), and a bandgap greater than 1 eV and 1
Semiconductor device made of a material having a photoconductivity ratio of 00-10,000: a high proportion of catenated
It is formed from covalently bonded trivalent atoms, preferably phosphorus, consisting of a layer of chained atoms in which the chained atoms are joined together by a number of covalent bonds, the local order of which is parallel in each layer. A semiconductor device in which the layers are parallel to each other and the cartonations are preferably pentagonal tubes; the devices comprising an alkali metal and said cartonation structure, the number of consecutive covalent chain bonds making such materials semiconducting. A semiconductor device sufficiently larger than the number of non-chain bonds;
Formed of a compound of at least two chain units, each unit having at least 7 covalently bonded chain atoms,
A semiconductor device, preferably having a phosphorus skeleton and having an alkali metal that conductively couples the skeleton of one unit to the skeleton of another unit; a bonding device; a method of forming such a semiconductor device; We have invented a method of doping a semiconductor device; a method of applying an electric current and generating an electric potential using such a device.

【0059】したがって、有用な半導体である材料の全
クラスをわれわれは発見し、このクラスのある構成員は
われわれが最初に製造したかあるいは適切に特徴づけ、
そしてこのクラスの他の構成員は先行技術において製造
されたが、それらの有用な半導体の性質はわれわれの発
見および発明まで未知であった。これらの材料のすべて
は1〜3eVの範囲、好ましくは1.4〜2.2eVの
範囲、最も好ましくは約1.8eVのバンドギャップを
有する。それらの光伝導度比は、5より大きく、実際に
100〜10,000の範囲内である。それらの伝導度
は、10-5〜10-12 (ohm−cm)-1の範囲であり、10
-8( ohm−cm)-1程度である。
Therefore, we have discovered a whole class of materials that are useful semiconductors, and one member of this class was one that we originally manufactured or appropriately characterized,
And while other members of this class were manufactured in the prior art, their useful semiconductor properties were unknown until our discovery and invention. All of these materials have a bandgap in the range of 1-3 eV, preferably 1.4-2.2 eV, most preferably about 1.8 eV. Their photoconductivity ratio is greater than 5 and is actually in the range 100-10,000. Their conductivity ranges from 10 -5 to 10 -12 (ohm-cm) -1 and is 10
It is about -8 (ohm-cm) -1 .

【0060】当業者は容易に理解するように、ポリホス
ファイド、あるいは類似原子の共有結合を形成でき、式
MYx を有する適当な3価の「イド(ide)」、のア
ルカリ金属成分Mは、基本的な五角形の管状構造を変化
しないで、こうして材料の電子的半導体の性質に有意に
影響を及ぼさないで、任意の比率の任意の数のアルカリ
金属(あるいはアルカリ金属の結合挙動をまねる金属の
組み合わせ)からなることができる。
Those skilled in the art will readily appreciate that the alkali metal component M of a suitable trivalent "ide" having the formula MY x, which is capable of forming polyphosphides, or covalent bonds of similar atoms, is , A metal that mimics the binding behavior of any number of alkali metals (or alkali metals) in any proportion, without changing the basic pentagonal tubular structure and thus without significantly affecting the electronic semiconductor properties of the material. Combination).

【0061】さらに、本発明の材料を鉄、クロムおよび
ニッケルでドーピングして、伝導度を増大するドーピン
グ法をわれわれは発見しかつ発明した。接合はAl,A
u,Cu,Mg,Ni,Ag,Ti、湿式銀ペイントお
よび点圧力接触を用いて製造された。ポリホスファイド
(すべての平行な管)中へのヒ素の組み込みも、伝導度
を増大することが証明された。
Furthermore, we have discovered and invented a doping method in which the material of the present invention is doped with iron, chromium and nickel to increase conductivity. Joining is Al, A
Manufactured using u, Cu, Mg, Ni, Ag, Ti, wet silver paint and point pressure contact. Incorporation of arsenic into polyphosphite (all parallel tubes) has also been shown to increase conductivity.

【0062】これらのドーピング法も、われわれの発明
および発見の一部分である。本発明の半導体材料および
装置は、広範な種類の用途を有する。これらには、光伝
導体、たとえば、フォトコピー装置における光伝導体;
光放射性ダイオード;トランジスタ、ダイオードおよび
集積回路;光起電性の用途;金属酸化物の半導体;光検
知の用途;フォトンまたは電子の励起にさらされるリン
光体;および他の適当な半導体の用途が包含される。
These doping methods are also part of our invention and discoveries. The semiconductor materials and devices of the present invention have a wide variety of applications. These include photoconductors, such as those in photocopying devices;
Photoemissive diodes; Transistors, diodes and integrated circuits; Photovoltaic applications; Metal oxide semiconductors; Light sensing applications; Phosphors exposed to photon or electron excitation; and other suitable semiconductor applications. Included.

【0063】われわれの研究過程において、単斜晶系の
リンの大きい結晶をまたわれわれは初めて製造した。こ
れらの結晶は、MP15供給物またはMとP(M/P)の
変化する比の混合物を用いて、蒸気移送技術から製造し
た。驚ろくべきことには、単斜晶系のリンのこれらの大
きい結晶は、有意な量のアルカリ金属を含有する(50
0〜2000ppm が観測された)。同じ条件のもとで、
これらの結晶は供給物中にアルカリ金属が存在しないと
生長することができない。
In the course of our work, we also produced, for the first time, large crystals of monoclinic phosphorus. These crystals were produced from the vapor transfer technique using an MP 15 feed or a mixture of M and P (M / P) in varying ratios. Surprisingly, these large crystals of monoclinic phosphorus contain significant amounts of alkali metals (50
0 to 2000 ppm was observed). Under the same conditions,
These crystals cannot grow without the presence of alkali metals in the feed.

【0064】2種類の結晶の晶癖が、リンのこれらの大
きい結晶について観測された。1つの晶癖は、図39に
示すような切頭角錐形の結晶として同定された。これら
の結晶は、劈開困難である。他方の形態は、血小板様結
晶であり、図40に示すように劈開性である。図39に
示す晶癖でわれわれが製造した最大の結晶は、4×3mm
×2mm(高さ)である。図40に示す晶癖でわれわれが
製造した最大の結晶は、4mm平方および2mm厚さであ
る。
Two crystal habits were observed for these large crystals of phosphorus. One crystal habit was identified as a truncated pyramidal crystal as shown in FIG. These crystals are difficult to cleave. The other morphology is platelet-like crystals, which are cleavable as shown in FIG. The largest crystal we have produced with the crystal habit shown in Fig. 39 is 4 x 3 mm.
× 2 mm (height). The largest crystals we have produced with the crystal habit shown in FIG. 40 are 4 mm square and 2 mm thick.

【0065】結晶は反射で見ると金属性であり、透過に
見ると深赤色である。化学分析すると、結晶はどこかに
500〜2000ppm のアルカリ金属を含有することが
示される。それらの粉末X線回折図形、ラマンスペクト
ルおよび示差熱分析のすべては、先行技術のヒットルフ
のリンと一致する。図41においてセシウムの存在下に
生長させた結晶および図42においてルビシウムの存在
下に生長させた結晶の光ルミネセンスは、4019およ
び3981cm-1にピークを示し、このことはこの単斜晶
系のリンについての室温における約2.1eVのバンド
ギャップを示す。
Crystals are metallic when viewed in reflection and deep red when viewed in transmission. Chemical analysis shows that the crystals contain somewhere between 500 and 2000 ppm of alkali metal. Their powder X-ray diffraction pattern, Raman spectrum and differential thermal analysis are all in agreement with the hitherto phosphorus of the prior art. The photoluminescence of the crystals grown in the presence of cesium in FIG. 41 and of the crystals grown in the presence of rubicium in FIG. 42 show peaks at 4019 and 3981 cm −1 , which indicates that this monoclinic system Figure 4 shows a bandgap of about 2.1 eV for phosphorus at room temperature.

【0066】これらの結晶は、リン源として;スペクト
ルの赤および赤外部分における旋光物質として(それら
は複屈折性である);リン化インジウムおよびリン化ガ
リウムのような3〜5材料の生長用支持体として使用す
ることができる。われわれは、同じ供給物から、わずか
に低い温度において、図44および図45に示す星形繊
維質結晶を生長させ、析出させた。またわれわれは、蒸
気移送により、リンの結晶の同素体、すなわち、図46
に示すリンのねじれた繊維を生長させた。ポリホスファ
イド類は、プラスチック、ガラスおよび他の材料におけ
る難燃剤および強化用充填材として使用できる。ねじれ
た管および星形の繊維は、まわりの材料と機械的にから
み合う能力をもつので、強化用複合材料においてとくに
価値があるのであろう。血小板様結晶は、ガラスフレー
クが現在用いられている薄いシート材料において、とく
に価値があるであろう。
These crystals serve as phosphorus sources; as optical rotators in the red and infrared parts of the spectrum (they are birefringent); for the growth of 3-5 materials such as indium phosphide and gallium phosphide. It can be used as a support. We grew and precipitated the star-shaped fibrous crystals shown in Figures 44 and 45 from the same feed at slightly lower temperatures. Also, we have shown that by vapor transport, an allotrope of phosphorus crystals, that is, FIG.
The twisted fibers of phosphorus shown in FIG. Polyphosphides can be used as flame retardants and reinforcing fillers in plastics, glass and other materials. Twisted tubes and star-shaped fibers may be of particular value in reinforcing composites because of their ability to mechanically entangle with surrounding materials. Platelet-like crystals would be of particular value in the thin sheet materials for which glass flakes are currently used.

【0067】本発明のフィルム材料は、化学的安定性、
難燃性および光学的性質をもつため、コーティングとし
て使用できる。発明の目的 したがって、本発明の目的は、新規なクラスの有用な半
導体材料を提供することである。本発明の他の目的は、
ポリホスファイド類を製造する新規な方法および装置を
提供することである。本発明のさらに他の目的は、安定
な高リンの材料、およびそれを製造する方法および装置
を提供することである。本発明のほかの目的は新規な形
態のリン、およびそれを製造する方法および装置を提供
することである。本発明のなお他の目的は、このような
材料をドーピングするドープ剤および方法を提供するこ
とである。さらに本発明の他の目的は、前記材料を用い
る半導体装置を提供することである。本発明の他の目的
は、単斜晶系のリンの大きい結晶を提供することであ
る。本発明のなお他の目的は、高い純度のリンを提供す
ることである。本発明の他の目的は、新規な半導体材料
を提供することである。本発明のなお他の目的は、スペ
クトルの赤および赤外の部分において使用するための複
屈折性材料を提供することである。本発明のなおさらに
他の目的は、上の特徴の材料を製造する方法を提供する
ことである。本発明のほかの目的は、先行技術よりも便
利でありかつ経費がかからないこのような方法を提供す
ることである。本発明の他の目的は、コーティング材
料、充填材、強化用材料および難燃剤を提供することで
ある。本発明のほかの目的は、一部分明らかであり、ま
た一部分以後において明らかとなるであろう。したがっ
て、本発明は、後述する方法において例示される、1ま
たは2以上の発明の工程および他の各々に関するこのよ
うな工程の関係、後述する組成物において例示される、
特性、性質、および構成成分および成分の関係を有する
組成物、後述する物品において例示される特徴、性質お
よび要素の関係を有する製造物品、および後述する装置
において例示される部分の構成および配置の特徴からな
る装置を包含する。本発明の範囲は、特許請求の範囲に
示されている。
The film material of the present invention has chemical stability,
Due to its flame retardant and optical properties it can be used as a coating. The purpose is therefore an object of the present invention the invention is to provide a useful semiconductor material of a novel class. Another object of the present invention is to
It is to provide a novel method and apparatus for producing polyphosphides. Yet another object of the present invention is to provide stable high phosphorus materials and methods and apparatus for making same. Another object of the present invention is to provide a novel form of phosphorus, and a method and apparatus for making it. Yet another object of the present invention is to provide dopants and methods for doping such materials. Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device using the above material. Another object of the invention is to provide large crystals of monoclinic phosphorus. Yet another object of the invention is to provide high purity phosphorus. Another object of the invention is to provide new semiconductor materials. Yet another object of the invention is to provide a birefringent material for use in the red and infrared parts of the spectrum. Yet another object of the present invention is to provide a method of making a material of the above character. Another object of the invention is to provide such a method which is more convenient and less costly than the prior art. Another object of the invention is to provide coating materials, fillers, reinforcing materials and flame retardants. Other objects of the invention will in part be obvious and will in part appear hereinafter. Accordingly, the invention is exemplified in one or more of the inventive steps illustrated in the methods described below and the relationship of such steps with respect to each other, the compositions described below.
Compositions having properties, properties, and constituents and component relationships, features illustrated in the articles described below, manufactured articles having properties and element relationships, and composition and arrangement features of parts illustrated in the devices described below. Including a device consisting of. The scope of the invention is set forth in the claims.

【0068】本発明は性質および目的をさらに理解でき
るように、添付図面を参照しながら説明する。好ましい態様の説明 高リンのポリホスファイド類MP15(ここでMはアルカ
リ金属である)の高リンの材料、および形成された新規
な形態のリンは、結晶質、多結晶質のいかんにかかわら
ず、すべて同様な局所規則度を有すると信じられる。結
晶質および非結晶質のMP15において、この局所規則度
は図4,5および図6に示すような五角形の断面をもつ
細長いリンの管の形を取ると、われわれは信ずる。五角
形の管のすべては局所スケールで一般に平行であり、そ
してMP15において、五角形のリンの二重層は格子間に
はいったアルカリ金属原子により互いに結合されてい
る。本発明の新規な形態のリンにおいて、アルカリ金属
原子のほとんどでないにしても、多くは失なわれてい
る。しかしながら、非常に少量のアルカリ金属原子の存
在下で形成したリンの1つの新規な形態は、MP15と同
じ形態で蒸気析出から生長する。後に考察する1つの実
験において、これの少なくとも1つの形態はMP15の層
上の新規な形態の生長によることが示される。MP15
同じ構造においてリンを組織化させるテンプレイト(t
emplate)として作用することができる。これら
すべての平行な五角形のリンの管を有する材料のすべて
は、1.4〜2.2eV、ほとんど1.8eV程度のバ
ンドギャップをもつことがわかった。光伝導度比は、1
00〜10,000の範囲である。こうして、MP7
MP15からのすべての高リンのアルカリ金属ポリホスフ
ァイド類、およびM15のより複雑な形態および混合ポリ
マー、およびわれわれが発見した新規のリン(MPx、
ここでxは15より非常に大きい)は、すべてがすべて
平行な五角形の管構造を有し、安定な場合、有用な半導
体材料であり、トラップとして作用する要素を含む場合
を除いて、結晶の境界などを形成させる。
The present invention will now be described with reference to the accompanying drawings for a further understanding of its nature and purpose. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The high phosphorus polyphosphides MP 15 (where M is an alkali metal) high phosphorus material, and the novel forms of phosphorus formed, are crystalline, polycrystalline or otherwise. And all are believed to have similar local regularity. We believe that in crystalline and amorphous MP 15 , this local order takes the form of elongated phosphorus tubes with a pentagonal cross section as shown in FIGS. 4, 5 and 6. All of the pentagonal tubes are generally parallel on a local scale, and in MP 15 , the pentagonal phosphorus bilayers are joined together by interstitial alkali metal atoms. Many, if not most, of the alkali metal atoms are lost in the novel forms of phosphorus of the present invention. However, one novel form of phosphorus formed in the presence of very small amounts of alkali metal atoms grows from vapor deposition in the same form as MP 15 . In one experiment discussed later, at least one form of which is shown to be due to growth of new features on the layer of MP 15. MP 15 is a template that organizes phosphorus in the same structure (t
can act as an (employee). All of these materials with all parallel pentagonal phosphorus tubes were found to have band gaps on the order of 1.4-2.2 eV, almost 1.8 eV. Photoconductivity ratio is 1
The range is from 00 to 10,000. Thus, MP 7 ~
All high phosphorus alkali metal polyphosphides from MP 15 and more complex morphology and mixed polymers of M 15 , and the novel phosphorus (MPx,
X is much greater than 15) is a useful semiconductor material when it has a pentagonal tube structure that is all parallel and stable, and is a useful semiconductor material, unless it includes an element that acts as a trap. Form boundaries.

【0069】すべての平行な五角形の管状構造を有する
これらの材料のすべてにおいて、われわれの研究による
と、他の結合の数よりも実質的に大きい数の管の多数の
連続の共有リン対リン結合は、電子およびホールのため
の一次の電気的伝導路を提供し、こうしてすぐれた半導
体の性質を提供することが示される。さらに、われわれ
の意見によると、供給物中にアルカリ金属が存在する
と、新規な形態のリン中に微量に存在するときでさえ、
この材料の生長は促進され、その形態は析出条件に依存
してKP15または単斜晶系のリンと同じ構造および電子
工学的性質を維持することが発見された。
In all of these materials with all parallel pentagonal tubular structures, our study shows that a large number of consecutive covalent phosphorus-to-phosphorus bonds in a number of tubes that is substantially greater than the number of other bonds. Have been shown to provide primary electrical conduction paths for electrons and holes, thus providing excellent semiconductor properties. Moreover, in our opinion, the presence of alkali metals in the feed, even when present in trace amounts in the novel form of phosphorus,
It was discovered that the growth of this material was accelerated and its morphology maintained the same structural and electronic properties as KP 15 or monoclinic phosphorus, depending on the precipitation conditions.

【0070】本発明の半導体構成員の群は、式MP
x (式中Mは1a族のアルカリ金属であり、そしてxは
リン対金属の原子比であり、xは少なくとも7である)
で表わされる高リンのホスファイド類からなる。最も適
当な1a族の金属元素は、Li,Na,K,Rbおよび
Csである、フランシウムも多分適当であるが、それは
まれでありMPx の既知の合成において含まれず、放射
性である。MがLi,Na,K,RbまたはCsを包含
する高リンのポリホスファイド類を形成し、試験した。
The group of semiconductor members of the present invention has the formula MP
x , where M is an alkali metal of Group 1a, and x is the atomic ratio of phosphorus to metal, and x is at least 7.
It consists of high phosphorus phosphides represented by. The most suitable metal elements of group 1a are Li, Na, K, Rb and Cs, although francium is probably also suitable, but it is rare and not included in the known synthesis of MP x and is radioactive. High phosphorus polyphosphides in which M included Li, Na, K, Rb or Cs were formed and tested.

【0071】現在定義した本発明のポリホスファイド化
合物は、アルカリ金属を含有しなくてはならない。新規
な形態のリンのあるものは、測定可能でない量の場合に
おいても、少量のアルカリ金属の存在下に形成されなく
てはならない。しかしながら、他の金属は少量で、たと
えば、ドーピング剤または不純物として存在しなくては
ならない。
The presently defined polyphosphide compounds of the present invention must contain an alkali metal. Some of the new forms of phosphorus must be formed in the presence of small amounts of alkali metal, even in unmeasurable amounts. However, other metals must be present in small amounts, eg as dopants or impurities.

【0072】KP15および、後に知ったように、新規な
形態のリンは、次のようにしてまず合成された。図1を
参照すると、2つの温度ゾーンの炉10は、好ましくは
鉄から構成された、外側スリーブ12からなる。外側ス
リーブ12は、アスベスト布からなることができる断熱
コーティング14で巻かれている。炉は発明者らの実験
室の工場で構成した。
KP 15 and, as we will see, a new form of phosphorus was first synthesized as follows. Referring to FIG. 1, the two temperature zone furnace 10 comprises an outer sleeve 12, preferably constructed of iron. The outer sleeve 12 is wrapped with a thermal barrier coating 14 which may be made of asbestos cloth. The furnace was constructed in our laboratory factory.

【0073】炉10内の反応成分36として約12のモ
ル比のP/Kを使用した。1つの実施例におけるよう
に、5.5gの赤リンと0.6gのカリウムを窒素のも
とに石英管32に入れた。入れる前に、リンをアセトン
で反復洗浄し、空気乾燥した。しかしながら、この洗浄
は、溶媒の選択と同様に、任意である。反応成分36を
供給した後、管32を、たとえば、10-4トルに排気
し、密閉し、次いで炉10に入れた。管32は炉内にわ
ずかに傾斜させて配置した。導体24および26に供給
する電力を調整して、加熱ゾーン28から加熱ゾーン3
0への温度勾配を、たとえば、650℃〜300℃にし
た。前述の炉10の傾斜を用いて、反光成分36がより
高い温度の加熱ゾーンに位置するようにした。
As the reaction component 36 in the furnace 10, P / K having a molar ratio of about 12 was used. As in one example, 5.5 g of red phosphorus and 0.6 g of potassium were placed in a quartz tube 32 under nitrogen. Prior to loading, phosphorus was repeatedly washed with acetone and air dried. However, this wash is optional, as is the choice of solvent. After feeding the reactants 36, the tube 32 was evacuated to, for example, 10 −4 Torr, sealed, and then placed in the furnace 10. The tube 32 was placed in the furnace at a slight tilt. The power supplied to the conductors 24 and 26 is adjusted so that the heating zone 28 to the heating zone 3
The temperature gradient to 0 was, for example, 650 ° C to 300 ° C. The tilt of the furnace 10 described above was used to position the light-reflecting component 36 in the higher temperature heating zone.

【0074】炉10をこれらの条件に十分な時間、たと
えば、ほぼ42時間維持した後、導体24および26へ
の電力を停止し、管32を冷却した。周囲温度に到達し
たとき、管32を窒素雰囲気のもとに切断して開き、管
32の内容物を取り出した。内容物をCS2 で洗浄して
自然性物質を除去し、ほぼ2.0gの安定な生成物が残
った。これによりほぼ33%の収率が得られた。
After maintaining the furnace 10 for a sufficient period of time under these conditions, for example approximately 42 hours, the power to the conductors 24 and 26 was shut off and the tube 32 was cooled. When ambient temperature was reached, tube 32 was cut open under a nitrogen atmosphere and the contents of tube 32 removed. The contents were washed with CS 2 to remove natural substances, leaving approximately 2.0 g of stable product. This gave a yield of approximately 33%.

【0075】この形の合成を用い、種々の相の得られた
生成物は図2に図解するように管32内のよく定められ
た位置において生ずる。黄かつ色フィルム42をもつ暗
い灰色ないし黒色の残留物40は典型的にはホットゾー
ン30の反応成分36が初め位置した一番端に生成し
た。管32に沿って温度が低下する方向に動くと、次に
多結晶質材料である黒色ないし紫色のフィルムの析出物
42が存在する。フィルムの析出物42の次に急な暗色
のリングのかたまりの結晶44が存在し、そして結晶4
4の直ぐ近くに透明なゾーンが存在し、ここにおいてホ
イスカー46が生長する。高度に反射性のコーティング
またはフィルムの析出物48は、コールドゾーン28の
初めにおける管32の下部に存在する。フィルム析出物
48より上に、濃い赤色のフィルム析出物50は、この
ゾーンにおいて維持される温度に依存して場合により生
ずる。析出物48および50は、反応成分および温度に
依存して、多結晶質材料、非結晶質材料またはそれらの
混合物である。コールドゾーン28の一番端に、非結晶
質材料である塊またはフィルムの析出物。
Using this form of synthesis, the resulting products of the various phases occur at well-defined locations within tube 32 as illustrated in FIG. A dark gray to black residue 40 with a yellow and colored film 42 typically formed at the extreme end of hot zone 30 where reaction component 36 was initially located. Moving along the tube 32 in the direction of decreasing temperature, a black or purple film deposit 42 of polycrystalline material is then present. Next to the film deposit 42, there is a sudden dark ring of crystals 44, and crystals 4
In the immediate vicinity of 4 is a transparent zone, in which whiskers 46 grow. A highly reflective coating or film deposit 48 is present at the bottom of tube 32 at the beginning of cold zone 28. Above the film deposit 48, a dark red film deposit 50 optionally occurs depending on the temperature maintained in this zone. The deposits 48 and 50 are polycrystalline materials, amorphous materials or mixtures thereof, depending on the reaction components and temperature. At the very end of the cold zone 28, a deposit of lumps or films of amorphous material.

【0076】図1および図2に示す反応管のホットゾー
ンからコールドゾーンに連続の温度勾配が存在するの
で、析出する材料の性質は実際には高い品質の結晶質ホ
イスカーから多結晶質ないし非結晶質に連続的に変化す
る。大きい面積の均一層の材料を析出させるように反応
を取り扱うために、図3に示す3つのゾーンの炉を構成
した。ここに具体化されるように、3つのゾーンの炉5
4は図1に示す炉10と本質的に同一であり、炉54は
外側の鉄のスリーブ56、管60および反応管58から
なる。簡素化を目的として、外側スリーブ56のアスベ
ストの外装と管58を図3から省略した。炉54は、管
58が管32に比べて非常に長く、好ましくは48cm程
度の長さであるということにおいて、炉10と区別され
る。さらに、炉54はその3つの明確な加熱ゾーン6
2,64および66を連合しており、これらのゾーンは
個々に制御してより定められた熱勾配を管60に沿って
つくることができる。管60および反応管58を加熱ゾ
ーンに向けて傾斜させて、反応成分36を適切な位置に
保持するような方法で、管60をアスベストブロック6
8および70により支持することができる。
Due to the presence of a continuous temperature gradient from the hot zone to the cold zone of the reaction tube shown in FIGS. 1 and 2, the nature of the material that precipitates is actually from a high quality crystalline whisker to polycrystalline or amorphous. The quality changes continuously. The three-zone furnace shown in FIG. 3 was configured to handle the reaction to deposit a large area of uniform layer material. As embodied here, a three zone furnace 5
4 is essentially the same as the furnace 10 shown in FIG. 1, and the furnace 54 consists of an outer iron sleeve 56, a tube 60 and a reaction tube 58. For the sake of simplicity, the asbestos exterior of outer sleeve 56 and tube 58 have been omitted from FIG. The furnace 54 is distinguished from the furnace 10 in that the tube 58 is much longer than the tube 32, preferably as long as 48 cm. Furthermore, the furnace 54 has its three distinct heating zones 6
2, 64 and 66 are associated and these zones can be individually controlled to create a more defined thermal gradient along tube 60. The tube 60 and the reaction tube 58 are tilted toward the heating zone to keep the reaction component 36 in place in such a way that the tube 60 is removed from the asbestos block 6.
It can be supported by 8 and 70.

【0077】KP15ホイスカーの非常にすぐれた品質の
製造は、加熱ゾーン62,64および66においてそれ
ぞれ550,475および400℃の温度固定点を用い
て得られた。また、炉10内で発生したかさのある析出
物は、炉54の内側スリーブ60内に装填し、上に示し
た温度勾配で再加熱すると、昇華して図2に図解するフ
ィルム48〜52の析出物に似たフィルム析出物の形成
するが、それは少なくとも400〜475℃の高いゾー
ン温度を用いたのみであることがわかった。
Very good quality manufacture of KP 15 whiskers was obtained using temperature fixed points of 550, 475 and 400 ° C. in heating zones 62, 64 and 66, respectively. In addition, the bulky deposits generated in the furnace 10 are sublimed when loaded into the inner sleeve 60 of the furnace 54 and reheated with the temperature gradient shown above to form films 48-52 illustrated in FIG. It was found that a film deposit was formed that resembled a deposit, but only with high zone temperatures of at least 400-475 ° C.

【0078】前述の方法に従って製造されたKR15結晶
についての単位セルの構造的情報は、単結晶のX線回折
データにより得られ、自動化された回折計を用いて集め
た。直径100ミクロンの繊維状単結晶を選び、ガラス
繊維に取り付けた。その構造を、合計2,544の独立
の反射を用いて直接的方法により決定した。電子図およ
び示差フーリエ合成により、すべての原子を探索した。
The unit cell structural information for the KR 15 crystals produced according to the method described above was obtained by single crystal X-ray diffraction data and collected using an automated diffractometer. A fibrous single crystal with a diameter of 100 microns was selected and attached to glass fiber. The structure was determined by a direct method with a total of 2,544 independent reflections. All atoms were searched by electron diagram and differential Fourier synthesis.

【0079】典型的な針状結晶を、高い倍率の走査電子
顕微鏡(SEM)により検査した。針状結晶の断面の得
られたSEN写真は、針状結晶が中空の管よりはむしろ
密なフィブリルから明らかに構成されていることを示し
た。ホイスカーの結晶の著しい双晶も、図7および図8
におけるKP15の顕微鏡写真について認められる。ホイ
スカー型結晶の一次フィブリルの直径は、ほぼ0.1〜
0.2ミクロンであると推定される。大きいフィブリル
は、ほぼ500オングストロームの厚さの平行な薄板か
ら成る微細構造をもつように思われる。
Typical needle crystals were examined by high magnification scanning electron microscopy (SEM). The resulting SEN picture of the cross section of the needle-like crystals showed that the needle-like crystals were clearly composed of dense fibrils rather than hollow tubes. Significant twins of whiskers crystals are also shown in FIGS. 7 and 8.
Is observed for the micrograph of KP 15 in. The diameter of the primary fibrils of whiskers is approximately 0.1 to
It is estimated to be 0.2 microns. Large fibrils appear to have microstructures consisting of parallel lamellas approximately 500 angstroms thick.

【0080】初期の結晶の精製の研究から、研究したカ
リウムホスファイド化合物の化学量論はKP15であると
思われる。この化合物のリン原子の骨組は、五角形の断
面をもつ同一単位の管から形成されている。管は針状結
晶の軸方向に沿って一次元である。リンの管は互いに平
行である。最も簡単な説明において、分離されたリンの
管の二重層はカリウム原子の層により接続されている。
原子間距離によって判断されるように、K原子は少なく
とも部分的にイオン的にP原子へ結合している。ホイス
カーの断面は、図5に示されている。
From the initial crystal purification studies, the stoichiometry of the potassium phosphide compound studied appears to be KP 15 . The phosphorus atom skeleton of this compound is formed from identical unit tubes with a pentagonal cross section. The tube is one-dimensional along the axial direction of the needle crystal. The phosphorus tubes are parallel to each other. In the simplest description, the separated phosphorous tube bilayers are connected by a layer of potassium atoms.
The K atom is at least partially ionically bound to the P atom, as judged by the interatomic distance. The cross section of the whiskers is shown in FIG.

【0081】より詳しくは、各カリウム部位は図4に示
すような構造をもつ15個の連続するリン原子の剛性単
位と会合している。この剛性単位において、1つを除い
たすべてのリン原子は3つの他のリン原子へ結合してい
る。他のリン原子は、図5に示すように、つながってお
り、欠けている結合はカリウム原子へ結合している。こ
うして、カリウム原子は欠けているP−P架橋を介して
管状リン単位を結合しているように思われる。研究した
構造において、カリウムはそれぞれ3.6A,2.99
Aおよび2.76Aの距離で最も近く隣り合うものとし
てリン原子を有する。P−Pの距離は2.13A〜2.
58Aである。リンの鎖における結合角度は、87°〜
113°であり、平均102°である。
More specifically, each potassium site is associated with a rigid unit of 15 consecutive phosphorus atoms having the structure shown in FIG. In this stiffness unit, all but one phosphorus atom is bonded to three other phosphorus atoms. The other phosphorus atoms are connected as shown in FIG. 5, and the missing bond is bonded to the potassium atom. Thus, the potassium atom appears to attach the tubular phosphorus unit through the missing PP bridge. In the structures studied, potassium was 3.6A and 2.99, respectively.
It has a phosphorus atom as the closest neighbors at a distance of A and 2.76A. The distance of P-P is 2.13A-2.
58A. The bond angle in the phosphorus chain is from 87 ° to
The angle is 113 °, and the average is 102 °.

【0082】ヒ素は98°の平均角度の層状構造を形成
し、これは有用な半導体であることは知られていない。
黒リンは同様の構造および96°の平均の結合角度を有
する。87°〜113°の範囲内および平均98°以上
で3つの結合を形成できる3価の原子は、MPx と同し
鎖状構造を形成することができる。結合が共有であると
き、材料はMPx と同じ電子工学的性質をもつことを期
待できる。
Arsenic forms a layered structure with an average angle of 98 °, which is not known to be a useful semiconductor.
Black phosphorus has a similar structure and an average bond angle of 96 °. Trivalent atoms capable of forming three bonds within the range of 87 ° to 113 ° and at an average of 98 ° or more can form a chain structure like MP x . When the bond is covalent, the material can be expected to have the same electronic properties as MP x .

【0083】結晶KP15について得られた結晶格子のパ
ラメーターと原子の位置を、表Iに記載する。
The crystal lattice parameters and atomic positions obtained for crystalline KP 15 are listed in Table I.

【0084】[0084]

【表1】 [Table 1]

【0085】空間グループP1 上の構造的立体配置において最高の達成しうる対称は、
KP15により与えられた化学量論をもつ中心対称P1
間である。銅照明によるKP15多結晶質材料についての
対応するX線粉末回折データを、図9に示す。これは、
対応するX線濃度をもつd間隔を示す。
The highest achievable symmetry in structural configuration on the space group P 1 is
It is a centrosymmetric P 1 space with stoichiometry given by KP 15 . The corresponding X-ray powder diffraction data for KP 15 polycrystalline material with copper illumination is shown in FIG. this is,
The d intervals with corresponding X-ray densities are shown.

【0086】同様なX線粉末回折データは、ホイスカー
および結晶のMP15(ここでM=Li,Na,K,Rb
およびCs)について観測された。すべてのこれらの同
型構造の化合物において、構造的骨組は平行な五角形の
リンの管から形成されていると見ることができる。これ
らの管はP−M−P架橋によた結合されている。
Similar X-ray powder diffraction data were obtained for whiskers and crystals of MP 15 (where M = Li, Na, K, Rb).
And Cs). In all these isomorphic compounds, the structural scaffold can be seen as being formed from parallel pentagonal phosphorus tubes. These tubes are joined by P-M-P bridges.

【0087】この型の構造についての剛性単位は、P4
およびMP3 である。原子の骨組についての構成ブロッ
クは、〔P4 −MP3 〕または〔MP7 〕と見ることが
できる。したがって、 〔MP7 〕+2〔P4 〕→〔P4 −MP7 −P4 〕 であり、これは基本構造MP15を表わす。
The stiffness unit for this type of construction is P 4
And it is an MP 3. Building blocks for framework atoms may be viewed as [P 4 -MP 3] or [MP 7]. Therefore, a [MP 7] +2 [P 4] → [P 4 -MP 7 -P 4], which represents the basic structure MP 15.

【0088】もちろん、このような化合物における構成
ブロックの1つは、他よりも非常に大量に存在すること
ができる。たとえば、MPx の場合において、〔M
7 〕および〔P8 〕の構成ブロックが存在することが
でき、これらはそれぞれa対bの比で存在することがで
きる。このような場合において、MPx は〔MP7 a
〔P8 b の形で表わすことができ、ここで数学的には
x=(7a+8b)/(a)である。
Of course, one of the building blocks in such a compound can be present in a much larger amount than the other. For example, in the case of MP x , [M
There may be P 7 ] and [P 8 ] building blocks, each of which may be present in a to b ratio. In such a case, MP x is [MP 7 ] a
It can be represented in the form of [P 8 ] b , where mathematically x = (7a + 8b) / (a).

【0089】化合物はaより非常に大きいbをもつこ
と、そして同じ基本的構造の骨組をもつこともできる。
この型のポリマー様管状構造は、型MPx (ここでxは
15より非常に大きい)の「繊維」またはホイスカーを
生ずるであろう。型MPx (ここでMはLi,Na,
K,RbまたはCsであり、そしてxは1000より大
きい)のホイスカーおよび多結晶質「繊維」は、蒸気移
送技術を用いて低い温度(約400℃)において結晶化
することが観察された。これらの材料のX線粉末回折デ
ータは、実質的に同一である。銅の照明のもとのKPx
(ここでxは15より非常に大きい)についてのデータ
を、図10に示す。
The compounds can have b much larger than a and can also have the same basic structural framework.
This type of polymer-like tubular structure will result in "fibers" or whiskers of type MP x, where x is much greater than 15. Type MP x (where M is Li, Na,
Whiskers and polycrystalline "fibers" (K, Rb or Cs, and x is greater than 1000) were observed to crystallize at low temperatures (about 400 ° C) using vapor transfer techniques. The X-ray powder diffraction data for these materials are virtually identical. KP x under copper lighting
The data for (where x is much larger than 15) is shown in FIG.

【0090】前述の構造を五角形の断面のリンの管に基
づく他の構造と、比較することができる。KP15化合物
はLiP15,NaP15,RbP15,およびCsP15と同
型構造である。他のアルカリ金属は、Kと同じ役割をす
るように思われる。構造のデータから、五角形の断面の
管の構成ブロックに基づくであろう多数の化合物を形成
できると、われわれは結論した。また、リン材料におい
て、少なくとも部分的に、リン原子は他のプニクチド
(pnictide)類、たとえば、As,Biまたは
Sbと置換されうることを発見した。50%以下の置換
は、高リンのポリホスファイド類の基本構造に悪影響を
及ぼさないで、可能である。
The structure described above can be compared with other structures based on phosphorus tubes of pentagonal cross section. The KP 15 compound has the same isomorphic structure as LiP 15 , NaP 15 , RbP 15 , and CsP 15 . Other alkali metals appear to play the same role as K. From the structural data, we conclude that a large number of compounds could be formed which would be based on the building blocks of tubes of pentagonal cross section. It has also been discovered that in phosphorus materials, at least in part, the phosphorus atom can be replaced with other pnictides, such as As, Bi or Sb. Substitutions up to 50% are possible without adversely affecting the basic structure of the high phosphorus polyphosphides.

【0091】XRD粉末回折指絞分析により示されるよ
うに結晶質KP15と同じ構造をもつことがわかった。合
成した種々のMPx 化合物を表IIに示す。
It was found to have the same structure as crystalline KP 15 as shown by XRD powder diffraction finger analysis. The various MP x compounds synthesized are shown in Table II.

【0092】[0092]

【表2】 [Table 2]

【0093】前述のように、図1、図2および図3の装
置で製造された結晶質ホイスカーはMP15であること
が、初めにわかった。しかしながら、多結晶質および非
結晶質の材料についての分析は、これらの材料がMP15
と同じ半導性質を有することを示すが、MP200 〜MP
10,000の広く変化する化学量論的比率を有し、そして驚
ろくべきことには、図3に図解する3つのゾーンの炉に
おける温度の取扱いは非結晶質の形態のMP15を生成す
るであろう。したがって、これらの材料を製造する方法
を大きく洗練すること、そして多結晶質および非結晶質
のMP15材料を有効に製造するために、新規な2つの源
の蒸気移送装置を発明することが必要である。現在新規
な形態のリンと考えられる非常に大きいxの材料も、初
めMP15を析出させ、その後アルカリ金属源をカットし
て、リンの析出にリンの蒸気のみが存在するようにする
ことによる、この方法によって製造された。さらに、M
x (ここでxは7〜15である)材料のモル供給を研
究する凝縮相の方法を広範に研究した。この方法におい
て、化学量論的混合物を等温的に加熱して反応させ、次
いで冷却した。この方法において結晶質または多結晶質
の粉末である、広範な種類のMPx 材料を製造した。
As mentioned above, it was initially found that the crystalline whiskers produced with the apparatus of FIGS. 1, 2 and 3 were MP 15 . However, analyzes for polycrystalline and amorphous materials show that these materials have MP 15
It shows that it has the same semiconducting property as that of MP 200 to MP
It has a widely varying stoichiometric ratio of 10,000 and, surprisingly, the treatment of temperature in the three zone furnace illustrated in FIG. 3 produces MP 15 in an amorphous form. Let's Therefore, it is necessary to greatly refine the methods of producing these materials and to invent a novel two-source vapor transfer device in order to effectively produce polycrystalline and amorphous MP 15 materials. Is. Very large x materials currently considered phosphorus novel forms also precipitate a first MP 15, followed by cutting the alkali metal source, due to that only phosphorus vapor deposition of phosphorus is present, Manufactured by this method. Furthermore, M
The condensed phase method of studying the molar feed of P x (where x is 7-15) materials has been extensively studied. In this method, the stoichiometric mixture was heated isothermally to react and then cooled. A wide variety of MP x materials were produced in this way, which were crystalline or polycrystalline powders.

【0094】高リン材料を合成するために使用した方
法、電子光学的特性の測定法、および前記材料の有用な
半導体であることの証明法を、以下において説明する。蒸気移送技術による単一源からの安定な高リン材料の製
概論 十分なエネルギーを適当な温度において系へ加えて蒸気
種を発生させ、この蒸気を凝縮または析出させて生成物
を生成させる技術は、「蒸気移送」と呼ばれる。以下の
考察において、源の材料を密に接触させて保持しかつ一
緒にほぼ同じ温度に加熱する場合、「単一源」の技術と
いう表現をさらに適用する。
The methods used to synthesize the high phosphorus materials, the methods of measuring the electro-optical properties, and the proof that they are useful semiconductors are described below. Production of stable high phosphorus materials from a single source by vapor transfer technology
Adding granulated Introduction sufficient energy into the system at a suitable temperature to generate vapor species, techniques to produce the product by condensation or precipitation of this steam is referred to as "vapor transport". In the following discussion, the expression "single source" technique is further applied when the source materials are held in intimate contact and heated together to about the same temperature.

【0095】フォン.シュネリング(von Schn
ering)が記載する形態学は本質的に単一源の蒸気
移送技術であったが、供給物は時にはほぼ同じ温度に加
熱された金属とリンの別のアンプルから成っていた。し
かしながら、蒸気種の析出ゾーンへの流れは、金属とリ
ンを最初に混合するときと効果的に同じであった。さら
に詳しくは、単一源の蒸気移送において、蒸気種をまず
高温において一緒にし、次いで低温において析出させ
る。
Phon. Schnelling (von Schn
The morphology described by Ering) was essentially a single source vapor transfer technique, but the feed sometimes consisted of separate ampoules of metal and phosphorus heated to about the same temperature. However, the flow of vapor species into the deposition zone was effectively the same as when the metal and phosphorus were first mixed. More specifically, in a single source vapor transfer, the vapor species are first combined at high temperature and then precipitated at low temperature.

【0096】アルカリ金属ポリホスファイド類の製造に
適用したわれわれが開発した技術とそれとフォン.シュ
ネリングの方法との差異を下に説明する。この開発され
た技術は、型KP15の結晶質金属ポリホスファイド類;
型KPx (ここでxは15より非常に大きい)で表わさ
れる、アルカリ金属含量の低いポリホスファイド類、多
結晶質材料;およびアルカリ金属含量が50ppm より低
くあることができる、新規な形態の非結晶質リンを、よ
り選択的に効果的に製造する。
The technique developed by us applied to the production of alkali metal polyphosphides and von. The difference from the method of schnelling is explained below. This developed technology is based on crystalline metal polyphosphides of type KP 15 ;
Low alkali metal content polyphosphides, polycrystalline materials of the type KP x (where x is much greater than 15); Amorphous phosphorus is produced more selectively and effectively.

【0097】本発明はいくつかのカテゴリー:供給物の
型、供給比、管の長さおよび形状寸法、および温度勾配
のプロフィルを包含する。われわれが発見した温度依存
性の生成物の析出の関係および所望生成物を選択的に生
成する改良された温度の制御法を以下の実施例において
説明する。一般的方法 アルカリ金属と赤リンを石英管内に減圧(約10-4
ル)において密閉する。2種の元素の原子比はP/M=
5/1〜30/1であり、ほとんどの普通の供給物につ
いて15〜1の範囲である。元素は一般に一緒にボール
ミリングした後、石英管へ装填する。ミリングはステン
レス鋼製の球とミルを用いて、少なくとも40時間実施
する。ミルは通常ミリングの間100℃に加熱して、金
属の赤リン粉末中の分散を促進する。
The present invention covers several categories: feed type, feed ratio, tube length and geometry, and temperature gradient profile. The temperature-dependent product precipitation relationships we have discovered and improved temperature control methods for selectively producing the desired product are illustrated in the following examples. General Method Alkali metal and red phosphorus are sealed in a quartz tube at reduced pressure (about 10 −4 Torr). The atomic ratio of the two elements is P / M =
5/1 to 30/1, with a range of 15 to 1 for most common feeds. The elements are generally ball milled together and then loaded into a quartz tube. Milling is carried out for at least 40 hours using stainless steel balls and mills. The mill is usually heated to 100 ° C. during milling to help disperse the metal in the red phosphorus powder.

【0098】ミリングはできるだけ均質な方法で2種の
元素を緊密に接触させる。ミリングの生成物は一般に微
細な粉末であり、乾燥箱内で取り扱いやすく、認められ
うる劣化を起こさないで貯蔵することができる。粉末
は、その成分、ことにアルカリ金属の安定性に比べて、
空気と湿気に暴露したとき、著しく安定である。たとえ
ば、粉末に水を直接加えても、不規則的にかつ小規模で
材料は燃焼するにすぎない。
Milling brings the two elements into intimate contact in a manner that is as homogeneous as possible. The product of milling is generally a finely divided powder that is easy to handle in a dry box and can be stored without appreciable deterioration. Compared to the stability of the ingredients, especially the alkali metals, the powder
Remarkably stable when exposed to air and humidity. For example, adding water directly to the powder will only burn the material irregularly and on a small scale.

【0099】MP15の単結晶、多結晶および非結晶の材
料の製造 元素(アルカリ金属と赤リン)の混合物を石英間58
(図3)、長さ約50cm×直径2.5cm、内に減圧(1
-4トルより小)において密閉する。管58をリンドバ
ーグ(Lindberg)24357型の3つのゾーン
の炉の加熱室の内側に2つの方法の1つにおいて支持す
る。1つの方法は第2石英管60を支持片として使用
し、この石英管は室内に加熱要素から離して、アスベス
トブロック68および70により保持し、これにより結
合した管が傾斜して配置され、反応成分が最も熱いゾー
ンにとどまるようにする。他の方法(図14)は織った
テープ136の支持構成物を使用する方法であって、こ
のテープは反応管を拡がるらせんで巻き、幅が1インチ
(2.54cm)であり、加熱室の円形断面を充填する。
この織ったテープは種々の材料:アスベスト、ファイバ
ー フラックス(Fiberfrax)(カーボランダム
・カンパニー製)または織製ガラスから作ることができ
る。後者は主として安全性および性能の規準から好まし
い。2つの異なる方法を用いる意味を以下において説明
する。
Single Crystal, Polycrystalline and Amorphous Material of MP 15
A mixture of the manufacturing elements (alkali metal and red phosphorus) between quartz
(Fig. 3), length approx. 50 cm x diameter 2.5 cm, decompressing inside (1
Seal at < 0-4 Torr). Tube 58 is supported inside the heating chamber of a Lindberg model 24357 three zone furnace in one of two ways. One method uses a second quartz tube 60 as a support piece, which is held in the chamber away from the heating element and held by asbestos blocks 68 and 70, which causes the joined tubes to be placed at an angle and to react. Allow ingredients to stay in the hottest zone. Another method (FIG. 14) is to use a woven tape 136 support construction, which is a 1 inch (2.54 cm) wide strip of the reaction tube, wrapped around the reaction tube. Fill a circular cross section.
The woven tape can be made from various materials: asbestos, Fiberfrax (from Carborundum Company) or woven glass. The latter is preferred primarily due to safety and performance criteria. The implications of using two different methods are described below.

【0100】反応成分は、炉の抵抗要素を経てエネルギ
ーを系に供給することによって、推進させて生成物にす
る。十分に高い温度を反応成分に加え、その間管の他の
部分を適当に低い温度に保持すると、生成物は蒸気種か
ら析出または凝縮する。このいわゆる「蒸気移送」の合
成を推進する温度差は、3つのゾーンの炉において、個
々に制御された加熱要素について異なる設定点の温度を
選択することにより達成される。
The reaction components are propelled into products by supplying energy to the system via the resistance element of the furnace. When a sufficiently high temperature is applied to the reaction components while the other parts of the tube are held at a suitably low temperature, the product precipitates or condenses from the vapor species. The temperature difference that drives this so-called "vapor transfer" synthesis is achieved in three zone furnaces by selecting different set point temperatures for the individually controlled heating elements.

【0101】方法1。図3参照。反応成分を含有する5
0cmの管を、長さ61cmの加熱室の第2石英管により保
持する。3の設定点の取り扱いによる熱勾配を用いる
と、一般に直線で低下する勾配が生ずる。すなわち、勾
配の傾斜ΔT/d(ここでTは温度であり、そしてdは
室に沿った長さである)は、2つの外側の加熱要素の中
心の間でほぼ一定である。管の長さ寸法にわたって適用
されたこの直線の勾配は、反応において形成した種々の
生成物の材料を明確に分離する機能をする。生成物は析
出の低下する温度の特性パターン:暗い紫色ないし黒色
の多結晶質フィルム;かたまりの結晶のリング;「単」
結晶またはホイスカー;小さい結晶の、多結晶の形態の
赤色フィルム;および、最も冷たい温度における、暗い
灰色の非結晶質材料において起こる。
Method 1. See FIG. Contains reaction components 5
The 0 cm tube is held by a second quartz tube in a 61 cm long heating chamber. Using a thermal gradient with a set point treatment of 3 generally results in a linearly decreasing gradient. That is, the slope of the gradient ΔT / d, where T is the temperature and d is the length along the chamber, is approximately constant between the centers of the two outer heating elements. This linear gradient applied across the length of the tube serves to clearly separate the various product materials formed in the reaction. The product has a characteristic pattern of reduced precipitation temperature: dark purple to black polycrystalline film; a ring of lumps of crystals; "single"
It occurs in crystals or whiskers; red films in the form of small crystals, polycrystalline; and dark gray amorphous materials at the coldest temperatures.

【0102】−系列に実験において、非結晶質材料は、
最も冷たい温度が約375℃より高い場合、これらの密
閉した管において形成するであろうことが示された。同
様に、赤色の多結晶質材料の発生は、最低温度を450
℃以上に保持することにより大きく減少するであろう。
また、多結晶質MP15は単一源の装置において形成しな
いであろうことがわかった。形成した多結晶質および非
結晶質の材料は、xが15より非常に大きい、すべて大
きいxの材料である。
In a series of experiments, the amorphous material is
It has been shown that if the coldest temperature is above about 375 ° C, it will form in these sealed tubes. Similarly, the generation of red polycrystalline material causes a minimum temperature of 450
It will be greatly reduced by keeping above ℃.
It was also found that polycrystalline MP 15 would not form in a single source device. The polycrystalline and amorphous materials formed are all large x materials with x much greater than 15.

【0103】方法2。織製テープのホルダーは反応管を
配置させるばかりでなく、また3つの加熱ゾーンの間の
熱移動に対する効果的なバリヤーとしての役目をする。
これらのバリヤーはゾーン間の急激な温度低下を生じさ
せるが、中心のゾーン内では平坦な勾配を与える。その
結果、温度プロフィルは段階的であり、そのため析出温
度を適当な範囲にすることにより生成物を選択的に製造
することができる。
Method 2. The woven tape holder not only positions the reaction tubes, but also serves as an effective barrier to heat transfer between the three heating zones.
These barriers cause a sharp temperature drop between zones but give a flat gradient in the central zone. As a result, the temperature profile is gradual, so that the product can be selectively produced by adjusting the precipitation temperature to an appropriate range.

【0104】A.生成物の析出温度の決定 KP15の単結晶(ホイスカー)を製造するフォン・シュ
ネリングの報告において、20cmなどの石英管内で「6
00/200℃」の「温度勾配」において、元素−カリ
ウムおよび赤リン−を加熱した。さらに、結晶は「30
0〜320℃」において形成すると彼は述べている。用
いた炉は明らかに単一要素の炉であり、この炉において
勾配は炉から突き出る管の一端からの熱損失により生じ
た。
A. Determining the precipitation temperature of the product In the report of von Schnelling, which produces KP 15 single crystals (whiskers), "6
The elements-potassium and red phosphorus-were heated in a "temperature gradient" of "00/200 ° C". Furthermore, the crystal is "30
He states that it forms at 0-320 ° C. The furnace used was clearly a single element furnace in which the gradient was caused by heat loss from one end of the tube protruding from the furnace.

【0105】この手順の第1の改良において図3に示す
ような、独立に制御された加熱要素と長さ61cmの加熱
室をもつ3つのゾーンの炉(リンドバーグ54357型
の3つのゾーンの炉)を使用して、勾配を適用し、かつ
制御した。第2の開口した石英管内に長さほぼ52に延
びる反応管を支持し、第2の石英管をアスベストブロッ
クで支持することにより、一般に直線の温度勾配ΔT/
dは、2つの外側加熱要素の中心の間で、ほぼ一定であ
った。これらの要素への電力は、リンドバーグ5974
4−A型コントロール・コンソール(Control
Console)により制御し、このコンソールは3つ
の独立のSCR−比例式バンド・コントローラーを使用
して、手動で設定した親指ホイール上に選択された温度
を維持した。
In a first refinement of this procedure, a three-zone furnace with independently controlled heating elements and a heating chamber 61 cm in length (Lindburgh 54357 three-zone furnace), as shown in FIG. Was used to apply and control the gradient. By supporting a reaction tube extending to a length of approximately 52 in the second open quartz tube and supporting the second quartz tube with an asbestos block, a generally linear temperature gradient ΔT /
d was almost constant between the centers of the two outer heating elements. The power to these elements comes from Lindberg 5974.
4-A type control console (Control
Controlled by the Console), this console used three independent SCR-proportional band controllers to maintain the selected temperature on a manually set thumb wheel.

【0106】反応管の長さ寸法にわたって適用された直
線的に低下する勾配は、反応において形成する種々の生
成物材料を明確に分離する役目をした。生成物は析出の
低下する温度の特性パターン:暗い紫ないし黒色の多結
晶質フィルム;かたまりの結晶のリング;単結晶または
「ホイスカー」;小さい結晶の、多結晶質の形態の赤色
フィルム;および、最も冷たい温度における、暗い灰色
の非結晶質材料において生ずる。
The linearly decreasing gradient applied over the length of the reaction tube served to clearly separate the various product materials that formed in the reaction. The product has a reduced temperature characteristic pattern of precipitation: a dark purple to black polycrystalline film; a ring of lumps of crystals; a single crystal or "whisker"; a small film of a red film in the polycrystalline form; and It occurs in dark gray amorphous materials at the coldest temperatures.

【0107】実施例1 図3に示すように、61cmの合成の加熱室長さについ
て、長さ15.3cm、30.6cmおよび15.3cmの分
離した円筒形部分において耐火材中に埋め込まれた加熱
要素からなる、リンドバーグ54357型の3つのゾー
ンの炉を、この実施例において使用した。室の直径は8
cmであった。制御用熱電対(図示せず)を、長さ61cm
に沿ってほぼ7.0、30.5および53.5cmのとこ
ろに配置した。
Example 1 As shown in FIG. 3, for a synthetic heating chamber length of 61 cm, heating embedded in refractory material in separate cylindrical sections of lengths 15.3 cm, 30.6 cm and 15.3 cm. A component, Lindberg Model 54357, three zone furnace was used in this example. The chamber diameter is 8
It was cm. Control thermocouple (not shown), length 61cm
And were located at approximately 7.0, 30.5 and 53.5 cm along.

【0108】加熱室の端にガラスウールで栓をして、炉
からの熱損失を最小にした。長さ60cm×直径4.5の
石英管を、加熱室内にアスベストブロックにより、わず
かの角度をもたせて保持した。石英反応管は丸底であ
り、長さ49cm×直径2.5cmであり、細い添加の管、
長さ10cm×直径1.0cmに直径が減少していた。乾燥
窒素の雰囲気のもとに、6.51gの赤リンと0.62
gのカリウムを管に入れた。リン対金属の原子対原子の
比は、13.3対1であった。リンは試薬級であった
(J.T.Baker)。管を10-4トルに排気し、全
長が51.5cmになるように管の太い部分から数cmのと
ころで添加管を溶融することによって密閉した。密閉管
を3つのゾーンの炉に前述のように配置し、3つのゾー
ンの設定点温度を5時間かけて650℃、450℃およ
び300℃にし、そこにさらに164時間保持した。電
力を切り、炉を周囲温度に炉の固有の冷却速度で冷却さ
せた。管を乾燥窒素の雰囲気のもとにグローブバック内
で切断して開いた。生成物は結晶質、多結晶質および多
結晶質の形態から成っていた。
The ends of the heating chamber were stoppered with glass wool to minimize heat loss from the furnace. A quartz tube having a length of 60 cm and a diameter of 4.5 was held in the heating chamber with an asbestos block at a slight angle. The quartz reaction tube has a round bottom and is 49 cm in length and 2.5 cm in diameter.
The diameter was reduced to 10 cm in length and 1.0 cm in diameter. 6.51g of red phosphorus and 0.62g under an atmosphere of dry nitrogen
g potassium was placed in a tube. The phosphorus to metal atom-to-atom ratio was 13.3 to 1. Phosphorus was reagent grade (JT Baker). The tube was evacuated to 10 -4 Torr and sealed by melting the addition tube a few cm from the thick part of the tube so that the total length was 51.5 cm. The sealed tube was placed in a three zone furnace as described above and the three zone set point temperatures were 650 ° C, 450 ° C and 300 ° C over 5 hours and held there for a further 164 hours. The power was turned off and the furnace was allowed to cool to ambient temperature at the furnace's own cooling rate. The tube was cut open in a glove bag under an atmosphere of dry nitrogen. The product consisted of crystalline, polycrystalline and polycrystalline forms.

【0109】表III に、いくつかの他の実験において使
用した異なる処理パラメーターを、各実験において観察
された生成物の型と一緒に記載する。切断して開く前
に、最初の3回の実験からの管をいくつかの生成物の管
に沿った位置に関して検査した:かたまりの微結晶の暗
色のリング、および赤色の多結晶質フィルムの開始。ホ
イスカーはこれらの2つの点の間で常に観察された。こ
れらの位置は、記載した設定点によりつくられた勾配に
沿った温度に対して、後に関係づけた。これらのデータ
を表IVに記載する。
Table III lists the different process parameters used in some other experiments, along with the type of product observed in each experiment. Prior to cutting and opening, the tubes from the first three experiments were inspected for some product along the tube location: dark ring of lumps of crystallites, and initiation of a red polycrystalline film. . Whiskers were always observed between these two points. These positions were later related to the temperature along the gradient created by the set points described. These data are listed in Table IV.

【0110】[0110]

【表3】 [Table 3]

【0111】[0111]

【表4】 [Table 4]

【0112】これらの2つの表からの情報を用いて、温
度と生成物の型との間の関係を確立した。KP15の単結
晶は約40±10℃の温度範囲にわたって形成するよう
に思われ、その範囲の中心は実験ごとに変化するが、約
465〜475℃である。同様に、赤色の多結晶質材料
の析出の開始は、約450±10℃であるように思われ
る。最後に最近の温度が350℃付近であるときにさ
え、非結晶質材料は析出した。この温度を400℃に上
げると、非結晶質材料は観察されなかった。(この温度
を用いる実験は、生成物を実際に収穫できる前に、反応
管が破壊したために究極的に終了したが、非結晶質材料
についてのこの温度−生成物の関係はより進歩した技術
を用いる後の実験において証明された)。中央の範囲の
値を仮定したとき、非結晶質材料の析出についての上限
は約375℃を用いた。加熱された管内の圧力は測定し
なかった。
The information from these two tables was used to establish the relationship between temperature and product type. Single crystals of KP 15 appear to form over a temperature range of about 40 ± 10 ° C., the center of that range varying from experiment to experiment, but at about 465-475 ° C. Similarly, the onset of precipitation of the red polycrystalline material appears to be about 450 ± 10 ° C. Finally, the amorphous material precipitated even when the recent temperatures were around 350 ° C. When the temperature was raised to 400 ° C, no amorphous material was observed. (Experiments using this temperature were ultimately terminated because the reaction tube broke before the product could actually be harvested, but this temperature-product relationship for amorphous materials suggests a more advanced technique. Proved in later experiments). An upper limit for precipitation of amorphous material of about 375 ° C. was used, assuming values in the middle range. The pressure in the heated tube was not measured.

【0113】B.単結晶(ホイスカー)の生長に好適な
温度勾配 表III およびIVの析出温度の形態学の関係についての知
識を用いて、生成物の型の選択性を大きくすることがで
きる合成技術の改良を探求した。管表面の面積を大きく
する炉における温度のプロフィルが所望の生成物のため
に適当な温度範囲内にあるようにする、方法を研究し
た。熱伝導度が低くかつ取り扱い容易な形態のいくつか
の入手可能な材料を、炉内の熱移動に対するバリヤーと
して使用するために検査した。アスベストの織製テープ
は、反応管を支持しかつ複雑な勾配をつくるために適当
な製品であることが明らかにされた。この勾配は急激な
低下または勾配の区域(バリヤーを横切る)により分離
された平坦な、あるいは等温の温度の区域から成る。こ
れらのいわゆる「段階様」プロフィルを引き続く実施例
のすべてにおいて適用し、特定の生成物を最高の収率で
得ようとした。
B. Suitable for growing single crystals (whiskers)
Knowledge of the morphology relationships of precipitation temperatures in Tables III and IV of temperature gradients was used to explore improvements in synthetic techniques that could increase product type selectivity. A method was studied to ensure that the temperature profile in the furnace increasing the area of the tube surface was within the appropriate temperature range for the desired product. Several available materials with low thermal conductivity and easy to handle form were examined for use as barriers to heat transfer in the furnace. Woven asbestos tape has been shown to be a suitable product for supporting reaction tubes and creating complex gradients. This gradient consists of flat or isothermal temperature zones separated by a steep drop or gradient zone (across the barrier). These so-called "step-like" profiles were applied in all subsequent examples in an attempt to obtain the specific product in the highest yield.

【0114】実験ごとにより再現性の温度プロフィルを
得ることを促進する他の改良は、加熱室の壁のギャップ
をより固体のセラミック型材料で充填することであっ
た。初期の実験において、端にガラスウールの栓をし、
これにより熱損失は抑制されたが、非常に効率的である
というわけではなかった。大きい円筒形のギャップが室
壁中に存在した。なぜなら、炉は実際にその長さに沿っ
て処理管を保持し、これらの方法において実施されてい
るように、閉じた系よりはむしろ貫流させる用途のため
に、設計されているからである。
Another improvement that facilitated obtaining a reproducible temperature profile from experiment to experiment was to fill the gaps in the walls of the heating chamber with a more solid ceramic type material. In an early experiment, put a glass wool plug on the end,
This suppressed heat loss, but was not very efficient. There was a large cylindrical gap in the chamber wall. Because the furnace actually holds the process tube along its length and is designed for flow-through applications rather than closed systems, as is practiced in these methods.

【0115】より高い収率で(生成物の形成百分率およ
び絶対収量の両者において)かつよりサイズの大きい単
結晶の生長を促進させる具体例を、次の実施例で説明す
る。これらの結果は、事実達成された。実施例II 設計と大きさが実施例1のものと同一であるリンドバー
グ54357型の3つのゾーンの炉を、この実施例にお
いても使用した。要素を同様の同じ手動的にセットした
59744−A型コントロール・コンソールにより推進
させた。加熱室の端に耐熱性セラミック様材料で栓をし
て炉からの熱損失を最小とした。反応管は加熱室内にお
いてアスベストの織製テープの2つのリングで支持し
た。これらの一方は16〜19cmの間に位置させ、他方
は室に沿って42〜45cmの間に位置させた。これによ
り2つのリングは、中央の要素の接合部と2つの外側の
区画の接合部のすぐ近くに、中央の加熱区画の内側に完
全に配置された。リングは管がわずかの角度をもって保
持されるように構成した。リングは熱移動に対するバリ
ヤーとして作用することにより、互いに加熱ゾーンを断
熱する役目をした。
A specific example of promoting the growth of larger single crystals at higher yields (in both percent product formation and absolute yield) is illustrated in the following examples. These results were in fact achieved. Example II A Lindberg Model 54357 three-zone furnace identical in design and size to that of Example 1 was also used in this example. The elements were propelled by a similar, manually set 594744-A control console. The end of the heating chamber was plugged with a refractory ceramic-like material to minimize heat loss from the furnace. The reaction tube was supported in the heating chamber by two rings of woven asbestos tape. One of these was located between 16 and 19 cm and the other between 42 and 45 cm along the chamber. This placed the two rings completely inside the central heating compartment, in the immediate vicinity of the joint of the central element and the joint of the two outer compartments. The ring was constructed so that the tube was held at a slight angle. The rings served to insulate the heating zones from each other by acting as barriers to heat transfer.

【0116】石英反応管(図3)は丸底であり、長さ4
8cm×直径2.5cmであり、細い添加管162、長さ1
0cm×太さ1.0cmに細くなっていた。乾燥窒素の雰囲
気のもとに、5.47gの赤リンと0.50gのカリウ
ムを管の中に入れた。リン対金属の原子対原子の比は、
15.1であった。リンは99.9999%の純度であ
った。カリウムは99.95%の純度であった。管を1
-4トルに排気し、添加管を合計の長さが52cmになる
ように管の太い部分から数cmのところで溶融することに
より密閉した。密閉した管を前述の3つのゾーンの炉内
に配置し、3つのゾーンの設定点の温度を4時間かけて
600℃、475℃および450℃にし、そこにさらに
76時間保持した。電力をすべての3つのゾーンに対し
て一度に切り、炉の固有の冷却速度で周囲温度に炉を冷
却した。管を乾燥窒素雰囲気のもとにグローブバッグ内
で切断して開けた。生成物は、結晶質と多結晶質の形態
から成っていた。
The quartz reaction tube (FIG. 3) has a round bottom and a length of 4
8 cm x 2.5 cm diameter, thin addition tube 162, length 1
It was as thin as 0 cm x 1.0 cm. Under an atmosphere of dry nitrogen, 5.47 g of red phosphorus and 0.50 g of potassium were placed in the tube. The atomic to atomic ratio of phosphorus to metal is
It was 15.1. Phosphorus was 99.9999% pure. Potassium was 99.95% pure. Tube 1
The tube was evacuated to 0 -4 Torr and the addition tube was sealed by melting at a few cm from the thick part of the tube to a total length of 52 cm. The sealed tube was placed in the three zone furnace described above and the temperature at the set points of the three zones was brought to 600 ° C, 475 ° C and 450 ° C over 4 hours and held there for a further 76 hours. Power was turned off at once for all three zones to cool the furnace to ambient temperature at the furnace's inherent cooling rate. The tube was cut and opened in a glove bag under a dry nitrogen atmosphere. The product consisted of crystalline and polycrystalline forms.

【0117】他のそのような多くの実験についての処理
パラメーター→上の実施例についてのデータは、参照N
o. 10の実験からのものである)を、表Vに記載す
る。
Processing parameters for many other such experiments → See N for data on the above examples
10 from the experiment) are listed in Table V.

【0118】[0118]

【表5】 [Table 5]

【0119】これらの実験のすべてにおいて、結晶質形
態と多結晶質形態が得られた。単結晶の収率は、実施例
1より常に大きかった。多結晶質材料は常に管の冷たい
端に析出したフィルムの形であり、通常管の最後のほぼ
10cmに制限されたが、通常単結晶との多少の重なりが
存在した。これらの実験からの単結晶は、XRDデータ
から決定されたKP15と同じ構造をもつものとして、X
線粉末回折図形により特徴づけられた。結晶の湿式化学
的分析は、結晶が安定であり、この材料を分析のための
熟成に極端な条件を必要としたので、大きい精度で得る
ことが困難であった。(下の分析データについての表VI
II〜XI参照) 。
In all of these experiments, crystalline and polycrystalline forms were obtained. The yield of single crystals was always higher than in Example 1. The polycrystalline material was always in the form of a film deposited on the cold end of the tube, usually confined to the last approximately 10 cm of the tube, but there was usually some overlap with the single crystal. The single crystals from these experiments have the same structure as KP 15 determined from XRD data, X
It was characterized by a line powder diffraction pattern. Wet chemical analysis of crystals has been difficult to obtain with great accuracy because the crystals are stable and this material requires extreme conditions for aging for analysis. (Table VI for analytical data below
II-XI).

【0120】多結晶質フィルムも、X線粉末回折法およ
び湿式法により特徴づけられた。このフィルムは変化す
る結晶化度を示し、そして回折図形はいくつかの面にお
いてKP15のそれに類似したが、なお他の面において明
確に異なった。さらに、湿式分析は、炎放射分光分析と
ともに、アルカリ金属含量がppm 範囲(すなわち、10
00ppm より少なく、しばしば500ppm より少ない)
であることを絶えず示し、そしてP/K比は約200/
1〜約5000/1の範囲であった。
Polycrystalline films were also characterized by X-ray powder diffraction and wet methods. The film showed varying crystallinity and the diffractogram resembled that of KP 15 in some planes, but was distinctly different in others. In addition, wet analysis, in combination with flame emission spectroscopy, has an alkali metal content in the ppm range (ie 10
Less than 00ppm, often less than 500ppm)
, And the P / K ratio is about 200 /
It was in the range of 1 to about 5000/1.

【0121】多結晶質材料および非結晶質材料の生長に
好適な熱勾配 単結晶材料の製造の改良に成功した後、3つのゾーンの
炉およびアスベストのリングを用いて同様な系列の実験
を実施し、初期の実験において観察された多結晶質材料
および非結晶質材料を選択的に製造するために適当な、
段階的熱勾配を見い出した。
For the growth of polycrystalline and amorphous materials
After successfully improving the production of a suitable thermal gradient single crystal material, a similar series of experiments was carried out using a three zone furnace and asbestos ring, and the polycrystalline material and non-crystalline material observed in earlier experiments Suitable for selectively producing crystalline material,
A stepwise thermal gradient was found.

【0122】これらの初期の実験は、所望生成物を得る
ために必要な温度を示唆した。示そうとするものは、こ
れらの生成物をいかに最適化するかである。表VIは用い
たプロフィルの型および観測された生成物を示す。
These initial experiments suggested the temperature required to obtain the desired product. What we are going to show is how to optimize these products. Table VI shows the type of profile used and the products observed.

【0123】[0123]

【表6】 [Table 6]

【0124】実施例III の主題である最初の実験は、実
施例Iにおいて使用した範囲の温度をちょうど反復実験
し、直線的に低下する勾配はここでは段階的勾配に変え
た。驚ろくべきことではないが、すべての生成物の型が
見い出され、区画Aのものに比べて、量が多少変動し
た。最も冷たい温度を400℃に上げたとき、表VIの第
2の実験におけるように、非結晶質材料は、予測したよ
うに、存在しなかった。しかしながら、中心区画の温度
を425℃にすると、管内部のほぼ3分の2は多結晶質
フィルムでおおわれており、小さい数のホイスカーが存
在しただけであり、このことはフィルムがほとんどもっ
ぱら製造されることを意味する。
The first experiment, the subject of Example III, was just an iterative experiment of the temperature range used in Example I, with the linearly decreasing slope being converted here into a stepwise slope. Not surprisingly, all product types were found, with some variation in amount compared to those in compartment A. When the coldest temperature was raised to 400 ° C., no amorphous material was present, as expected, as in the second experiment in Table VI. However, when the temperature of the central compartment was 425 ° C, almost two-thirds of the inside of the tube was covered with polycrystalline film, and only a small number of whiskers were present, which means that the film was produced almost exclusively. Means that.

【0125】第3および第4の実験において、最も冷た
い温度を350℃に保持し(第1実験において非結晶質
材料が形成するために十分に冷たい)そして中央ゾーン
の温度を375℃および350℃に低下したが、非結晶
質材料はまったく大量で形成しなかった。その代わり、
単結晶と多結晶質材料の両者が大量に管のかなりの短か
い空間にわたって存在し、そして最もよくても、非結晶
質材料の薄いフィルムだけが管の残部において形成しえ
ただけであった。同じ現象は次の2回の実験において観
察されたが、1つの実験において明確に薄い非結晶質フ
ィルムが存在した。明らかにほとんどの蒸気種は多結晶
質形態および単結晶質形態で凝縮し、そして非結晶質形
態を形成するために十分に冷たい領域への有意な蒸気の
移動は存在しない。
In the third and fourth experiments, the coldest temperature was kept at 350 ° C. (sufficiently cold for the amorphous material to form in the first experiment) and the temperature in the central zone was 375 ° C. and 350 ° C. However, the amorphous material was not formed in a large amount at all. Instead,
Both monocrystalline and polycrystalline materials were present in large quantities over fairly short spaces in the tube, and at best only a thin film of amorphous material could form in the remainder of the tube. The same phenomenon was observed in the next two experiments, but in one experiment there was a distinctly thin amorphous film. Apparently most vapor species condense in polycrystalline and single crystalline forms, and there is no significant vapor migration to regions cold enough to form amorphous forms.

【0126】実施例III 実施例Iのものと設計および大きさが同一であるリンド
バーグ54357型の3つのゾーンの炉をこの実施例に
おいてまた使用した。要素は同じ手動でセットされるリ
ンドバーグ59744−A型コントロール、コンソール
により同様に駆動させた。加熱室の端に耐熱製材料で栓
をして、炉からの熱損失を最小にした。反応管を織製ア
スベストテープの2つのリングで支持した。リングの一
方は、室に沿って、16〜19cmの間に、そして他方は
42〜45cmの間に配置させた。これにより両者のリン
グは、中央要素と2つの外側区面との接合部にちょうど
隣接させて、中央の加熱ゾーンの内側に完全に配置され
た。リングは管がある角度で保持されるように構成し
た。また、リングは、熱移動に対するバリヤーとして作
用することにより、加熱ゾーンを互いに断熱する役目を
した。
EXAMPLE III A Lindberg 54357 three-zone furnace identical in design and size to that of Example I was also used in this example. The element was similarly driven by the same manually set Lindberg Model 59744-A control, console. The end of the heating chamber was capped with a refractory material to minimize heat loss from the furnace. The reaction tube was supported by two rings of woven asbestos tape. One of the rings was placed along the chamber between 16 and 19 cm and the other between 42 and 45 cm. This placed both rings completely inside the central heating zone, just adjacent to the junction of the central element and the two outer zones. The ring was constructed so that the tube was held at an angle. The ring also served to insulate the heating zones from each other by acting as a barrier to heat transfer.

【0127】石英反応管は丸底であり、長さ48cm×直
径2.5cmであり、そして細い添加管長さ10cm×幅
1.0cm、へ細くなっていた。乾燥窒素の雰囲気のもと
で、5.95gの赤リンおよび0.50gのカリウムを
管に入れた。リン対金属の原子比は15であった。リン
は99.9999%の純度であった。カリウムは99.
95%の純度であった。管を3×10-4トルに排気し、
そして全長が51cmになるように管の太い部分から数cm
のところで添加管を溶融することによって密閉した。こ
の密閉した管を前述のように3つのゾーンに入れた。温
度勾配を一時間かけて600℃、465℃および350
℃にし、そこに72時間保持した。次いで要素への電力
を同時に切り、炉をその固有の冷却速度で周囲温度に冷
却した。管を乾燥窒素雰囲気のものにグローブバック内
に切断して開いた。生成物は単結晶、多結晶質フィルム
および非結晶質材料から成っていた。
The quartz reaction tube had a round bottom, a length of 48 cm × a diameter of 2.5 cm, and a thin addition tube having a length of 10 cm × a width of 1.0 cm, and was tapered. Under an atmosphere of dry nitrogen, 5.95 g red phosphorus and 0.50 g potassium were charged to the tube. The atomic ratio of phosphorus to metal was 15. Phosphorus was 99.9999% pure. Potassium is 99.
It was 95% pure. Evacuate the tube to 3 × 10 -4 Torr,
And a few cm from the thick part of the tube so that the total length is 51 cm
At that point the addition tube was sealed by melting. The sealed tube was placed in 3 zones as described above. Temperature gradient at 600 ° C, 465 ° C and 350 ° C over 1 hour
C. and held there for 72 hours. The elements were then turned off simultaneously and the furnace cooled to ambient temperature at its own cooling rate. The tube was cut open in a glove bag in a dry nitrogen atmosphere. The product consisted of single crystals, polycrystalline films and amorphous materials.

【0128】D.非結晶質ポリホスファイドの円筒形ボ
ールの製造 節Cに記載する実験から明らかなように、大量の非結晶
質材料を得るためには、すでに使用されている方法を改
良することが必要である。薄いフィルムと反対に、塊の
形態の材料を得るためには、生長に適当な条件は前に許
したよりも小さい空間に限定しなくてはならないことが
わかった。これは管の一番端だけをほぼ375℃以下に
することであった。これは原理的には熱バリヤーの使用
により達成された。しかしながら、他の材料、すなわ
ち、単結晶MP15または多結晶MPx (xは15より非
常に大きい)の形成条件も管の大きい区域にわたって存
在する場合、これらの材料は蒸気種のための「トラッ
プ」として作用するであろうことが認められた。したが
って、他の材料の形成をおさえるようにすることが必要
である。これは中央ゾーンの温度を、多結晶または単結
晶の形成には高過ぎるレベルに上げることによって、達
成された。そのときこれらの材料が強制される唯一の区
域は、急激な温度低下が起こる熱バリヤーの区域を経る
ものであった。
D. Amorphous polyphosphide cylinder
In order to obtain large quantities of amorphous material, it is necessary to improve the methods already used, as is evident from the experiments described in the production section C of the report. It was found that, in contrast to thin films, suitable conditions for growth must be confined to smaller spaces than previously allowed in order to obtain the material in the form of lumps. This was to keep only the very end of the tube below approximately 375 ° C. This was achieved in principle by the use of thermal barriers. However, if the formation conditions for other materials, namely single-crystal MP 15 or polycrystalline MP x (where x is much larger than 15) are also present over a large area of the tube, these materials will "trap" for vapor species. It was recognized that it would act as ". Therefore, it is necessary to prevent the formation of other materials. This was accomplished by raising the temperature of the central zone to a level that was too high for the formation of polycrystalline or single crystals. The only area where these materials were then forced was through the area of the thermal barrier where a sudden temperature drop occurred.

【0129】以下の実施例および下表VII 中に要約する
他の実験によって示されるように、この手順のそれ以上
の改良を研究した。第1はハニーウエル(Honeyw
ell)DCP7000デイジタル・コントロール・プ
ログラムを用いて加熱要素をはたらかせることであっ
た。これは再現性ある処理を実験ごとに行うことができ
るように温度変化の予備プログラミングを許した。制御
された加熱および冷却の両者を達成し、管の破壊と白リ
ンの生成を排除することができた。後者は、管を急冷し
かつリン蒸気がP4 として凝縮するとき、しばしば起こ
った。これはしばしば材料が反応性であるように思われ
た理由である。この反応性は、白リンと溶解する溶媒中
に材料を浸漬することにより、しばしば除去することが
できた。第2の改良は、蒸気移送前に金属/リン源から
析出ゾーンにかけて管を横切って300−490−50
0℃の「逆転した勾配」を適用すると言うルーチンであ
った。これは材料の析出ゾーンをきれいにし、核化過程
に影響を及ぼしたかもしれない。
Further refinements of this procedure were investigated as shown by the following examples and other experiments summarized in Table VII below. The first is Honeywell
ell) The DCP7000 Digital Control Program was used to activate the heating elements. This allowed pre-programming of temperature changes so that reproducible processing could be performed from experiment to experiment. Both controlled heating and cooling could be achieved, eliminating tube breaks and white phosphorus formation. The latter, when quenching the tube and phosphorus vapor condenses as P 4, was often occurred. This is why the material often seemed to be reactive. This reactivity could often be removed by dipping the material in a solvent that dissolves white phosphorus. A second improvement is 300-490-50 across the tube from the metal / phosphorus source to the deposition zone prior to vapor transfer.
The routine was to apply a 0 ° C. “inverted gradient”. This cleared the deposition zone of the material and may have affected the nucleation process.

【0130】これまで、最も重要な改良は管を再設計す
ることであった。ほぼ均一な直径2.5cmの長い管の代
わりに、管の本体を約30〜32cmに短かくし、直径1
0cmの添加管160(図2)を長くし、この管の約5〜
7cmが管内部の有効空間として残るように密封した。後
者の区画をゾーン3内に配置し、蒸気移送の勾配を適用
すると、この区画は、生成条件が改良されたので、長さ
が増大する固体のかさのある円筒で満されるようになっ
た。
To date, the most important improvement has been the redesign of the tube. Instead of a long tube with a diameter of 2.5 cm, which is almost uniform, shorten the body of the tube to about 30-32 cm and
Lengthen the 0 cm addition tube 160 (Fig. 2) to approximately 5
It was sealed so that 7 cm remained as an effective space inside the tube. When the latter compartment was placed in zone 3 and a vapor transfer gradient was applied, this compartment became filled with solid bulky cylinders of increasing length due to improved production conditions. ..

【0131】実施例IV 設計と大きさが実施例Iのものと同一であるリンドバー
グ5437型の3つのゾーンの炉をこの実施例において
使用した。しかしながら、要素はハニーウエルDCP−
7700デイジタル・コントロール・プログラマーによ
り推進させた。このプログラマーは処理を予備プログラ
ミングし、再現性ある方式で実施できるようにした。
Example IV A Lindberg Model 5437 three-zone furnace identical in design and size to that of Example I was used in this example. However, the element is Honeywell DCP-
Promoted by a 7700 Digital Control Programmer. The programmer pre-programmed the process so that it could be performed in a reproducible manner.

【0132】加熱室の端を耐水材で栓をして、炉からの
熱損失を長小にした。反応管はアスベストテープの2つ
のリングにより支持した。リングは管がある小さい角度
で保持されるように構成した。また、リングは加熱ゾー
ンを互いに断熱する役目をした。石英反応管は丸底であ
り、長さ33cm×直径2.5cmであり、長さ20cm×幅
1.0cmの細い添加管160に細くなっていた。乾燥窒
素雰囲気のもとに、7.92gのボールミリングし、原
子対原子比が15対1の供給物を管に装入し、管を1×
10-4トルに排気し、全長が43cmになるように太い部
分から10cmのところで添加管を溶融することによって
密封した。密封した管を、前述の織製バリヤーの使用に
より、3つのゾーンの炉内に配置した。
The end of the heating chamber was plugged with a waterproof material to reduce the heat loss from the furnace. The reaction tube was supported by two rings of asbestos tape. The ring was constructed so that the tube was held at a small angle. The ring also served to insulate the heating zones from each other. The quartz reaction tube had a round bottom, was 33 cm in length × 2.5 cm in diameter, and was thin into a thin addition tube 160 of 20 cm in length × 1.0 cm in width. Ball was milled under dry nitrogen atmosphere at 7.92 g and charged with 15: 1 atomic to atomic ratio of the feed into the tube, and the tube was 1 ×.
It was evacuated to 10 −4 Torr and sealed by melting the addition tube 10 cm from the thick part so that the total length was 43 cm. The sealed tube was placed in a three zone furnace by using the woven barrier described above.

【0133】6〜49cmの管を用い、一方の熱バリヤー
を16〜19cmのところに配置し、他方の熱バリヤーを
約38〜40cmのところに配置し、ハニーウエル・プロ
グラマーを用いて10時間300,490,500℃の
「逆転バリヤー」を適用した。炉をその固有の冷却速度
で冷却した後、管を動かして12〜55cmの間に横たえ
た。熱バリヤーも再配置させて18.5〜21.0cmお
よび44.5〜47cmにおいて横たえた。次いでプログ
ラマーは勾配を600,485,300℃に64時間推
進させた。次いでプログラマーは管を制御された冷却序
列を通して180,190,200℃の勾配にし、そこ
に4時間保持した。次いで炉をその固有の冷却速度で周
囲温度に冷却させた。
Using a 6-49 cm tube, one thermal barrier placed at 16-19 cm, the other thermal barrier at about 38-40 cm, and 300 hours for 10 hours using a Honeywell programmer. , 490,500 ° C. “Reversal barrier” was applied. After cooling the furnace at its own cooling rate, the tube was moved and laid between 12 and 55 cm. The thermal barrier was also repositioned and laid down at 18.5-21.0 cm and 44.5-47 cm. The programmer then propelled the gradient to 600,485,300 ° C. for 64 hours. The programmer then ramped the tube through a controlled cooling sequence to 180,190,200 ° C and held there for 4 hours. The furnace was then allowed to cool to ambient temperature at its own cooling rate.

【0134】管を乾燥窒素の雰囲気のもとに切断して開
き、そして4.13gの長さ2〜3cmの固体の均質な非
結晶質ボールを添加管160(図3)から回収した。い
くつかの他の実験の結果を、表VII に示す。
The tube was cut open under an atmosphere of dry nitrogen and 4.13 g of solid, 2-3 cm long, homogeneous, amorphous ball was recovered from addition tube 160 (FIG. 3). The results of some other experiments are shown in Table VII.

【0135】[0135]

【表7】 [Table 7]

【0136】[0136]

【表8】 [Table 8]

【0137】結果が示すように、材料の収率は供給物、
すなわち、ボールミリングした供給物または予備反応し
た凝縮した相の生成物とは殆ど無関係である。しかしな
がら、P/M比に対して明確に依存性であった。供給物
中の金属の相対量が多くなればなるほど、材料の収率は
低くなる。非結晶質材料が本質的にリンであるとき、こ
れは金属−リン供給物より上のリンの低い蒸気圧を反映
し、金属含量が大きいほど、それゆえ、同一熱条件につ
いての生長速度は遅くなる。
As the results show, the yield of material depends on the feed,
That is, it is largely independent of ball-milled feed or pre-reacted condensed phase product. However, there was a clear dependence on the P / M ratio. The higher the relative amount of metal in the feed, the lower the yield of material. When the amorphous material is essentially phosphorus, this reflects the lower vapor pressure of phosphorus above the metal-phosphorus feed, the higher the metal content, therefore the slower the growth rate for the same thermal conditions. Become.

【0138】表VIIIは製造した非結晶質ボールについて
のいくつかの分析結果を含む。それは、湿式法により測
定したカリウム含量を示す。また、それは炎発光分光学
により存在することが示される微量成分も示す。
Table VIII contains some analytical results for the amorphous balls produced. It shows the potassium content measured by the wet method. It also exhibits minor constituents shown to be present by flame emission spectroscopy.

【0139】[0139]

【表9】 [Table 9]

【0140】表IX、XおよびXIは、蒸気移送合成からの
生成物についての湿式法により得られた分析データであ
る。表中のP/M比は、特記しないかぎり、原子比であ
る。
Tables IX, X and XI are analytical data obtained by the wet method for products from vapor transfer synthesis. P / M ratios in the tables are atomic ratios unless otherwise noted.

【0141】[0141]

【表10】 [Table 10]

【0142】[0142]

【表11】 [Table 11]

【0143】[0143]

【表12】 [Table 12]

【0144】[0144]

【表13】 [Table 13]

【0145】2つの源の技術による金属ポリホスファイ
ド類の製造 ポリホスファイド類を2つの基本的に異なる型の装置で
製造した。これらの装置はここにおいて2つの源もしく
は分離した源として同定する。なぜなら、両者の型の装
置において、金属とリンを分離し、析出ゾーンのいずれ
かの側において独立に加熱するからである。すべての実
施例は、K−P系について実施した。
Metal Polyphosphite by Two Source Technology
Preparation of the Polyphosphides The polyphosphides were prepared in two basically different types of equipment. These devices are identified herein as two sources or separate sources. This is because both types of equipment separate metal and phosphorus and heat them independently on either side of the deposition zone. All examples were performed on the K-P system.

【0146】第1の方法において図11に示すように、
リンとカリウムの供給物を密閉した石英管100の両端
に保持する。この管を、3つのゾーンの炉の使用により
達成された、図12に示すような温度のプロフィルに暴
露する。このプロフィルは、2つの成分の間の中央ゾー
ンに比べて、独立の供給物を高温にする。この中央ゾー
ンにおいて、蒸発した成分は結合して、反応器壁上のフ
ィルムの形で、KP15の析出生成物を形成する。(より
完全に、下の実施例Vにおいて説明する)第2装置にお
いて、図14に示すように、102で示される実質的な
区域を3つのゾーンの炉104の外側で室温に保持す
る。この区画は、反応を実施しようとする低圧を達成す
るために使用する、ストップコック106および玉継手
108の装置を含む。この別の密閉技術は、この部分を
低温にすることを必要とするが、リン源と金属源を保持
するガラスの「ボート」の急速かつ非破壊的装入を可能
とする。ボート112(図15参照)も、フィルムをそ
の上に析出しようとするガラス支持体114(図14)
上に金属を保持するように設計されている。これらのフ
ィルム/支持体の形状は、下において説明するように、
装置の設計のための初期の出発点としての役目をする。
In the first method, as shown in FIG.
A supply of phosphorus and potassium is held at both ends of a sealed quartz tube 100. The tube is exposed to the temperature profile as shown in Figure 12 achieved by using a three zone furnace. This profile heats up the independent feed as compared to the central zone between the two components. In this central zone, the vaporized components combine to form KP 15 precipitation products in the form of a film on the reactor walls. In a second apparatus (more fully described in Example V below), a substantial area, shown at 102, is maintained at room temperature outside a three-zone furnace 104, as shown in FIG. This compartment contains the device of the stopcock 106 and the ball joint 108 used to achieve the low pressure at which the reaction is to be carried out. This alternative sealing technique, which requires low temperatures in this part, allows for rapid and non-destructive charging of a glass "boat" that holds the phosphorus and metal sources. The boat 112 (see FIG. 15) also has a glass support 114 (FIG. 14) on which the film is to be deposited.
Designed to hold metal on. The shape of these films / supports is as described below.
Serves as an initial starting point for the design of the device.

【0147】炉の外側の区画は、蒸気種のための冷たい
トラップを提供する。詳しくはリンは、外側区画に最も
近いゾーンへ装入され、外側区画において、一般に高度
に自燃性の白い形態として、大量に析出される。このト
ラップが存在するため、この系の蒸気圧の条件は前述の
完全に加熱された系と非常に異なる。第1装置において
所望生成物を有効に生ずる温度条件は、第2装置につい
て適当ではないといえる。後者について適当な条件は、
独立に決定されなかった。
The outer compartment of the furnace provides a cold trap for the vapor species. Specifically, phosphorus is charged into the zone closest to the outer compartment and is deposited in large quantities in the outer compartment, generally as a highly self-sustaining white form. Due to the presence of this trap, the vapor pressure requirements of this system are very different from the fully heated system described above. It can be said that the temperature conditions that effectively produce the desired product in the first device are not suitable for the second device. Suitable conditions for the latter are
It was not decided independently.

【0148】実施例V 図11に示す長さ10cm×直径1.0cmのネックを有す
る長さ54cm×直径2.5cmの石英管100において、
リンとカリウムを、乾燥窒素条件下に、この管の両端中
に15対1の原子対原子の比で装入する。カリウム(9
9.95%の純度)を、まず小片を合計重量0.28g
で、管を垂直に配向して、カップ118中へ落下するこ
とによって、装入した。次いでこれらの小片を溶融し、
カップ中で再固化する。次いでリン(99.9999
%)を管に加える。3.33gの片はカップ118のま
わりで容易に取り扱われた。次いで管をネック116の
溶融により、5×10-5トルで密閉する。
Example V In a quartz tube 100 of 54 cm in length and 2.5 cm in diameter having a neck of 10 cm in length and 1.0 cm in diameter shown in FIG.
Phosphorus and potassium are charged under dry nitrogen conditions into the ends of the tube at an atom-to-atom ratio of 15: 1. Potassium (9
9.95% purity), first a small piece total weight 0.28g
The tube was then vertically oriented and charged by dropping it into cup 118. Then melt these pieces,
Re-solidify in cup. Then phosphorus (99.9999)
%) To the tube. A 3.33 g piece was easily handled around cup 118. The tube is then sealed at 5 × 10 −5 Torr by melting neck 116.

【0149】次いで管をリンドバーグ54357−S型
の3つのゾーン内に配置して、3つのゾーンの間の中心
に横たえる。6,12および6インチ(15.2,3
0.5および15.2cm)のゾーン長さを有する543
57型と異なり、このS型は8,8および8インチ(2
0.3,20.3および20.3cm)のゾーンを有す
る。管のまわりにらせん状に巻きつけた2枚の織製アス
ベストテープは、管をゾーン1および2とゾーン2およ
び3の接合部において保持した。これらのテープは管を
支持するばかりでなく、中央ゾーンを外側ゾーンよりの
高い温度から断熱した。生ずる温度のプロフィルの概略
表示を図12に示す。ハニーウェルDCP−7700型
ディジタル・コントロール・プログラマーを使用して、
3つの加熱ゾーンを適当な加温期間を通じて推進して4
50,300,450℃の勾配にし、そこに72時間保
持し、次いで15時間の冷却序列を経て周囲温度にし
た。
The tube is then placed in three zones of Lindberg 54357-S and laid centrally between the three zones. 6, 12 and 6 inches (15.2, 3
543 with a zone length of 0.5 and 15.2 cm)
Unlike the 57, this S has 8, 8 and 8 inches (2
0.3, 20.3 and 20.3 cm). Two sheets of woven asbestos tape wrapped helically around the tube held the tube at the junction of zones 1 and 2 and zones 2 and 3. These tapes not only supported the tubes, but also insulated the central zone from higher temperatures than the outer zones. A schematic representation of the resulting temperature profile is shown in FIG. Using Honeywell DCP-7700 Digital Control Programmer,
Promote 3 heating zones through appropriate heating period 4
A 50, 300, 450 ° C. gradient was applied, held there for 72 hours, then cooled to ambient temperature via a 15 hour cooling sequence.

【0150】管内で形成した材料を、次の手順により分
析した。まず、乾燥窒素雰囲気中で、管をほぼ等しい長
さの7つの管区画に、炭化ケイ素ののこぎりにより、切
断した。区画中に存在するフィルム片(一般に厚さが1
0ミクロン以上である)を取り出し、X線回折技術によ
り個々に検査した。各区画の残部は、湿式法により分析
した。
The material formed in the tube was analyzed by the following procedure. First, in a dry nitrogen atmosphere, the tube was cut into seven tube sections of approximately equal length with a silicon carbide saw. Pieces of film present in the compartment (typically 1
0 micron and above) were removed and individually examined by X-ray diffraction techniques. The rest of each compartment was analyzed by the wet method.

【0151】区画について存在する析出物のP/M比
を、図13に示す。Tがほぼ300℃である中央区域に
ついて、塊の組成は約14/1であり、これはKP15
して材料を同定するために用いた方法の精度の限界内に
入る。さらに、約14のP/Kを有することがわかった
材料についてのX線粉末回折図形が明らかにされ、これ
は材料が単一のホイスカーまたは塊の多結晶質材料から
のKP15のそれに合致することを示した。さらに、回折
図形は、幅広いピークにより明らかなように、多結晶質
材料と非結晶質材料の両者が約1対1の比で存在するこ
とを示した。
The P / M ratio of the precipitates present for the compartments is shown in FIG. For the central zone where T is approximately 300 ° C., the composition of the mass is approximately 14/1, which is within the accuracy of the method used to identify the material as KP 15 . In addition, an X-ray powder diffraction pattern for a material found to have a P / K of about 14 is revealed, which matches that of KP 15 from a single whisker or bulk polycrystalline material. I showed that. In addition, the diffraction pattern showed that both polycrystalline and amorphous material were present in a ratio of about 1: 1 as evidenced by the broad peaks.

【0152】実施例VI この実施例において使用した装置は、実施例Vのそれに
関して変更した。石英管119は「ノズル」120およ
び122を取り付け、2つの端の室を中央の室から分離
した(図16参照)。乾燥窒素条件下に、溶融したカリ
ウム(0.47g、99.95%の純度)をKで示す外
側室へ加え、再固化した。次いで添加管124を溶融し
て密閉した。次いでリン(5.58g、99.9999
%の純度)をPで示す他方の外側室へ加え、全体の装置
を排気し、1×10-5トルにおいて、第2の添加管12
6の溶融により密閉した。この系のリン対カリウムの比
は、15原子対1原子であった。
Example VI The equipment used in this example was modified with respect to that of Example V. The quartz tube 119 was fitted with "nozzles" 120 and 122, separating the two end chambers from the central chamber (see Figure 16). Molten potassium (0.47 g, 99.95% pure) was added to the outer chamber designated K under dry nitrogen conditions and resolidified. The addition tube 124 was then melted and sealed. Then phosphorus (5.58 g, 99.9999)
% Purity) to the other outer chamber, designated P, and the entire apparatus evacuated and at 1 × 10 -5 Torr, the second addition tube
It was sealed by melting of 6. The phosphorus to potassium ratio for this system was 15 atoms to 1 atom.

【0153】密閉した管119は長さ41cmであり、リ
ンドバーグ5435−7S型の3つのゾーンの炉の3つ
の連続する20.3cmのゾーンの中央に配置した。管の
まわりにらせん状に巻き付けた織製アスベストテープの
2つの熱バリヤー(TB)は、管をゾーン1および2と
ゾーン2および3の接合部に保持した。それらは、管を
保持することに加えて、外側ゾーンのより高い温度から
中央ゾーンを断熱した。ハニーウエルDCP−7700
型ディジタル・コントロール・プログラマーを用いて、
加温期間を通じて3つの加熱ゾーンを500,355お
よび700℃の勾配に推進した。(リンは500℃であ
り、カリウムは700℃であった。中央ゾーンの温度は
300℃として選んだが、織製テープの断熱特性が制限
されるため、側面の室からの熱のもれは中央ゾーンの温
度を355℃のレベルに上げた。)この勾配を80時間
保持し、次いで24時間の冷却序列に従った。
The closed tube 119 was 41 cm long and was located in the center of three consecutive 20.3 cm zones of a Lindberg Model 5435-7S three zone furnace. Two thermal barriers (TB) of woven asbestos tape helically wrapped around the tube held the tube at the junction of zones 1 and 2 and zones 2 and 3. In addition to retaining the tubes, they insulated the central zone from the higher temperatures of the outer zone. Honeywell DCP-7700
Type digital control programmer,
Three heating zones were propelled to a gradient of 500, 355 and 700 ° C throughout the warming period. (Phosphorus was 500 ° C and potassium was 700 ° C. We chose the temperature in the central zone to be 300 ° C, but the heat leakage from the side chambers is central because of the limited thermal insulation properties of the woven tape The temperature of the zone was raised to a level of 355 ° C.) This gradient was held for 80 hours and then followed by a 24 hour cooling sequence.

【0154】管119を乾燥窒素条件下に炭化ケイ素の
のこぎりで切断して開いたとき、カリウムゾーンKと中
央ゾーンとの間のノズル122は多繊維質KP15のよう
に見える材料で詰まるようになった。中央ゾーンは薄
い、淡赤色のフィルム;より厚い、暗赤色のフィルム;
およびいくつかの、比較的大きい、単結晶系のボールを
含有した。2つの最大の片は各々長さ約4cm×幅1cm、
最大厚さ約4mmであった。各片の一方の側は比較的平坦
であるが、他方の側は凸形であり、円形反応管の内側に
対する生長と連合していた。
When the tube 119 was opened by cutting it with a silicon carbide saw under dry nitrogen conditions, the nozzle 122 between the potassium zone K and the central zone was clogged with a material that looked like multifilamentary KP 15. became. Central zone is a thin, pale red film; a thicker, dark red film;
And several relatively large, single crystal system balls. The two largest pieces are each about 4 cm long x 1 cm wide,
The maximum thickness was about 4 mm. One side of each strip was relatively flat, but the other side was convex, associated with growth to the inside of the circular reaction tube.

【0155】この材料の湿式分析は、カリウム含量がき
わめて低く、塊状分析して、60ppm より少ないことを
示した。化学分析についての電子分光学(ESCA)
は、この材料のカリウム含量が材料が最初に析出した管
壁から外方向に急激に減少することを指示した。100
オングストロームにおいて、P−K比は約50であっ
た。ESCAで測定したとき、最終の析出表面について
のP−K比は1000程度であった。X線回折の研究は
材料が非結晶質であることを示した。
Wet analysis of this material showed a very low potassium content, less than 60 ppm by mass analysis. Electron spectroscopy (ESCA) for chemical analysis
Indicated that the potassium content of this material decreased sharply outward from the tube wall where the material first deposited. 100
In Angstrom, the PK ratio was about 50. When measured by ESCA, the PK ratio on the final deposited surface was about 1000. X-ray diffraction studies have shown that the material is amorphous.

【0156】実施例VII 乾燥窒素条件下で、0.19gの溶融したカリウム(9
9.95%の純度)をパイレックスのボート112(図
15)の最も外側の区画128(長さ5cm)の1つへ入
れた。この金属を再固化させた。2枚のガラスの支持体
114(図14参照、各々長さ約7.5cm×幅1cm)を
端と端をつないで横たえ、長さ15.3cmの中央区画1
30を充填した。次に、1.36gのリン(99.99
99%の純度、ジョンソン・マッセイから入手した)を
ボートの反対側の外側区画132へ加えた。リンは混合
した大きさの粒子の形であり、容易に注ぎ出し、区画1
32の底を満たす。パイレックスのディバイダー113
はPとKおよび支持体がボート112中ですべらないよ
うに保持する。次いで長さ35cmのボート112を注意
してすべらせて、図14の長さ60cm×直径2.5cmの
パイレックスの反応室134へ入れ、丸い底に接触する
カリウムを有する区画128が室136の端を閉じるよ
うにする。次いでブタ(Buta)−NのOリング、サ
イズ124をOリングジョイント102中に取り付けテ
フロンのストップコック106(ケムバック・インコー
ポレットから入手した)をきつくねじ込んだ。真空ライ
ンにおいて、ストップコック106を再び開き、室を8
×10-4トルに排気した。次いでストップコックを再び
閉じ、反応室を密閉した。
Example VII 0.19 g of molten potassium (9
9.95% purity) was placed in one of the outermost compartments 128 (5 cm long) of a Pyrex boat 112 (FIG. 15). The metal was resolidified. Two glass supports 114 (see Figure 14, each about 7.5 cm long x 1 cm wide) are laid end-to-end with a central compartment 1 of length 15.3 cm.
30 was filled. Next, 1.36 g of phosphorus (99.99)
99% pure, obtained from Johnson Matthey) was added to the outer compartment 132 on the opposite side of the boat. Phosphorus is in the form of particles of mixed size and is easy to pour into compartment 1
Fill the bottom of 32. Pyrex divider 113
Keeps P and K and the support from slipping in the boat 112. The 35 cm long boat 112 is then carefully slid into the Pyrex reaction chamber 134 of 60 cm length × 2.5 cm diameter of FIG. 14 where the compartment 128 with potassium in contact with the round bottom is at the end of chamber 136. To close. A Buta-N O-ring, size 124, was then installed in the O-ring joint 102 and a Teflon stopcock 106 (obtained from Chemback Inc.) was screwed in tightly. In the vacuum line, the stop cock 106 is reopened to open the chamber.
Evacuated to × 10 -4 torr. Then the stopcock was closed again and the reaction chamber was sealed.

【0157】反応室をリンドバーグ54357−S型の
3つのゾーンの炉内に配置した。図14に示すように、
2枚の織ったガラステープ137および139は、管を
らせん状に巻き、室をゾーン1および2とゾーン2およ
び3の接合部において支持した。熱バリヤー(TB)を
形成するこれらのテープは、中央ゾーン内にちょうど完
全に横たわるようにセットした。第3のらせん状に巻い
たテープ138を用いて、装置が炉の加熱室を出る点を
支持し、断熱した。セラミック様材料の円筒形栓140
を使用して、室の他方の端における炉の開口からの熱損
失を抑制した。
The reaction chamber was placed in a three-zone furnace of Lindberg 54357-S type. As shown in FIG.
Two woven glass tapes 137 and 139 spirally wrapped the tube to support the chamber at the junction of zones 1 and 2 and zones 2 and 3. These tapes, which form the thermal barrier (TB), were set to lie exactly in the central zone. A third spirally wound tape 138 was used to support and insulate the device as it exited the furnace heating chamber. Cylindrical stopper 140 made of ceramic-like material
Was used to suppress heat loss from the furnace opening at the other end of the chamber.

【0158】装置のこの配置は、カリウムを含有するボ
ート112の区画138を第3加熱ゾーン内に横たわら
せ、支持体を含有する区画130を中央すなわち第2の
加熱ゾーン内に横たわらせ、そしてリンを含有するボー
トの区画132を第1加熱ゾーン内に横たわらせる。ま
た、それは炉の外側の装置の大きいセグメントを周囲温
度にさせる。
This arrangement of equipment allows compartment 138 of the boat 112 containing potassium to lie in the third heating zone and compartment 130 containing the support to lie in the central or second heating zone. And a section 132 of the boat containing phosphorus is laid in the first heating zone. It also causes a large segment of equipment outside the furnace to reach ambient temperature.

【0159】ハニーウエルDCP7700型ディジタル
・コントロール・プログラマーを用いて、加温期間を通
じて3つの加熱区画を推進させ,その期間において温度
はそれぞれリンゾーン、支持体ゾーンおよびカリウムゾ
ーンにおいて100,150および100℃になった。
次いで、できるだけ急速に(ほぼ18分)、勾配を50
0,300,400℃に推進させ、そこに約8時間保持
した。次いで炉をその固有の速度で、100,100,
100℃のプロフィルにし、これに約10時間を要し
た。次いで炉を室温にした。
A Honeywell DCP7700 Digital Control Programmer was used to propel the three heating zones throughout the warming period, during which the temperature was 100, 150 and 100 ° C. in the phosphorus, support and potassium zones, respectively. became.
Then, as quickly as possible (approximately 18 minutes), ramp up to 50
It was propelled to 0,300,400 ° C and kept there for about 8 hours. The furnace is then run at its own speed, 100, 100,
The profile was 100 ° C. and took about 10 hours. The furnace was then brought to room temperature.

【0160】管134を炉から取り出した。炉の外側の
区画は、白、黄および黄赤色の材料の析出を含有し、そ
れらのすべては多分変化する重合段階のリンであった。
リンの加熱ゾーンは材料を含まず、一方カリウムゾーン
は黄かっ色、黄およびオレンジの範囲にわたる色の種々
の材料を含有した。後者は中央ゾーン中にわずかに延
び、それ以外は中央ゾーンはカリウムゾーンの次のその
長さの2分の1を通して暗色フィルムでおおわれてお
り、このフィルムは赤色光を透過した。このゾーンの残
りの半分は材料を含まなかった。装置を乾燥窒素条件下
に開け、パイレックスのボート112を取り出し、そし
て赤色フィルムでおおわれたガラス支持体をボートから
取り出し、後の分析のために、きっちり密閉したびんに
入れた。(この材料の残部を周囲条件に暴露すると、管
の露出区画におけるリン析出物は一般に激しく燃焼する
が、リン源にもっとも近いものはこうのような反応性を
示さなかった。装置のカリウム源区画に存在した材料
は、湿気に暴露したとき、非常に反応性であった。この
材料は、明らかに水の還元を経る水素の発生により、一
般に激しく燃焼する。)この技術を数回反覆した。それ
以上の実施例を、表XII に記載する。
Tube 134 was removed from the furnace. The outer compartment of the furnace contained white, yellow, and yellow-red material deposits, all of which were phosphorous of possibly varying polymerization stages.
The phosphorus heating zone contained no material, while the potassium zone contained a variety of materials with colors ranging from yellow brown, yellow and orange. The latter extended slightly into the central zone, otherwise the central zone was covered with a dark film through one-half of its length following the potassium zone, which film transmitted red light. The other half of this zone contained no material. The apparatus was opened under dry nitrogen conditions, the Pyrex boat 112 was removed, and the red film covered glass support was removed from the boat and placed in a tightly closed bottle for later analysis. (Phosphorus deposits in the exposed section of the tube generally burned violently when the rest of this material was exposed to ambient conditions, but those closest to the phosphorus source did not show such reactivity. The material present in was very reactive when exposed to moisture. This material generally burns violently due to the evolution of hydrogen, which apparently undergoes reduction of water.) Further examples are listed in Table XII.

【0161】[0161]

【表14】 [Table 14]

【0162】赤色光を透過する暗色フィルムの製造条件
は制限がある。2つの源のゾーンにおける温度を、表XI
I の実験No. 49におけるように、わずかに低下させる
と、形成する材料の量は、析出物の長さが証明するよう
に、劇的に低下する。同様に、それ以下同一の2つの5
4357S型の3つのゾーンの炉の性能特性間の微妙な
差は、第2炉(B)において、リン源の温度をわずかに
高くすることを必要とする(実験No. 50,51および
52参照)。550℃へのリン源の温度の上昇はすぐれ
た結果を与え、525℃への上昇はよりすぐれた結果を
与える。
There are restrictions on the manufacturing conditions for the dark film that transmits red light. The temperatures in the two source zones are given in Table XI.
With a slight reduction, as in I, Experiment No. 49, the amount of material formed drops dramatically, as evidenced by the length of the precipitate. Similarly, two 5's that are the same below that
The subtle differences between the performance characteristics of the 4357S three-zone furnace require a slightly elevated phosphorus source temperature in the second furnace (B) (see experiments No. 50, 51 and 52). ). Raising the temperature of the phosphorus source to 550 ° C gives excellent results and raising it to 525 ° C gives better results.

【0163】実験No. 46,47および48からの材料
を走査電子顕微鏡および電子回折分析(SEM−EDA
X)法により分析すると、材料は6〜7ミクロン程度の
厚さのKP15フィルム、およびこの顕微鏡において認め
ることができない構造の非結晶質であることが、明らか
となった。蒸気移送条件の要約 生成物の型をコントロールする処理の特徴は次のとおり
である: 1)より均一な温度制御のための3つのゾーンの炉の使
用、2)延長した管長、3)温度勾配制御のための熱バ
リヤーの使用、4)炉の端における熱栓の使用、および
5)円筒形ボールを得るための延長した細い添加管の使
用。
Materials from experiments Nos. 46, 47 and 48 were scanned electron microscopy and electron diffraction analysis (SEM-EDA).
Analysis by method X) revealed that the material was KP 15 film as thick as 6-7 microns, and amorphous with a structure not visible in this microscope. Summary of vapor transfer conditions The features of the product type control process are as follows: 1) use of a three zone furnace for more uniform temperature control, 2) extended pipe length, 3) temperature gradient. Use of a thermal barrier for control, 4) use of a hot plug at the end of the furnace, and 5) use of an extended narrow addition tube to obtain a cylindrical ball.

【0164】1つの蒸気移送のための条件の範囲は、次
のとおりである: 1)650〜550℃の反応ゾーンの温度範囲;450
〜300℃の冷たいゾーンの温度範囲。 2)KP15の単結晶のための析出温度は、465〜47
5℃の中央値±25℃の範囲であることがわかった。
The range of conditions for one vapor transfer is as follows: 1) the temperature range of the reaction zone from 650 to 550 ° C .; 450
Cold zone temperature range of ~ 300 ° C. 2) The precipitation temperature for a single crystal of KP 15 is 465-47.
It was found to be in the range of median value of 5 ° C ± 25 ° C.

【0165】3)多結晶質フィルムのための析出温度は
約455℃から375℃までの範囲であることがわかっ
た。 4)約375℃から少なくとも300℃までの新規な形
態のリンの非結晶質形態の析出温度。(低い温度は今日
まで研究しなかった) 2つの源の蒸気移送のための条件範囲は、塊状KP15
料を形成するためのものである(図11の装置);リ
ン、450℃の温度、カリウム450℃、および析出ゾ
ーン300℃;析出物は混合した多結晶質および非結晶
質のKP15の厚いフィルムであった;塊状の非結晶質K
x (xは15より非常に大きい、新規な形態のリン、
図16の装置):リン500℃、カリウム700℃およ
び析出ゾーン355℃。K源は詰まるようになり、析出
物は塊状非結晶質KPx であった;非結晶質KP15のフ
ィルムについて(図14の装置)リン500℃、カリウ
ム400℃および支持体300℃。
3) The deposition temperature for polycrystalline films was found to be in the range of about 455 ° C to 375 ° C. 4) Deposition temperature of the amorphous form of the new form of phosphorus from about 375 ° C to at least 300 ° C. (Lower temperatures have not been studied to date) The range of conditions for vapor transfer of the two sources is to form a bulk KP 15 material (apparatus of FIG. 11); phosphorus, temperature of 450 ° C., Potassium 450 ° C., and precipitation zone 300 ° C .; precipitate was a thick film of mixed polycrystalline and amorphous KP 15 ; bulk amorphous K
P x (where x is much greater than 15, a novel form of phosphorus,
16 apparatus): Phosphorus 500 ° C., potassium 700 ° C. and precipitation zone 355 ° C. The K source became clogged and the precipitate was bulk amorphous KP x ; for films of amorphous KP 15 (apparatus in FIG. 14) phosphorus 500 ° C., potassium 400 ° C. and support 300 ° C.

【0166】KP15の薄いフィルムについて、リン源は
525℃に上昇することができ、非結晶質KP15はなお
生成する。リン源の温度を475℃に低下すると、この
系はKP15を生成しない。カリウム源の温度が375℃
に低下すると、この系はKP15を生じない。支持体の温
度を315℃に上げることができ、この系はKP15をな
お生成するが、325℃に上げると生成しない。
For thin films of KP 15 , the phosphorus source can be raised to 525 ° C. and amorphous KP 15 is still formed. When the phosphorus source temperature is lowered to 475 ° C., the system does not produce KP 15 . The temperature of the potassium source is 375 ° C
When reduced to, this system does not produce KP 15 . The temperature of the support can be raised to 315 ° C and the system still produces KP 15 but not at 325 ° C.

【0167】「凝縮相の合成」による大量の多結晶質金
属ポリホスファイドの製造 MP15,MP7 およびMP11のアルカリ金属のポリホス
ファイドは、それらの有用な半導性質の開発に適当な物
理的状態で形成しないが、われわれが「凝縮相」の合成
と呼ぶ技術により1g以上の量で容易に製造することが
できる。この技術を使用する前において、反応成分を一
般にボールミリングの手順により緊密に接続させた。デ
カグラム以上の元素を、乾燥窒素条件のもとに、所望の
金属対リンの原子対原子比、たとえばMP15についてP
/M15においてボールミルへ装入した。次いで密閉し
たミルを40時間以上作動させて成分を粉砕して、よく
混合された均質な自由流動性の粉末にした。ミルを一般
にミリングの20時間程度の間約100℃に加熱した。
これはミリングの間の金属成分の流動性を増大するため
に実施する。
Large amount of polycrystalline gold by “synthesis of condensed phase”
Preparation of genus polyphosphides Alkali metal polyphosphides of MP 15 , MP 7 and MP 11 do not form in the physical state suitable for developing their useful semiconducting properties, but It can be easily produced in an amount of 1 g or more by a technique called synthesis. Prior to using this technique, the reaction components were generally intimately connected by a ball milling procedure. The more elements Dekaguramu, based on the dry nitrogen conditions, atoms to the atomic ratio of the desired metal to phosphorus, for example, the MP 15 P
/ M15 into a ball mill. The closed mill was then run for 40 hours or more to grind the ingredients into a well-mixed, homogeneous, free-flowing powder. The mill was generally heated to about 100 ° C. for about 20 hours of milling.
This is done to increase the fluidity of the metal components during milling.

【0168】ミリングした混合物の一部分、一般に10
g以上を石英アンプルに、乾燥窒素の条件下に移す。ア
ンプルの大きさは、処理すべき供給物の量に依存して、
直径2.5cm×長さ6.5cm〜直径2.5cm×長さ25
cmの範囲である。この管を減圧(一般に10-4トルより
小)において密閉する。反応は管を増大する温度に等温
条件下に、温度が500または525℃になるまで暴露
することによって実施する。等温条件とは、材料の全体
が常にできるだけほぼ同じ温度にあって、蒸気移送が不
均一生成物を生じうる熱い条件ないし冷たい条件となる
のを防ぐことを意味する。最高のソーキング温度は実質
的な期間保持し、その間に粉末状の多結晶質または結晶
質の生成物が形成する。典型的なソーキング時間は72
時間である。反応時間すなわちソーキング時間が長くな
ればなるほど、より結晶質の生成物が得られる(結晶サ
イズ、X線粉末回折線の鋭さなどによって証明され
る)。熱管も冷却期間(10時間)を経て周囲温度にす
る。ゆっくりした冷却は反応に必要ではないが、生成物
と石英アンプルの熱係数の差による管の破壊を防止する
ためである。
A portion of the milled mixture, typically 10
Transfer over g to a quartz ampoule under dry nitrogen conditions. The size of the ampoule depends on the amount of feed to be treated,
Diameter 2.5cm x Length 6.5cm ~ Diameter 2.5cm x Length 25
The range is cm. The tube is sealed at reduced pressure (generally less than 10 −4 Torr). The reaction is carried out by exposing the tube to increasing temperatures under isothermal conditions until the temperature reaches 500 or 525 ° C. By isothermal conditions is meant that the entire material is always at about the same temperature as possible to prevent vapor transfer from hot or cold conditions that can result in heterogeneous products. The maximum soaking temperature is maintained for a substantial period of time during which time a powdery polycrystalline or crystalline product is formed. 72 typical soaking times
It's time. The longer the reaction or soaking time, the more crystalline product is obtained (as evidenced by the crystal size, the sharpness of the X-ray powder diffraction lines, etc.). The heat tube is also cooled to ambient temperature after a cooling period (10 hours). Slow cooling is not required for the reaction, but to prevent tube breakage due to the difference in the thermal coefficients of the product and the quartz ampoule.

【0169】加熱期間および冷却期間の両者は、比較的
長く(10時間より長く)し、中間温度(たとえば、2
00,300,400,450℃)におけるソーキング
を4〜6時間とすることが最良であることを観測した。
これらのゆっくりした加熱または冷却に従わないと、反
応管は爆発することがしばしばあった。しかしながら、
凝縮相の反応の生成物はゆっくりした冷却における場合
と同一であったが、ただし残留リンの少量は赤リンでは
なく白リンである。
Both the heating and cooling periods are relatively long (longer than 10 hours) and are at intermediate temperatures (eg 2
It was observed that it is best to soak at (00, 300, 400, 450 ° C.) for 4 to 6 hours.
Failure to follow these slow heating or cooling often caused the reaction tubes to explode. However,
The product of the condensed phase reaction was the same as in slow cooling, except that a small amount of residual phosphorus was white phosphorus rather than red phosphorus.

【0170】実施例VII 15対1の原子対原子比の試薬級のリンとカリウムとの
ボールミリングした混合物の19.5gを、長さ8cm×
直径1.0cmに先細になった長さ6.5cm×直径2.5
cmの石英管に、乾燥窒素条件下に入れた。この管はその
太い部よりほぼ1cmのところで細い区画を溶融すること
によって、減圧(1×10-4トル)において密閉した。
Example VII 19.5 g of a ball-milled mixture of reagent grade phosphorus and potassium in an atom to atom ratio of 15 to 1 was added to a length of 8 cm x
6.5cm in length taper to 1.0cm in diameter x 2.5 in diameter
A quartz tube of cm was placed under dry nitrogen conditions. The tube was sealed at reduced pressure (1 × 10 -4 Torr) by melting a thin section approximately 1 cm from its thick section.

【0171】この管をリンドバーグ54357型の3つ
のゾーンの炉の中央ゾーンに、第2石英管またはライナ
ーにより支持し、後者は加熱室の半径方向中心において
アスベストブロックにより支持した。3つのゾーンの炉
の加熱要素をハニーウェルDCP−7700型ディジタ
ル・コントロール・プログラマーにより推進させた。こ
のプログラマーにより、再現性ある方式で処理を予備プ
ログラミングし、実施することができた。このプログラ
マーを用いて、反応管を指示した時間の間次の温度に暴
露した:100℃、1時間;450℃、6時間;500
℃、18時間;525℃、72時間;300℃、2時
間;および200℃、4時間(すべての3つのゾーンは
同じ温度に制御し、中央ゾーンは高度に等温であり、こ
のゾーンを横切る温度の変動は1℃より小さかった)。
This tube was supported in the central zone of a Lindberg 54357 three-zone furnace by a second quartz tube or liner, the latter supported by an asbestos block at the radial center of the heating chamber. The heating elements of the three zone furnace were driven by a Honeywell DCP-7700 Digital Control Programmer. The programmer was able to pre-program and implement the process in a reproducible manner. Using this programmer, the reaction tubes were exposed to the following temperatures for the indicated times: 100 ° C., 1 hour; 450 ° C., 6 hours; 500.
℃, 18 hours; 525 ℃, 72 hours; 300 ℃, 2 hours; and 200 ℃, 4 hours (all three zones controlled to the same temperature, the central zone is highly isothermal, the temperature across this zone Was less than 1 ° C).

【0172】炉をゆの固有の冷却速度で周囲温度にした
後、反応管を炉から取り出した。乾燥窒素の条件下に、
石英のアンプルを炭化ケイ素ののこぎりで切断して開
き、そして暗い紫色の多結晶質塊を回収した。この材料
の試料の組成を分析した。湿式分析は約14.2対1の
P/K比を与えた。これは15対1の理論値の約6%の
精度である。K/P15の供給物についての同様な実験か
らの生成物は、表XIIIに示すように、同じ範囲の値の範
囲に包含される。
After the furnace was brought to ambient temperature at the inherent cooling rate of the soup, the reaction tube was removed from the furnace. Under dry nitrogen conditions,
A quartz ampoule was cut open with a silicon carbide saw and a dark purple polycrystalline mass was collected. The composition of a sample of this material was analyzed. Wet analysis gave a P / K ratio of about 14.2: 1. This is an accuracy of about 6% of the theoretical value of 15: 1. Products from similar experiments with K / P 15 feeds fall within the same range of values, as shown in Table XIII.

【0173】[0173]

【表15】 [Table 15]

【0174】さらに、異なる実験からのいくつかの試料
を形態学的に分析した。これらの材料についてのXRD
粉末回折図形は、前述の蒸気移送法により製造された単
結晶のKP15から得られたものによく合致した。形態学
的分析は、表に示すように、他の金属−リン系について
実施した。これらの材料のXRDデータを、互いに、そ
して単結晶について得られたものと比較すると、生成物
は性質が類似することが確立された。すなわち、それら
はすべて基本的にすべて同じ共有結合したリンの平行な
五角形の管を有する。
In addition, several samples from different experiments were analyzed morphologically. XRD for these materials
The powder diffraction pattern was in good agreement with that obtained from the single crystal KP 15 produced by the vapor transfer method described above. Morphological analysis was performed for other metal-phosphorus systems as shown in the table. Comparing the XRD data of these materials with each other and with those obtained for single crystals, it was established that the products were similar in nature. That is, they all have essentially the same covalently bound phosphorus pentagonal tubes.

【0175】金属と赤リンとのミリング ボールミリングを用いて、赤リンと第1a族および第5
a族の金属との均質な、緊密に接触された混合物を調製
した。ミリングした生成物は空気中で比較的安定であ
り、前述の凝縮相および単一源の蒸気移送の技術のため
の取り扱い便利な出発物質である。それらの安定性は、
ポリホスファイドがミリングの間に少なくとも部分的に
形成したことを示している。
Milling Metal and Red Phosphorus Using ball milling, red phosphorus and Group 1a and 5
A homogeneous, intimately contacted mixture with a Group a metal was prepared. The milled product is relatively stable in air and is a convenient starting material for the condensed phase and single source vapor transfer techniques described above. Their stability is
It shows that the polyphosphides formed at least partially during milling.

【0176】第1a族の金属(リチウムを除く)は、赤
リンと容易にミリングされることが証明された。ミリン
グの容易さは融点が低い金属、典型的にはルビジウムに
ついてより顕著となった。第1a族のM/P比が1/1
5から1/7に変化するとき、問題が生ずる。金属含量
を増加すると、供給物はボールミルの壁上に一般にかな
り凝集する。好都合には、凝集した生成物はミルから容
易にこすり落し、粉砕して12メッシュのふるいに通す
ことができる。リチウムとヒ素は、硬度と融点が高いた
めに、標準のボールミリング法によりミリングすること
は困難である。
It has been demonstrated that the Group 1a metals (excluding lithium) are easily milled with red phosphorus. The ease of milling was more pronounced for metals with lower melting points, typically rubidium. M / P ratio of group 1a is 1/1
The problem arises when changing from 5 to 1/7. With increasing metal content, the feed generally agglomerates significantly on the walls of the ball mill. Conveniently, the agglomerated product can be easily scraped from the mill, ground and passed through a 12 mesh screen. Lithium and arsenic are difficult to mill by standard ball milling methods because of their high hardness and melting point.

【0177】初めての実験において、試薬級の金属と試
薬級のリンを使用した。ここで、ジョンソン・マッセイ
社から入手した高い純度の金属(99.999%の純
度)と赤リン(99.9999%の純度)のみを使用す
る。 A.標準のボールミリング これは本来アルカリ金属/P系に選択した方法であっ
た。しかしながら、他の第5a族の金属のためにより強
い粉砕法(低温ミリングおよび振動ミリング)を用い
た。
In the first experiment, reagent grade metal and reagent grade phosphorus were used. Here, only high purity metal (99.999% purity) and red phosphorus (99.9999% purity) obtained from Johnson Matthey are used. A. Standard Ball Milling This was originally the method of choice for the alkali metal / P system. However, stronger grinding methods (cold milling and vibration milling) were used for other Group 5a metals.

【0178】ステンレス鋼ボールミルは「イン−ハウス
(in−hause)」で製作し、そして図17に示す
ように、内径4.5インチ(11.4cm)×高さ6イン
チ(15.2cm)×壁厚さ1/4インチ(0.64cm)
の寸法のシリンダー150からなる。ミリルの上部は、
ビトン(Viton)Oリングを受け入れる内側フラン
ジ151を有する。ステンレス銅上部154は、ねじ1
56により締結された棒155によって所定位置に保持
されている。
The stainless steel ball mill was made "in-house" and, as shown in FIG. 17, an inner diameter of 4.5 inches (11.4 cm) x a height of 6 inches (15.2 cm) x. Wall thickness 1/4 inch (0.64 cm)
It consists of a cylinder 150 of dimensions The top of myril is
It has an inner flange 151 that receives a Viton O-ring. The upper part 154 of stainless steel is screw 1
It is held in place by a rod 155 fastened by 56.

【0179】1つのミルはなめらかな内壁を有する。第
2ミルは上部から底部へ壁上に溶接された3枚のそらせ
板を有した。これらのそらせ板は球と試薬のためのリフ
ターとして作用し、粉砕を効率よくする。合計50〜6
0gより少ない試薬供給物が望ましい。初期の実験にお
いて、1/4インチ(0.64cm)のステンレス鋼球を
使用した。それ以来、1/4インチ(0.64cm)と1
/8インチ(0.32cm)のステンレス鋼球の混合物を
用いて、よりよい結果を得た。
One mill has a smooth inner wall. The second mill had three baffles welded onto the wall from top to bottom. These baffles act as lifters for spheres and reagents, making grinding efficient. 50-6 in total
A reagent feed of less than 0 g is desirable. In the initial experiments, 1/4 inch (0.64 cm) stainless steel balls were used. Since then, 1/4 inch (0.64 cm) and 1
Better results have been obtained with a mixture of / 8 inch (0.32 cm) stainless steel balls.

【0180】低温ミリング(−196℃) これはスペックス(Spex)フリーザーミル(スペッ
クス・インダストリーズ社、ニュージャージイ州、メッ
チェンから入手できる)を用いて達成した。装置の制限
のため、少量(2〜3g)のみを単一操作でミリングン
グできるが、これは液体窒素の温度において急速に実施
することができる(数分)。こうして、この技術は、リ
チウムおよびヒ素のようなかたくかつ高い融点の金属を
粉砕することができる。次いでこれらの金属を赤リンと
回転ボールミルまたは振動ボールミルで一緒に粉砕する
ことができる。
Cold Milling (−196 ° C.) This was accomplished using a Spex Freezer Mill (available from Spex Industries, Inc., Metchen, NJ). Due to equipment limitations, only small amounts (2-3 g) can be milled in a single operation, but this can be done rapidly at liquid nitrogen temperatures (minutes). Thus, this technique can grind hard and high melting point metals such as lithium and arsenic. These metals can then be ground together with red phosphorus in a rotating ball mill or a vibrating ball mill.

【0181】振動ミリング この装置(Vibratom)は、TEMA社(TEM
A,Inc、オハイオ州シンシナチ)から入手可能であ
る。これは本質的にはボールミリングであるが、回転運
動を使用する代わりに、ペイント振とう機と同様に、同
形振動を発生させる。このミルは内径1/4インチ
(0.64cm)×高さ3.5インチ(8.9cm)× 厚
さ1/8インチ(0.32cm)である。
Vibration Milling This device (Vibratom) is manufactured by TEMA (TEM).
A, Inc, Cincinnati, Ohio). This is essentially ball milling, but instead of using a rotary motion, it produces an isomorphic vibration, similar to a paint shaker. The mill has an inner diameter of 1/4 inch (0.64 cm) x height of 3.5 inches (8.9 cm) x thickness of 1/8 inch (0.32 cm).

【0182】このミルはそらせ板を含有しない。このミ
ルはAsのようなミリング困難な元素のミリングに使用
した。ミリングの時間 ここにはかなりの変動が存在した。一般に、熱ミリング
の期間は40時間以上であるが100時間以下である。
ある程度、これはミリングする系により決定した。融点
が低いCsおよびRb系には要する時間は短かい。
This mill contains no baffles. This mill was used for milling difficult-to-mill elements such as As. Milling time There has been some variation here. Generally, the period of thermal milling is 40 hours or more, but 100 hours or less.
To some extent, this was determined by the milling system. The time required for Cs and Rb systems having a low melting point is short.

【0183】ミリングの温度 これは周囲温度であるか、あるいはミルは加熱ランプで
ほぼ100℃に外部から加熱する。周囲温度は低い融点
たとえばCs(28.7℃)およびRb(38.9℃)
のために適する。75〜100℃で3〜4時間の外部の
加熱ランプの適用は、Na(97.8℃)およびK(6
3.7℃)の系に確かに有益であった。100℃への加
熱は、Li(108.5℃)では価値がない。安定な生
成物は溶融したアルカリ金属およびリンのミリングの結
果であると、われわれは結論した。
Milling Temperature This is at ambient temperature, or the mill is externally heated to approximately 100 ° C. with a heating lamp. Ambient temperatures have low melting points such as Cs (28.7 ° C) and Rb (38.9 ° C)
Suitable for. Application of an external heating lamp at 75-100 ° C. for 3-4 hours was performed using Na (97.8 ° C.) and K (6
It was certainly beneficial to the system (3.7 ° C). Heating to 100 ° C is not worth it for Li (108.5 ° C). We conclude that the stable product is the result of milling molten alkali metal and phosphorus.

【0184】K/P15のボールミリング 実施例IX (表XIV 、参照No. 88) 乾燥箱内で窒素のもとに、884gの1/4インチ
(0.64cm)のステンレス鋼球を含有する、そらせ板
を含まないステンレス鋼ボールミルに、6.14g
(0.157モル)の99.95%の純度のK(ユナイ
テッド・ミネラル・アンド・ケミカル・カンパニーから
入手した)と72.95g(2.36モル)の99.9
999%の純度の赤リン(ジョンソン・マッセイ・ケミ
カルから入手した)を供給した。このミルを密閉し、ロ
ール・ステーション上で合計71時間回転した。このミ
ルを加熱ランプへその表面を向けることにより4時間1
00℃に加熱した。ミル内容物を乾燥箱内で12メッシ
ュのふるいおよび皿へ排出した。生成物の凝集は観察さ
れなかった。鋼球をふるい上で生成物から分離した。合
計76.4gの黒色粉末生成物が得られた。
K / P 15 Ball Milling Example IX (Table XIV, Ref No. 88) Containing 884 g of 1/4 inch (0.64 cm) stainless steel balls under nitrogen in a dry box. , Stainless steel ball mill without baffles, 6.14g
(0.157 mol) of 99.95% pure K (obtained from United Minerals and Chemicals Company) and 72.95 g (2.36 mol) of 99.9.
Supplied 999% pure red phosphorus (obtained from Johnson Matthey Chemicals). The mill was sealed and rotated on a roll station for a total of 71 hours. 4 hours 1 by directing the surface of this mill to a heating lamp
Heated to 00 ° C. The mill contents were discharged into a 12 mesh sieve and pan in a dry box. No product agglomeration was observed. Steel balls were separated from the product on a sieve. A total of 76.4 g of a black powder product was obtained.

【0185】Cs/P7 のボールミリング 実施例X (表XIV 、参照No. 115) 乾燥箱内で窒素のもとで、450gの1/4インチ
(0.64cm)および450gの1/8インチ(0.3
2cm)のステンレス鋼球を含有する、そらせ板付きステ
ンレス鋼ボールミルに、12.12g(0.0912モ
ル)の99.98%の純度のCs(アルファ/ベントロ
ン・コーポレーションから入手した)および19.77
g(0.638モル)の99.999%の純度の赤リン
(ジョンソン・マッセイ・ケミカルから入手した)を供
給した。このミルを密閉し、ロール・ステーション上で
周囲温度で46.5時間回転させた。(外部の熱源を用
いなかった)乾燥箱内でミルを開くと、生成物のほとん
ど全部の凝集がミル壁上に観察された。この材料をスパ
チュラでかき取り、12メッシュのふるいおよび皿へ排
出した。次いで、生成物の大きな塊をふるいに通して粉
砕した。合計の27.8gの生成物が皿の中に集められ
た。
Cs / P 7 Ball Milling Example X (Table XIV, Ref No. 115) 450 g 1/4 inch (450 g) and 450 g 1/8 inch under nitrogen in a dry box. (0.3
2.12 g (0.0912 moles) of 99.98% pure Cs (obtained from Alfa / Ventron Corporation) and 19.77 in a baffled stainless steel ball mill containing 2 cm) of stainless steel balls.
g (0.638 mol) of 99.999% pure red phosphorus (obtained from Johnson Matthey Chemicals) was fed. The mill was sealed and rotated on a roll station at ambient temperature for 46.5 hours. When the mill was opened in a dry box (no external heat source was used), almost total agglomeration of the product was observed on the mill wall. The material was scraped with a spatula and discharged into a 12 mesh sieve and dish. The large mass of product was then ground through a sieve. A total of 27.8 g of product was collected in the dish.

【0186】種々の金属の赤リンとのミリングの結果
を、表XIV に要約する。前述のように、これらの材料は
驚ろくべきほどに安定である。
The results of milling various metals with red phosphorus are summarized in Table XIV. As mentioned above, these materials are surprisingly stable.

【0187】[0187]

【表16】 [Table 16]

【0188】[0188]

【表17】 [Table 17]

【0189】[0189]

【表18】 [Table 18]

【0190】[0190]

【表19】 [Table 19]

【0191】[0191]

【表20】 [Table 20]

【0192】これらの技術から得られた材料は、xと呼
ぶ結晶またはホイスカー;Bと呼ぶ固体の多結晶質塊;
TFと呼ぶ固体の薄いフィルム;BおよびTFと呼ぶ固
体の非結晶;およびB* と呼ぶ凝縮相合成からの塊状粉
末であった。MP15結晶質材料の合成は、図7〜10図
を参照して上に説明した。表XVに示すように、多結晶質
および非結晶質のM15材料は、薄いフィルムの形で製造
されただけであった。
The materials obtained from these techniques were crystals or whiskers designated x; solid polycrystalline mass designated B;
Solid thin film designated TF; solid amorphous designated B and TF; and bulk powder from condensed phase synthesis designated B * . Synthesis of MP 15 crystalline material has been described above with reference to FIGS. 7-10 FIG. As shown in Table XV, M 15 material polycrystalline and amorphous was only produced in the form of a thin film.

【0193】KPx (xは15より非常に大きい)の多
結晶質および薄いフィルムは、蒸気移送(1つの源およ
び2つの源)により得られた。これらの多結晶質の薄い
フィルムはガラス支持体(またはガラス壁)上で核化
し、支持体に対して垂直に生長する平行のホイスカーの
密な充填を示す。このような材料のSEM顕微鏡写真、
図18,19および図20は、KPx ホイスカー間の大
きい物理的分離を示す。
Polycrystalline and thin films of KP x (x is much greater than 15) were obtained by vapor transport (one source and two sources). These polycrystalline thin films nucleate on the glass support (or glass wall) and show a dense packing of parallel whiskers growing perpendicular to the support. SEM micrograph of such material,
18, 19 and 20 show a large physical separation between KP x whiskers.

【0194】これらの多結晶質の薄いフィルムは、非結
晶質相が形成し始める455℃〜375℃付近からの低
温において形成する。これらの材料についての湿式化学
的、XRDおよびEDAX分析は、xが15より非常に
大きい(典型的には1000より大きい)ことを絶えず
示す。結晶質MPx (xは15より非常に大きい)の典
型的な粉末XRD線図の指紋は、図10に示されてい
る。
These polycrystalline thin films are formed at a low temperature from around 455 ° C. to 375 ° C. where the amorphous phase begins to form. Wet chemistry, XRD and EDAX analyzes on these materials constantly show that x is much greater than 15 (typically greater than 1000). A fingerprint of a typical powder XRD diagram of crystalline MP x (x is much greater than 15) is shown in FIG.

【0195】表XVに示すように、非結晶質MPx 材料
は、蒸気移送技術により塊状(ボール)の形で形成でき
る。これらのボールは管32の細い端160(図1およ
び図2)、図3の管58の細い端162、あるいは図1
6のゾーン2において材料片として形成する。これらの
材料はX線回折ピークを示さない。XRD粉末線図をわ
れわれの研究において使用して、これらの技術により得
られた材料の非結晶質度を特徴づけた。これらの非結晶
質MPx 材料(ここでxは15より非常に大きい)は、
ウェーファー処理のための常用の半導体技術により切断
し、ラップ仕上げし、みがいた。これは事実50〜50
0ppm 以下のMを含有する材料、新規な形態のリンであ
る。
As shown in Table XV, the amorphous MP x material can be formed in the form of lumps (balls) by vapor transfer techniques. These balls may be formed by the narrow end 160 of tube 32 (FIGS. 1 and 2), the narrow end 162 of tube 58 in FIG.
Formed as a piece of material in zone 2 of 6. These materials show no X-ray diffraction peaks. The XRD powder diagram was used in our study to characterize the amorphousness of the materials obtained by these techniques. These amorphous MP x materials (where x is much larger than 15)
It was cut, lapped and polished by conventional semiconductor technology for wafer processing. This is fact 50-50
It is a material containing 0 ppm or less of M, a new form of phosphorus.

【0196】得られる大きいxのKPx 非結晶質ウェー
ファーまたは支持体は、有用な半導体の性質をもつこと
が示され、KP15のホイスカーとほとんど同じ電子光学
的応答を有する。それゆえ、すべてのMPx 材料(ここ
でx=15あるいは15より非常に大きい)の局所規則
度(アルカリ金属の存在で固化したとき)は、実質的に
その広がり全体を通じて同じ局所規則度を示すと、結論
される。この局所規則度は、すべて平行な五角形のリン
の管である。
The resulting large x KP x amorphous wafer or support has been shown to have useful semiconductor properties and has almost the same electro-optical response as KP 15 whiskers. Therefore, the local order of all MP x materials (where x = 15 or much greater than 15) (when solidified in the presence of alkali metal) exhibits substantially the same local order throughout its spread. Concludes. This local order is an all-parallel pentagonal tube of phosphorus.

【0197】電子光学的に評価するために、鏡面仕上げ
表面をもつ非結晶質の大きいxのKPx 材料を製造し
た。これらの非結晶質材料の日常の表面調製は、いくら
かの加工工程、たとえば、切断、埋め込み、ラップ仕上
げ、みがき及び化学的エッチングを包含する。このよう
な加工工程の間に誘発される表面加工の損傷は、半導体
材料の電子光学的性能に影響を及ぼすことが知られてい
る。したがって、「損傷を含まない」表面に導びく評価
技術および加工工程に注意を集中した。次の加工工程
は、高品質の鏡面仕上げ表面の製造に適当であることが
わかった。
A large amorphous x KP x material with a mirror-finished surface was prepared for electro-optical evaluation. Routine surface preparation of these amorphous materials involves some processing steps such as cutting, embedding, lapping, polishing and chemical etching. Surface processing damage induced during such processing steps is known to affect the electro-optical performance of semiconductor materials. Therefore, attention was focused on the evaluation techniques and processing steps that lead to the "damage free" surface. The following processing steps have been found suitable for producing high quality mirror finished surfaces.

【0198】表VII からの高いxのKPx の埋め込まれ
たボール(長さ1〜2cm)を、低速ダイヤモンドのこぎ
りで最小圧において切断した。各ウェーファーをほぼ1
mmの厚さにスライスした。次いでウェーファーを臭素/
HNO3 溶液中に浸漬した。切断損傷を十分に除去する
ために、各ウェーファーの厚さを、この化学的エッチン
グにより、ほぼ50ミクロンメーターだけ減少した。次
いでウェーファーを洗浄し、包接とボイドについて検査
した。大きいxのKPx 材料は、ボイドを含まないよう
に見えた。
High x KP x embedded balls from Table VII (length 1-2 cm) were cut at a minimum pressure with a slow diamond saw. Almost 1 for each wafer
Sliced to a thickness of mm. Then bromine / wafer
Immersed in HNO 3 solution. The thickness of each wafer was reduced by approximately 50 microns by this chemical etch in order to adequately remove the cut damage. The wafer was then washed and inspected for inclusions and voids. The large x KP x material appeared void free.

【0199】標準の低温ろう(融点約80℃)を使用し
て、大きいxのKPx ウェーファーをみがき用ブロック
上へ取り付けた。次いでウェーファーを、50rpm で2
分の間隔で個々に400〜600SiCグリットにより
潤滑剤として蒸留水を用い、50g/cm2 の重量で、平
滑な表面が得られるまで、ラップ仕上げした。最終のみ
がき工程は、1時間50rpm および50g/cm2 におい
てテクスメット(Texmet)クロス上で3ミクロメ
ートルのダイアモンド配合物および増量剤としてラップ
仕上げ油を用いて実施した。このみがき工程に引き続い
て、追加の15分のみがき工程を5rpm および50g/
cm2 の重量においてマイクロクロス上で、蒸留水中の
0.05ミクロメートルのガンマアルミナ懸濁液のスラ
リーを用いて実施した。すべての手順は、音浴(son
ic bath)中の各清浄工程および引き続く洗浄お
よび乾燥の間において周到さを必要とする。
A standard low temperature braze (melting point about 80 ° C.) was used to mount a large x KP x wafer on the polishing block. The wafer is then spun at 50 rpm for 2
Laminated individually with 400-600 SiC grit at intervals of minutes using distilled water as a lubricant at a weight of 50 g / cm 2 until a smooth surface was obtained. The final polishing step was carried out on Texmet cloth at 50 rpm and 50 g / cm 2 for 1 hour with a 3 micrometer diamond formulation and lapping oil as extender. This polishing step is followed by an additional 15 minute polishing step at 5 rpm and 50 g /
Performed on a microcloth at a weight of cm 2 with a slurry of 0.05 micrometer gamma alumina suspension in distilled water. All procedures are sound bath (son
meticulous during each cleaning step and subsequent washing and drying.

【0200】この技術により製造された試料は、高品質
の仕上げ表面を有する。最終のみがき工程は、標準のメ
タログラフ、ビューレル(Buehler)みがき装置
で実施した。化学的エッチングは、ウェーファーの製
造、表面処理、予備装置の準備、金属化および装置の加
工において主要な役割を演じる。
The samples produced by this technique have a high quality finished surface. The final polishing step was performed on a standard metallograph, Buehler polishing device. Chemical etching plays a major role in wafer manufacturing, surface treatment, preliminary equipment preparation, metallization and equipment fabrication.

【0201】エッチング処理の化学および実際的面を包
含する多数の報告文献が存在する。しかしながら、特定
のエッチング剤についてのほとんどの情報は科学文献を
通じて広く分散している。これらの非結晶質の高いxの
材料に関連するエッチング法の選択に有用であるべき、
本質的な情報を集める試みをした。表面の調製に用いる
エッチングの手順および方法に特別の注意を払った。G
aPおよびInPに現在用いられているエッチング溶液
および手順のいくつかは適用可能であるが、エッチング
速度が異なることを発見した。
There are numerous reports that cover the chemistry and practical aspects of etching processes. However, most information about a particular etchant is widely dispersed throughout the scientific literature. Should be useful in the selection of etching methods associated with these high amorphous x materials,
I tried to collect essential information. Particular attention was paid to the etching procedures and methods used to prepare the surface. G
We have found that some of the etching solutions and procedures currently used for aP and InP are applicable, but have different etching rates.

【0202】次のエッチング溶液を選択し、試験した: −一般的エッチングおよびみがきのために5〜10%の
Br2 、95〜90%のCH3 OH −高品質の表面のみがきのために1%Br2 、99%の
CH3 OH(ほぼ1ミクロン/分) −化学的みがきのために5重量%のNaOCl溶液 −切断およびラップ仕上げ後の加工損傷の除去のために
1HCl:2HNO3 (1%のBr2 ) −表面層の除去のために1HCl:2HNO3
The following etching solutions were selected and tested: 5-10% Br 2 for general etching and polishing, 95-90% CH 3 OH-1 for high quality surface polishing only. % Br 2, 99% of CH 3 OH (approximately 1 micron / min) - 5 wt% of NaOCl solution for chemical polishing - 1 HCl for removal of machining damage after cutting and lapping: 2HNO 3 (1 % of Br 2) - 1 HCl for removal of surface layer: 2HNO 3.

【0203】光学的吸収のためにいくつかの試料を調製
した。上の技術を用いて、大きいxの材料の非結晶質ウ
ェーファーの両側を0.5mm程度の薄さにスライスし、
みがいた。GaPおよびGaAsの結晶の参照試料も両
側面をみがき、光学的吸収によりバンドギャップを測定
した。エッチング技術を開発して、微小構造を明らかに
し、小さい区域を光学的吸収のために0.2mmの厚さに
薄くした。
Several samples were prepared for optical absorption. Using the above technique, slice both sides of a large x material amorphous wafer to a thickness of about 0.5 mm,
There was polish. Both side surfaces of a reference sample of GaP and GaAs crystals were also polished, and the band gap was measured by optical absorption. An etching technique was developed to reveal the microstructure and thin small areas to a thickness of 0.2 mm for optical absorption.

【0204】いく種類かの溶液を選択し、試験した。最
良の化学的溶液は、6.0gの水酸化カリウム、4gの
赤色アン化カリウム第二鉄および50mlの蒸留水の70
℃の混合物であることがわかった。エッチングパターン
が現われるまでに、60秒より短かい時間を要する。こ
の溶液は非常に安定であり、再現性あるエッチング速度
で使用できる。
Several solutions were selected and tested. The best chemical solution is 6.0 g of potassium hydroxide, 4 g of red potassium ferric anion and 70 ml of distilled water.
It was found to be a mixture at ° C. It takes less than 60 seconds before the etching pattern appears. This solution is very stable and can be used with reproducible etching rates.

【0205】埋め込み、切断し、そしてみがいた後、表
VII およびVIIIからの非結晶質KPx (xは15より非
常に大きい)のいくつかの試料をエッチングした。典型
的な微小構造は、この化学的エッチング処理から30秒
後に現われた。図21は単一源の蒸気移送により成長さ
せた大きいxの材料の非結晶質ボール(表VII 、参照N
o. 28)の軸に対して垂直に切断した表面についての
エッチングパターンの360倍の顕微鏡写真であり、よ
く定められた、大きさが数ミクロンのドメイン(dom
ain)をもつハネカム微小構造を示す。これらのハネ
カム微小構造は、二次元の原子骨組(たとえば、平行な
管)を有する材料についてのエッチングパターンに特徴
的なものである。
After embedding, cutting, and polishing, the
Some samples of amorphous KP x (x is much larger than 15) from VII and VIII were etched. Typical microstructures appeared 30 seconds after this chemical etching process. FIG. 21 shows amorphous balls of large x material grown by single source vapor transfer (Table VII, reference N).
o. 28) is a 360x photomicrograph of an etching pattern for a surface cut perpendicular to the axis, showing well-defined domains of a few microns in size (dom).
shows the honeycomb microstructure with ain). These honeycomb microstructures are characteristic of the etching pattern for materials with a two-dimensional atomic framework (eg parallel tubes).

【0206】図22は、実施例VIにおいて2つの源の蒸
気移送により成長させた、非結晶質の、大きいxの材料
の成長の軸に対して垂直に切断した表面についての、エ
ッチングパターンの360倍の顕微写真である。図23
は、図22に示したものと同じ表面の720倍の顕微鏡
写真である。図24は図22および図23に示す表面に
対する垂直の、エッチング表面の360倍の顕微鏡写真
であり、管状充填に特徴的なエッチングパターンを示
す。
FIG. 22 shows an etching pattern of 360 for a surface cut perpendicular to the axis of growth of an amorphous, large x material grown by vapor transfer of two sources in Example VI. It is a double microscopic photograph. Figure 23
Is a 720X photomicrograph of the same surface as shown in FIG. FIG. 24 is a photomicrograph at 360 × of the etched surface, perpendicular to the surface shown in FIGS. 22 and 23, showing the etching pattern characteristic of tubular packing.

【0207】こうして、Mがアルカリ金属であり、xが
15より非常に大きい、すなわち、アルカリ金属の量が
50ppm 程度に少ない、本発明のMPx 材料は、すべて
局所規則度として、すべてが平行である(MP15の形
態)かあるいは二重に交互する垂直層である(単斜晶系
のリン)すべて平行な五角形のリンの管を有すると、入
手できる証拠から結論される。
Thus, all of the MP x materials of the present invention, in which M is an alkali metal and x is much larger than 15, that is, the amount of alkali metal is as low as 50 ppm, are all parallel to each other in local order. It is concluded from the available evidence to have all parallel pentagonal phosphorus tubes either in the form of MP 15 (in the form of MP 15 ) or in doubly alternating vertical layers (monoclinic phosphorus).

【0208】1つの源の蒸気移送からの高リン材料の電
子光学的性質 単結晶のホイスカー、多結晶質フィルムと非結晶質のフ
ィルムおよびボールについて、電子光学的特徴づけを実
施した。特徴づけは(1)電気接点によらない試料につ
いての光学的測定(吸収限界、光ルミネセンス)(2)直
線の挙動の簡単な接点による電気的測定(伝導性、温度
依存性の伝導性、光伝導性の波長依存性、伝導性の型)
(3)半導性の挙動を指示する、金属との非直線または
整流接点による電気的測定から成る。
The charge of high phosphorus materials from the vapor transfer of one source.
Child optical properties single crystal whiskers, the films and the ball of the polycrystalline film and the amorphous were performed electro-optic characterization. The characterization is (1) optical measurements on samples that do not rely on electrical contacts (absorption limit, photoluminescence) (2) electrical measurements on simple linear behaviors (conductivity, temperature-dependent conductivity, (Wavelength dependence of photoconductivity, conductivity type)
(3) Consists of electrical measurements with a non-linear or rectifying contact with a metal indicating a semiconducting behavior.

【0209】上のデータから、製造したすべての材料は
有用な半導体のための電気的規準をもつこと、すなわ
ち、それらのすべては1〜3eVのエネルギーバンドギ
ャップ:10-5〜10-12 (ohm−cm) -1の伝導性:10
0〜10,000の光伝導度比、および周囲使用条件下
の物理的安定性を有することを、われわれは期待した。
測定は、次の装置で実施した: (1)吸収限界−ザイス(Zeiss)2ビームIRお
よび可視分光光度計 光ルミネセンス−低温度(4°K)の低温保持装置およ
びレーザー励起 (2)伝導度−2ブロー および4ブローブの測定 温度依存性の伝導度−排気した室内の300°K〜55
0°K 光伝導度−ほぼ100mW/cm2 の光源を用いる 波長依存性の光伝導度−Xeランプの光源およびモノク
ロメーター 伝導度の型−熱プローブおよび冷プローブを用いる熱電
力測定 (3)湿った銀ペイントを用いて材料への一時的接合を
形成し、光起電開放電圧0.2Vが照明下に測定され
た。
From the above data, all the materials produced have electrical criteria for useful semiconductors, that is, they all have an energy bandgap of 1 to 3 eV: 10 −5 to 10 −12 (ohm). -Cm) -1 conductivity: 10
We expected to have a photoconductivity ratio of 0-10,000 and physical stability under ambient use conditions.
The measurements were carried out on the following devices: (1) Absorption limit-Zeiss two-beam IR and visible spectrophotometer photoluminescence-Low temperature (4 ° K) cryostat and laser excitation (2) Conduction -2 blow and 4 probe measurements Temperature-dependent conductivity-300 ° K to 55 in evacuated room
0 ° K photoconductivity-using a light source of almost 100 mW / cm 2 wavelength-dependent photoconductivity-light source of Xe lamp and monochromator conductivity type-thermoelectric power measurement using thermal probe and cold probe (3) wetness A silver paint was used to form a temporary bond to the material and a photovoltaic open circuit voltage of 0.2 V was measured under illumination.

【0210】接合を形成する金属および圧力の接点は、
テクトロニクス(Tektronix)曲線トレーサー
で電流電圧特性を評価した。研究した広い範囲に亘る材
料からの試料についてのデータを、表XVI, XVII, XVIII
およびXIX に要約する。表XVI は種々の物理的形態およ
び化学的組成の、標本材料すなわちKPx (xは15な
いし15より非常に大きい)の基本的な物理的、化学的
および電子光学的性質を要約する。
The metal and pressure contacts forming the bond are:
The current-voltage characteristics were evaluated with a Tektronix curve tracer. Data for samples from the wide range of materials studied are provided in Tables XVI, XVII, XVIII.
And XIX. Table XVI summarizes the basic physical, chemical and electro-optical properties of sample material, KP x (x is much greater than 15 to 15), of various physical forms and chemical compositions.

【0211】[0211]

【表21】 [Table 21]

【0212】表XVは種々の組成および物理的形態の第1
a族(アルカリ金属)ポリホスファイド類の性質を示
す。電子光学的性質は金属(Li,Na,K,Rb,C
s):物理的形態−結晶、多結晶、非結晶(ボールまた
はフィルム):および化学的組成(x=15または15
より非常に大きい)に対して独立であることが、観察さ
れる。
Table XV shows the first of various compositions and physical forms.
The property of group a (alkali metal) polyphosphides is shown. Electro-optical properties are metals (Li, Na, K, Rb, C
s): physical form-crystalline, polycrystalline, amorphous (ball or film): and chemical composition (x = 15 or 15).
(Much larger) is observed.

【0213】[0213]

【表22】 [Table 22]

【0214】表XVIII は、混合したポリホスファイド類
の性質を要約し、そして混合したアルカリ金属から形成
したものが性質を変化しないこと;P部位のAsの部分
的置換が可能であり、そして抵抗を減少し、多分バンド
ギャップを減少する(すなわち、置換ドーピング)こと
を示す。
Table XVIII summarizes the properties of mixed polyphosphides and that those formed from mixed alkali metals do not change their properties; partial substitution of As at the P site is possible and resistance , And possibly the bandgap (ie, substitutional doping).

【0215】[0215]

【表23】 [Table 23]

【0216】表XIX は異なる出発供給物比から得られた
材料および性質を要約する。P対Kの出発供給物比が約
15(すなわち10〜30の間)である材料を用いて最
良の性質が得られる。10より小さいと、収率は減少
し、そして30より大きいと、非結晶ボールの物理的性
質は劣化し始める。
Table XIX summarizes the materials and properties obtained from the different starting feed ratios. The best properties are obtained with materials having a P to K starting feed ratio of about 15 (ie between 10 and 30). Below 10 the yield decreases and above 30 the physical properties of the amorphous balls begin to deteriorate.

【0217】[0217]

【表24】 [Table 24]

【0218】これらの材料のすべてはどんな形態であっ
ても、1〜3eV、とくに1.4〜2.2eVのバンド
ギャップをもつ。なぜなら1.4eVはわれわれが測定
した最低の光伝導度であり、そして2.2eVは赤リン
の推定されるバンドギャップであるからである。さらに
データが示すように、これらの最良の形態のバンドギャ
ップはほぼ1.8eVである。さらに、それらの100
〜10,000の驚ろくべき高い光伝導度比は、それら
が非常にすぐれた半導体であることを示す。
All of these materials, whatever their form, have a bandgap of 1 to 3 eV, especially 1.4 to 2.2 eV. Because 1.4 eV is the lowest photoconductivity we measured and 2.2 eV is the estimated band gap of red phosphorus. As the data further show, the bandgap of these best modes is approximately 1.8 eV. Plus, 100 of them
The surprisingly high photoconductivity ratio of ~ 10,000 indicates that they are very good semiconductors.

【0219】ドーピング xが15より非常に大きい組成を有する、3つのゾーン
の炉において単一源の蒸気移送により得られた塊状の非
結晶質MPx ボールは、切断、ラップ仕上げ、みがきお
よびエッチングにより、約0.5cmの半径の高い品質の
鏡面仕上げウェーファーに加工することができる。
Bulk amorphous MP x balls obtained by single source vapor transfer in a three zone furnace with a composition of doping x much greater than 15 were produced by cutting, lapping, polishing and etching. Can be processed into high quality mirror-finished wafers with a radius of about 0.5 cm.

【0220】これらの試料について、電気接点の異なる
幾何学的配置と用いて電気的測定を実施して、材料の塊
状伝導度を精確に測定することができる。2プローブお
よび4プローブの測定により、これらの材料の塊状伝導
度が10-8〜10-9( ohm−cm)-1であることが確認さ
れた。この伝導度は、整流性質をもつ鋭い接合を形成す
るためには、この材料について低過ぎる。したがって、
この材料における伝導機構に影響を及ぼし、伝導度を増
加する異積元素(ドーピング剤)を見つけることが、わ
れわれの目的であった。Asは他の非結晶質の典型的で
あり、この材料中の少量の不純物の存在は伝導度に影響
を及ぼさず、室温より高い温度において、ミドギャップ
(midgap)のフェルミ準位を指示する、ほぼ半分
のバンドギャップに等しい活性化エネルギーをもつ固有
の挙動を、われわれは発見した。このことが示すよう
に、P−P結合の電子波動関数(electronic
wave function)の強い摂動を、伝導度
と伝導度の型を変性するために必要とする。
Electrical measurements can be performed on these samples with different geometric arrangements of electrical contacts to accurately measure the bulk conductivity of the material. The measurements of 2 and 4 probes confirmed that the bulk conductivity of these materials was 10 −8 to 10 −9 (ohm-cm) −1 . This conductivity is too low for this material to form sharp junctions with rectifying properties. Therefore,
It was our aim to find a foreign element (doping agent) that affects the conduction mechanism in this material and increases its conductivity. As is typical of other amorphous materials, the presence of small amounts of impurities in this material has no effect on conductivity, indicating a Fermi level of the midgap above room temperature, We have found a unique behavior with activation energies equal to approximately half the bandgap. As shown in this, the electron wave function (electronic) of PP coupling is shown.
A strong perturbation of the wave function is required to modify conductivity and conductivity type.

【0221】2つの方法を取った、すなわち、(1)A
sまたはBiのP部位中への置換および(2)非結晶質
マトリックス中への異積元素の拡散である。第1方法に
おいて、K/Aa2 /P15はマトリックス中へ組み込ま
れたAsを有する。伝導度は2桁増大し(表XVIII)そし
て材料はn型にとどまる。第2方法において、多くのふ
つうの拡散剤(たとえば、Cu,Zn,Al,In,G
a,Kl)を蒸気、液体および固相の拡散で試みたが成
功しなかった。驚ろくべきことには、Ni、次いでFe
およびCrの固相からの拡散は成功した。たとえば、N
iの層を真空蒸着により、高いxのKPx ウェーファー
のよく調製された表面上へ析出した。数時間アニーリン
グした後、Niは支持体中へ約0.5ミクロメーター拡
散し、伝導度は5桁増大することがわかった。伝導はな
おn型である。
Two methods are adopted, namely, (1) A
Substitution of s or Bi into the P site and (2) diffusion of the allogeneic element into the amorphous matrix. In the first method, K / Aa 2 / P 15 has As incorporated into the matrix. The conductivity increases by two orders of magnitude (Table XVIII) and the material remains n-type. In the second method, many common diffusing agents (eg Cu, Zn, Al, In, G
a, Kl) was tried with vapor, liquid and solid phase diffusion with no success. Surprisingly, Ni, then Fe
Diffusion of Cr and Cr from the solid phase was successful. For example, N
A layer of i was deposited by vacuum evaporation onto the well-prepared surface of a high x KP x wafer. After annealing for several hours, Ni was found to diffuse into the support by about 0.5 micrometer and conductivity increased by 5 orders of magnitude. Conduction is still n-type.

【0222】より特定的には、バリアン(Varia
n)抵抗加熱された真空蒸発器内で10-6トルのもとに
ウェーファー上へ、1500オングストロームNiを析
出した。試料を排気したパイレックス管中に密閉し、3
50℃で4時間加熱した。上のNi層を除去した。2プ
ローブの方法により測定した伝導度は、10-8から10
-4より大きい値までの増加を示した。試料の化学的分析
についての電子分光光度測定(ESCA)の深さのプロ
フィルは、拡散深さが0.4ミクロメートルであること
を示し、そしてNiの化学的結合はNiであること、す
なわち、材料中の遊離のNiであることを示した。Ni
の波動関数は、P−Pマトリックスにおける電子波動関
数と重なり、伝導(移動)に影響を及ぼす。Ni温度は
約1原子%より大きい。
More specifically, Varian (Varia)
n) 1500 Å Ni was deposited on the wafer under 10 −6 Torr in a resistance-heated vacuum evaporator. Seal the sample in an evacuated Pyrex tube and
Heated at 50 ° C. for 4 hours. The upper Ni layer was removed. Conductivity measured by the two-probe method is 10 −8 to 10
It showed an increase to values greater than -4 . An electron spectrophotometric (ESCA) depth profile for the chemical analysis of the sample shows a diffusion depth of 0.4 micrometers and the chemical bond of Ni is Ni, ie It was shown to be free Ni in the material. Ni
, Overlaps with the electron wavefunction in the PP matrix and affects conduction (movement). The Ni temperature is greater than about 1 atom%.

【0223】共平面方式の蒸発した金の上面接点または
乾燥した銀ペイントは、ドーピングした層へのオーム接
点を形成する。拡散温度の変数は、Ni拡散に350℃
が最適であることを示す。拡散時間の変数は拡散方程式
に従い(拡散深さは時間の平方根に比例する)そして3
50℃で60時間加熱した1500オングストロームの
NiはESCAで測定したとき1.5ミクロメートルの
拡散深さを示した。350℃は非結晶質材料を暴露する
ことができる最高温度である。
A coplanar evaporated gold top contact or a dry silver paint forms an ohmic contact to the doped layer. Variable of diffusion temperature is 350 ℃ for Ni diffusion
Indicates that is optimal. The diffusion time variable follows the diffusion equation (diffusion depth is proportional to the square root of time) and 3
1500 Angstroms of Ni heated at 50 ° C. for 60 hours exhibited a diffusion depth of 1.5 micrometers as measured by ESCA. 350 ° C is the maximum temperature at which amorphous material can be exposed.

【0224】Niの拡散は液相、たとえばNi−Ga溶
融物から、あるいは蒸気相、たとえばNiカルボニルガ
スから、実施することもできる。さらに、FeおよびC
rは上の処理手順において同様な挙動を示すことがわか
った。たとえば、単一源の蒸気移送により得られた、塊
状の非結晶質の大きいxのボールからウェーファーを切
り、その上に500オングストロームの鉄を蒸発させ、
次いでそれを350℃において、16時間ウェーファー
中に拡散させた。2つの圧力プローブをドーピングした
材料へ適用すると、テクトロニクス(Tektroni
x)曲線上に完全に非直線の特性が得られた。
The diffusion of Ni can also be carried out from the liquid phase, eg from the Ni—Ga melt, or from the vapor phase, eg from the Ni carbonyl gas. In addition, Fe and C
It was found that r behaves similarly in the above procedure. For example, cut wafers from bulky, large amorphous x-balls obtained by single-source vapor transfer, and evaporate 500 angstroms of iron onto them.
It was then allowed to diffuse in the wafer for 16 hours at 350 ° C. Applying two pressure probes to the doped material, Tektronix
x) A completely non-linear characteristic was obtained on the curve.

【0225】大きいxの材料の他のウェーファー上に、
300オングストロームのニッケルと200オングスト
ロームの鉄を蒸着させ、次いでウェーファーを350℃
に16時間加熱した。次いで厚さ2000オングストロ
ームの半径1mmのアルミニウム接点を蒸着させ、テクト
ロニクス曲線トレーサーで電流電圧特性をアルミニウム
の点の間で測定し、再び完全に非直線の特性を得た。
On another wafer of large x material,
Evaporate 300 Å of nickel and 200 Å of iron, then heat the wafer at 350 ° C.
Heated for 16 hours. An aluminum contact with a thickness of 2000 angstrom and a radius of 1 mm was then deposited and the current-voltage characteristics were measured between the aluminum points with a Tektronix curve tracer, again obtaining a completely non-linear characteristic.

【0226】単一源の蒸気移送により製造された大きい
xの材料の他のウェーファー上に、500オングストロ
ームのニクロムを蒸着させ、次いでこのウェーファーを
拡散のため350℃に16時間加熱した。次いで、この
ウェーファー上へ厚さ2000オングストロームの半径
1mmの2つのアルミニウムの点を蒸着させ、再び2つの
アルミニウムの点の間で完全に非直線の特性が測定され
た。
500 Å of Nichrome was deposited on another wafer of large x material produced by single source vapor transfer and then heated to 350 ° C. for 16 hours for diffusion. Then, two aluminum spots having a radius of 1 mm and a thickness of 2000 angstrom were vapor-deposited on the wafer, and completely non-linear characteristics were measured between the two aluminum spots.

【0227】こうして、ニッケル、鉄およびクロムはこ
れら材料において伝導度を低下させるために有用であ
り、そして低い伝導度の材料上に、湿式銀ペイント、圧
力接点およびアルミニウム接点により接合を実施できる
と、結論される。リンの準位と重なることができる占有
されたdまたはfの外側の電子準位を有するNi,Fe
およびCrのほかに他の元素は、これらの材料における
伝導度に影響を及ぼすこと、たとえば、p−型材料を形
成すること、およびソリッドステートの装置のためのp
/n接合を形成することができることが期待される。
Thus, nickel, iron and chromium are useful for reducing conductivity in these materials, and the ability to perform bonding on low conductivity materials with wet silver paint, pressure contacts and aluminum contacts, To be concluded. Ni, Fe having an occupied electronic level outside d or f that can overlap the level of phosphorus
Other elements in addition to Cr and Cr affect the conductivity in these materials, for example forming p-type materials, and p for solid state devices.
It is expected that the / n junction can be formed.

【0228】2つの源の蒸気移送による非結晶質の高リ
ン材料 2の型の材料をこの方法により製造し、そしてこれらの
材料の性質を研究した。 1)非結晶質の塊状KPx (実施例VI)(ここでxは一方
の側でほぼ50に等しく、そして他の側でxは15より
非常に大きい)。表面分析は、この場合非常に強い、テ
ンプレイト(template)効果の仮説を立証す
る。切断し、みがいた試料の表面は、非常に高い品質が
高く、欠陥およびボイドが少なく、均一なエッチングパ
ターンをもつ。
[0228] Amorphous high recovery with vapor transfer from two sources.
Materials of the type 2 material were produced by this method and the properties of these materials were investigated. 1) Amorphous bulk KP x (Example VI), where x is approximately equal to 50 on one side and x is much greater than 15 on the other side. Surface analysis confirms the hypothesis of the template effect, which in this case is very strong. The surface of the cut and polished sample is of very high quality, has few defects and voids, and has a uniform etching pattern.

【0229】伝導度は2つのプローブ技術により測定し
て10-10(ohm −cm) -1であった。100mV/cm2 の照
明下の光伝導度比は、103 より大きい。光伝導度ピー
クはほぼ1.8eVであり、その程度のバンドギャップ
を示す。このデータが示すように、P−P結合はこの材
料の電気的および光学的性質ならびに表XVI, XVII, XVI
IIおよびXIV 中の性質を支配し、そしてその強い光伝導
度は垂下する結合の高度に減少したレベルと一致する。
The conductivity was 10 -10 (ohm-cm) -1 as measured by two probe techniques. The photoconductivity ratio under illumination of 100 mV / cm 2 is greater than 10 3 . The photoconductivity peak is approximately 1.8 eV, which indicates a band gap of that level. As the data show, the PP bond has electrical and optical properties for this material and Table XVI, XVII, XVI.
It dominates the properties in II and XIV, and its strong photoconductivity is consistent with a highly diminished level of pendant binding.

【0230】2)薄いフィルムへの背面接点のための金
属層を蒸着させたKP15の非結晶質の薄いフィルム(表
XII 、参照No. 47)。KP15の薄いフィルムの析出の
成功は、薄いフィルムの装置の多くの型を製造する機会
を与える。2つの源の移送技術により析出された非結晶
質KP15の薄いフィルムは、3cm2 の区域にわたってほ
ぼ0.5ミクロメートルの厚さを有する。このフィルム
は均一であり、そして表面の荒さは2,000オングス
トロームを超えない。このフィルムは化学的に安定であ
る。図25は、これらのKP15フィルムの1種の表面の
2000倍の顕微鏡写真である。支持体への接着はきわ
めてすぐれる。このフィルムの定量分析は、走査電子顕
微鏡(SEM)およびエネルギー分散X線(EDAX)
の測定を用いて実施した。このフィルムの組成は、KP
15の公称組成と一致することがわかった。この均一な組
成の、均質な、ピンホールを含まない表面は、フィルム
を横切って電子光学的性質を均一とする。
2) KP 15 amorphous thin film (Table) deposited with a metal layer for back contact to the thin film.
XII, ref. No. 47). The successful deposition of thin films of KP 15 offers the opportunity to manufacture many forms of thin film equipment. The thin film of amorphous KP 15 deposited by the two-source transfer technique has a thickness of approximately 0.5 micrometers over an area of 3 cm 2 . The film is uniform, and the surface roughness does not exceed 2,000 Angstroms. This film is chemically stable. FIG. 25 is a 2000X photomicrograph of the surface of one of these KP 15 films. The adhesion to the support is very good. Quantitative analysis of this film was performed by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray (EDAX).
The measurement was performed using The composition of this film is KP
It was found to match 15 nominal compositions. This uniform composition, homogeneous, pinhole-free surface provides uniform electro-optical properties across the film.

【0231】塊状非結晶質KPx 中へのNiの拡散する
能力から見て、Niフィルム172をガラス支持体17
0上へ析出させて、図26に示すように、非結晶質KP
15層174のための背面接点を形成した。Niは背面接
点および拡散体としての役目をする。ESCAおよびS
EMのプロフィルは、NiがKP15フィルム174中
に、KP15生長過程の間200オングストローム/時の
速度で十分に拡散することを示す。
From the ability of Ni to diffuse into massive amorphous KP x , Ni film 172 was applied to glass support 17
26, the amorphous KP
The back contact for 15 layers 174 was formed. Ni acts as a back contact and a diffuser. ESCA and S
The EM profile shows that Ni diffuses well into KP 15 film 174 at a rate of 200 Å / hr during the KP 15 growth process.

【0232】より詳細には、1500オングストローム
のNi172をガラススライド170上へ10-6トルに
おいて蒸着により析出させた。次いでNi表面の一部分
をTaマスクでマスクして、電気接点のための材料不含
区域を形成する。2ミクロメートルのリンKP15174
を、2つの源の装置によりNiフィルム172上へ析出
する。この組成物の組成はKP15であると同定され、そ
れは非結晶質であり、フィルム中へ拡散した1%より多
いNiを含有する。
More specifically, 1500 Å of Ni 172 was deposited by vapor deposition onto glass slide 170 at 10 −6 Torr. A portion of the Ni surface is then masked with a Ta mask to form material free areas for electrical contacts. 2 micrometer phosphorus KP 15 174
Are deposited on Ni film 172 by a two source device. The composition of this composition was identified to be KP 15 , which is amorphous and contains more than 1% Ni diffused into the film.

【0233】電気プローブにより圧力接点を、KP15
ィルムの上面へ適用した。2本のリード線を、背面接点
および上面の圧力接点から、テクトロニクス曲線トレー
サー176へ接続して、電流電圧特性を観測した。整流
圧力接点の接合の前進特性を図27に示し、これは0.
5eVのバリヤー高さおよびmA範囲の電流を有する接
合を示す。
Pressure contacts were applied to the top surface of the KP 15 film by an electric probe. Two lead wires were connected to the Tektronix curve tracer 176 from the back contact and the pressure contact on the upper surface, and the current-voltage characteristics were observed. The advancing characteristics of the commutation pressure contact junction are shown in FIG.
7 shows a junction with a barrier height of 5 eV and a current in the mA range.

【0234】図28に示すように、真空蒸着により、半
径2mmのCu接点178をKP15の非結晶質層182
(2つの源の技術によりガラス支持体186上に析出し
たNi層184上に生長させた)の上面180上に析出
させた。テクトロニクス曲線トレーサー176を、図示
するように、接続し、図29に示す完全に前進する逆バ
イアス接合曲線を測定した。こうして、これはCuがこ
れらの材料と接合を形成することを示す。
As shown in FIG. 28, a Cu contact 178 having a radius of 2 mm is formed on the amorphous layer 182 of KP 15 by vacuum evaporation.
Deposited on top surface 180 (grown on Ni layer 184 deposited on glass support 186 by two-source technique). The Tektronix curve tracer 176 was connected as shown and the fully advanced reverse bias junction curve shown in Figure 29 was measured. Thus, this indicates that Cu forms a bond with these materials.

【0235】引き続いて、同様な金属の点を上面接点と
して析出させて、接点の端縁における漏れ電流効果を減
少させた。面積10-3cm2 上面接点および10-5cm2
上面接点を、真空蒸着器内で機械的マスクにより析出さ
せた。図31に示すI−V特性が、Cu,Au、および
Alの上面接点を用いて観測される。それらは、各場合
において、2つの背面対背面ダイオードの破壊電圧とし
て現われる。同様な曲線は、上面接点としてNi,T
i,MgおよびAgを用いて得られた。
Subsequently, similar metal dots were deposited as top contacts to reduce the leakage current effect at the edges of the contacts. Area 10 −3 cm 2 top contacts and 10 −5 cm 2 top contacts were deposited by mechanical masking in a vacuum evaporator. The IV characteristics shown in FIG. 31 are observed using Cu, Au, and Al top contacts. They appear in each case as two back-to-back diode breakdown voltages. A similar curve shows Ni, T as the top contact.
Obtained using i, Mg and Ag.

【0236】最も有意な差は、10Vをこの装置に印加
した後、Au接点がI−V特性を変えるということであ
る。このI−V特性は、図32に示すように、非対称と
なり、そしてよりオーミック(ohmic)な接点が、
この「形成」後、Au界面に形成する。この「形成」は
Auでは絶えず観測され、そしてAgおよびCuの上面
接点では時々観測される。この「形成」はこの装置に永
久的に影響を及ぼさないが、電圧を印加するときにはい
つでも再び現われる。この装置を300℃に加熱するこ
とは、この現象に影響を及ぼさない。この装置を−20
℃に冷却すると、非常に鋭いI−V特性が生ずる(図3
3)。
The most significant difference is that after applying 10V to this device, the Au contacts change the IV characteristics. This IV characteristic is asymmetrical, as shown in FIG. 32, and a more ohmic contact is
After this "formation", it is formed at the Au interface. This "formation" is constantly observed with Au, and occasionally with Ag and Cu top contacts. This "forming" does not permanently affect the device, but it reappears whenever a voltage is applied. Heating this device to 300 ° C. does not affect this phenomenon. -20
Cooling to ℃ results in a very sharp IV characteristic (Fig. 3).
3).

【0237】「形成」は、装置の拡散部分と上面接点と
の間に残る高い抵抗の層の破壊であるように思われる。
図34,35および図36中に示すキャパシタンス−電
圧(C−V)特性は、同じ方向を指している。Alおよ
びAuの上面接点は、二重ダイオードのC−V特性を有
するが、Au接点の場合において単一のダイオード挙動
に変わる。ほぼ10の誘電定数を仮定すると、ほぼ10
16のキャリヤー濃度およびほぼ10-2〜1cm2 /ボルト
・秒のキャリヤー移動度を誘導できる。図37における
キャパシタンスおよび抵抗の周波数依存性を用いて多接
合をモデル化することができ、この接合は活性材料中に
等級づけた拡散プロフィルをもつこのような構造におい
て形成できる。さらに、劣った塊状材料の品質(低い密
度)および荒い表面の形態は複雑な観測結果を与える。
それにもかかわらず、非結晶質の2つの源の薄いフィル
ムKP15上の接合形成能力が立証された。
"Formation" appears to be the breakdown of the high resistance layer that remains between the diffused portion of the device and the top contact.
The capacitance-voltage (CV) characteristics shown in FIGS. 34, 35 and 36 point in the same direction. The top contacts of Al and Au have the C-V characteristics of a dual diode, but in the case of Au contacts, they transform into a single diode behavior. Assuming a dielectric constant of approximately 10, approximately 10
Carrier concentrations of 16 and carrier mobilities of approximately 10 -2 to 1 cm 2 / volt · sec can be induced. The frequency dependence of capacitance and resistance in Figure 37 can be used to model multiple junctions, which can be formed in such structures with graded diffusion profiles in the active material. In addition, poor bulk material quality (low density) and rough surface morphology give complex observations.
Nonetheless, the ability to form a bond on a thin film KP 15 from two amorphous sources was demonstrated.

【0238】上記現象のあるもの、たとえば、Auの上
面接点を用いる「形成」は、Ni上に析出した、フラッ
シュ蒸発させた薄いフィルムで観察された。このフィル
ムは純粋なKP15でないが、きわめてすぐれた品質をも
つ。この場合C−V依存性は見られない。非常に薄い装
置は光に対する応答性がすぐれ、そして可視光線で照明
したとき、短かい回路条件下でそれから小さい電流(1
-6アンペア)が引き出された。
Some of the above phenomena, such as "formation" using a top contact of Au, was observed with flash evaporated thin films deposited on Ni. This film is not pure KP 15 , but has very good quality. In this case, C-V dependence is not seen. Very thin devices have excellent light responsiveness, and when illuminated with visible light, under short circuit conditions then a small current (1
0 -6 amps) is pulled out.

【0239】CVD技術により作られたKP15の薄いフ
ィルムは、それが十分に厚いとき、同様な挙動を生ずる
であろう。それが薄過ぎるとき、ショートすることがわ
かった。これらの材料を用いた接合の形成は、それらを
使用してPN接合、ショートキーダイオード、または金
属酸化物(MOS)装置を形成できることを示す。
A thin film of KP 15 made by the CVD technique will produce similar behavior when it is thick enough. It turned out to be a short when it was too thin. The formation of junctions with these materials shows that they can be used to form PN junctions, short key diodes, or metal oxide (MOS) devices.

【0240】前述のクラスのドーピング剤を使用するこ
とにより、材料をP型伝導に変えることができ、こうし
て全範囲の半導体において有用であろう。本発明の材料
とそれに取り付けられたそれを電気的に連絡するための
手段とからなる半導体装置を形成することにより、光伝
導度比をすべてのこれらにおいて得た。この手段は、図
30に図解する材料へ取り付けられた2つの単一の電極
80および82から構成された。
By using the above classes of doping agents, the material can be converted to P-type conduction and thus be useful in the full range of semiconductors. Photoconductivity ratios were obtained in all of these by forming a semiconductor device consisting of the material of the invention and a means for electrically connecting it attached to it. This means consisted of two single electrodes 80 and 82 attached to the material illustrated in FIG.

【0241】さらに詳しくは、MP15の単結晶につい
て、2枚の鋼ストリップ80および82をガラス支持体
84へ接着剤で取り付けた。上記の技術に従って作った
KP15の試料86を一端においてストリップ80および
82を横切って橋かけさせ、銀ペイント88によりそれ
へ取り付けた。ストリップ80,82の他端に電位計9
0を取り付け、KP15へ電位を導入し、これによりKP
15の抵抗を測定する。
More specifically, for a MP 15 single crystal, two steel strips 80 and 82 were adhesively attached to a glass support 84. A sample 86 of KP 15 made according to the technique described above was cross-linked at one end across strips 80 and 82 and attached thereto by silver paint 88. An electrometer 9 is attached to the other end of the strips 80 and 82.
0 is attached and an electric potential is introduced to KP 15 , which causes KP 15
Measure 15 resistance.

【0242】図30の得られた装置および他の材料を用
いる同様な装置は、本発明の高リン材料を実際に使用し
て電流の流れを、少なくとも感光性レジストとして、制
御できることを確立した。さらに、本発明の材料は、4
°Kの温度において1.8eVに放射ピークをもつルミ
ネセンス特性および周囲温度におけるルミネセンスを示
す。
The resulting device of FIG. 30 and similar devices using other materials have established that the high phosphorus materials of the present invention can be used to control current flow, at least as a photosensitive resist. Further, the material of the present invention is 4
It shows the luminescence properties with an emission peak at 1.8 eV at a temperature of ° K and the luminescence at ambient temperature.

【0243】大きい結晶の単結晶系Pの製造ルビジウム RbP15を用いて大きい結晶の単結晶系のリンを製造で
きることがわかった。直径10mm×内径6mm×5.0cm
の石英管に0.62gのRbP15の試料を真空封入し、
るつぼ炉内に垂直に配置し、温度勾配に暴露して、Rb
15供給物が552℃に維持されると同時に、管の上部
が539℃に維持されるようにした。ほぼ22時間加熱
した後、管を開き、切頭錐の形の、ヘリが3.0mm程度
に大きい単結晶系のリンの単結晶を管の上の(冷たい)
領域において得た。
Production of Large Crystal Single Crystal System P It was found that large crystal single crystal phosphorus can be produced using rubidium RbP 15 . Diameter 10 mm x Inner Diameter 6 mm x 5.0 cm
0.62g of RbP 15 sample was vacuum sealed in the quartz tube of
Placed vertically in crucible furnace and exposed to temperature gradient
The P 15 feed was maintained at 552 ° C while maintaining the top of the tube at 539 ° C. After heating for about 22 hours, open the tube and open a truncated pyramid-shaped single crystal phosphorus single crystal with a helicopter size of about 3.0 mm (cold).
Got in the area.

【0244】大きい結晶の単結晶系のリンは、RbとP
との1対15の原子比の混合物(RbP15)から製造で
きることもわかった。セシウムおよびナトリウム 単斜晶系の大きい単結晶は、蒸気移送により、本発明の
凝縮相法において形成したCsP15またはNaP15を用
いてまた生成させた。各実験において、ほぼ0.5gの
適当なアルカリ金属ポリホスファイドを、長さ8.9cm
の石英管(外径10mm×内径6mm)内に真空密封した。
次いで管を温度勾配に暴露して、アルカリ金属ポリホス
ファイド供給物が558℃に維持されると同時に、管の
上部が514℃に維持されるようにした。48時間後、
単斜晶系の大きい深赤色の結晶質の重なって四角形の小
板がCsP15供給物から形成した。
Large crystal single-crystal phosphorus has Rb and P
It was also found that it could be prepared from a mixture (RbP 15 ) in an atomic ratio of 1:15 with. Large cesium and sodium monoclinic single crystals were also produced by vapor transfer with CsP 15 or NaP 15 formed in the condensed phase process of the present invention. In each experiment, approximately 0.5 g of the appropriate alkali metal polyphosphide was added to a length of 8.9 cm.
It was vacuum-sealed in a quartz tube (10 mm outer diameter × 6 mm inner diameter).
The tube was then exposed to a temperature gradient such that the alkali metal polyphosphide feed was maintained at 558 ° C while maintaining the top of the tube at 514 ° C. 48 hours later,
Large, monoclinic, deep-red crystalline overlapping square platelets were formed from the CsP 15 feed.

【0245】CaP15およびNaP15の凝縮相供給物か
ら生長させた単斜晶系のリンの結晶の形態は、非常に類
似し、すなわち、重なった四角形の小板であるように見
える。これはRbP15供給物から生長させた単斜晶系の
リンの結晶の切頭錐の晶癖と対称的である。大きい結晶
の単斜晶系のリンは同様に高温に維持したCs/P11
およびCs/P11とCs/P15との混合物から製造でき
ることがわかった。
The morphology of monoclinic phosphorus crystals grown from CaP 15 and NaP 15 condensed phase feeds appears to be very similar, ie, overlapping square platelets. This is in symmetry with the truncated pyramidal habit of monoclinic phosphorus crystals grown from the RbP 15 feed. Larger crystals of monoclinic phosphorus also have Cs / P 11 maintained at high temperatures,
It was found that it can be produced from a mixture of Cs / P 11 and Cs / P 15 .

【0246】カリウム 同様な方法を用いて、凝縮相のKP15、およびK/P30
とK/P125 との混合物から単斜晶系のリンの結晶を製
造した。リチウム リチウム/リン供給物を用いて実験を行った。しかしな
がら、同様な条件下にこの材料から大きい結晶の単斜晶
系のリンを製造できるであろう。
Potassium Using a similar method, KP 15 in condensed phase, and K / P 30
Crystals of monoclinic phosphorus were prepared from a mixture of K / P 125 and K / P 125 . Experiments were carried out using lithium lithium / phosphorus feed. However, large crystal monoclinic phosphorus could be produced from this material under similar conditions.

【0247】温度の効果 存在するアルカリ金属の性質は重要でないように思われ
るが、供給物が維持される温度は結晶の生長にとって明
らかに非常に重要である。Cs/P11のボールミリング
した系の場合において、大きい結晶は供給物を555℃
と554℃に維持する実験において製造された。しかし
ながら、供給物を565℃および545℃に保持した実
験において大きい単結晶系の結晶は生成しなかった。
Effect of Temperature The nature of the alkali metal present does not appear to be important, but the temperature at which the feed is maintained is clearly very important for crystal growth. In the case of Cs / P 11 ball milled system, large crystals feed 555 ° C.
Manufactured in an experiment in which the temperature was maintained at 554 ° C. However, large single crystal system crystals did not form in the experiments where the feed was held at 565 ° C and 545 ° C.

【0248】図38を参照すると、好ましい装置を用
い、凝縮相法により製造したRbP15の0.6gの試料
を外径12mm×内径6mm×長さ8cmのガラス管270に
真空封入した。上部を直径16mmの平らなガラス表面2
72で密閉した。充填管274は、供給および排気後密
閉される拘束部276を有する。この管を温度勾配に暴
露して、管の上部の平らな表面272を462℃に維持
し、同時に管の底部の供給物を550℃に維持した。1
40時間加熱後、もとの供給物のほぼ半分が平らな表面
に移送された。
Referring to FIG. 38, using a preferred apparatus, a 0.6 g sample of RbP 15 produced by the condensed phase method was vacuum sealed in a glass tube 270 having an outer diameter of 12 mm × an inner diameter of 6 mm × a length of 8 cm. The top is a flat glass surface with a diameter of 16 mm 2
Sealed at 72. The filling pipe 274 has a restraint portion 276 that is sealed after being supplied and exhausted. The tube was exposed to a temperature gradient to maintain a flat surface 272 on the top of the tube at 462 ° C, while maintaining the feed at the bottom of the tube at 550 ° C. 1
After heating for 40 hours, approximately half of the original feed was transferred to a flat surface.

【0249】得られたボタン様ボールを裂き、検査し
た。それは完全に均一な淡赤色の繊維−所望の大きい結
晶の単斜晶系のリンではない−から構成されていた。図
44および図45は、この生成物のそれぞれ200倍お
よび1000倍のSEM顕微鏡写真である。図44およ
び図45のSEM顕微鏡写真は、明らかに驚ろくべきも
のであった。個々の「繊維」は、長い小板の束から成
り、小板は端から見たとき星形棒に見えるように結合さ
れている。こうして、この材料は、99.9999%の
赤リン供給物から蒸気移送により製造された、「ねじれ
た管」(下を参照)と外観がきわめて異なる。
The button-like balls obtained were torn and inspected. It consisted of perfectly uniform pale red fibers-not the desired large crystalline monoclinic phosphorus. Figures 44 and 45 are SEM micrographs of this product at 200x and 1000x, respectively. The SEM micrographs of Figures 44 and 45 were clearly surprising. Each "fiber" consists of a bundle of long platelets, which are joined together so that they look like a star when viewed from the end. Thus, this material is very different in appearance from the "twisted tube" (see below) made by vapor transfer from a 99.9999% red phosphorus feed.

【0250】大きい結晶の単斜晶系のリンを形成するた
めの凝縮温度は、500〜560℃の範囲であろう。さ
らに、実験が示すように、好ましい凝縮温度は約539
℃である。供給物は、前に示したように、545℃以上
かつ565℃以下の温度に加熱しなくてはならない。本
発明において好ましい範囲は550〜560℃であり、
約555℃は最良の結果を与える。
The condensation temperature to form large crystalline monoclinic phosphorus will be in the range 500-560 ° C. Further, as experiments show, the preferred condensation temperature is about 539.
℃. The feed must be heated to a temperature above 545 ° C and below 565 ° C, as indicated previously. In the present invention, the preferred range is 550 to 560 ° C,
About 555 ° C gives the best results.

【0251】組成の影響 11〜125のP対アルカリ金属の比の供給物から単斜
晶系のリンを製造した。しかしながら、約15の比は最
も有効であるように思われる。アルカリ金属の存在下に蒸気から凝縮した単斜晶系のリ
ンの特性 図39は、RbP15供給物から製造したリンの角柱形単
斜晶系を示す、50倍の顕微鏡写真である。これらの結
晶は、劈開困難である。同様な結晶を、アルカリ金属と
してナトリウムを使用する供給物から製造する。4×3
×2mm程度に大きい結晶を製造した。
Compositional Effects Monoclinic phosphorus was prepared from feeds with a P to alkali metal ratio of 11 to 125. However, a ratio of about 15 seems to be most effective. Monoclinic liquid condensed from vapor in the presence of alkali metals.
Characteristics of emissions Figure 39 shows a phosphorus prismatic monoclinic prepared from RBP 15 feed a micrograph of 50 times. These crystals are difficult to cleave. Similar crystals are made from a feed that uses sodium as the alkali metal. 4x3
Crystals as large as × 2 mm were produced.

【0252】図40は、Cs/P11のボールミリングし
た混合物から製造した単斜晶系のリンの結晶の、80倍
の顕微鏡写真であるこれらの小板は容易に劈開して雲母
様シートとなる。同様な結晶はK/P15の供給物から製
造することができる。側面が4mm程度に大きく、厚さ2
mmのこの晶癖を製造した。この結晶は複屈折性であるこ
とが測定された。偏光顕微鏡において交差した偏光体の
内に置くと、結晶は光を回転させ、光の一部分を通過さ
せる。こうして、結晶を複屈折装置、たとえば、スペク
トルの赤および赤外部分の旋光体として使用できる。
FIG. 40 is an 80X photomicrograph of monoclinic phosphorus crystals made from a ball-milled mixture of Cs / P 11 These platelets were easily cleaved to form mica-like sheets. Become. Similar crystals can be produced from a K / P 15 feed. The side is as large as 4mm, and the thickness is 2
mm of this crystal habit was produced. The crystal was determined to be birefringent. When placed in a crossed polariser in a polarizing microscope, the crystal rotates the light and allows a portion of the light to pass through. Thus, the crystal can be used as a birefringent device, for example as an optical rotator in the red and infrared parts of the spectrum.

【0253】化学分析すると、結晶は500〜2000
ppm のアルカリ金属を含有する。結晶は、ヒットルフの
リンを製造する先行技術の方法における11日に対し
て、22時間程度に短かい時間で製造される。これらの
結晶の粉末X線回折図形は、先行技術のヒットルフのリ
ンのそれに一致する。
Chemical analysis shows that the crystals are 500 to 2000.
Containing ppm of alkali metal. Crystals are produced in as little as 22 hours, as opposed to 11 days in the prior art method of producing Hittorf's phosphorus. The powder X-ray diffraction patterns of these crystals are in agreement with those of the prior art Hittorf phosphorus.

【0254】図41および図42に示す光ルミネセンス
のスペクトルは、アルゴン・レーザー・ラマン分光光度
計を用いて得た。1.91eVにおける幅広いピークが
明らかに観察され、半分の幅は約0.29eVである。
このことは室温におけるバンドギャップが約2.0eV
であることを示す。図41のスペクトルはセシウムの存
在下に製造したリンの単斜晶系を用いてとり、一方、図
42のスペクトルはルビジウムの存在下で凝縮した単斜
晶系のリンを用いた取った。
The photoluminescence spectra shown in FIGS. 41 and 42 were obtained using an argon laser Raman spectrophotometer. A broad peak at 1.91 eV is clearly observed and the half-width is about 0.29 eV.
This means that the bandgap at room temperature is about 2.0 eV.
Is shown. The spectra of FIG. 41 were taken with a monoclinic system of phosphorus prepared in the presence of cesium, while the spectra of FIG. 42 were taken with a monoclinic system of phosphorus condensed in the presence of rubidium.

【0255】図43のラマンスペクトルは、ルビジウム
の存在下に形成した単斜晶系のリンの結晶を用いて取っ
た。ピーク280,282,283,284および28
5は波数285,367,465,483および529
において存在する。直径約25ミクロメートルの蒸発さ
せた点を、電気的測定のために単斜晶系のリンの大きい
結晶(Rb/P15源から)上に析出させた。この結晶の
抵抗は、10-6オーム〜107 オームであり、結晶の形
状寸法および接点の大きさに対して事実上独立であっ
た。これは表面抵抗を反映する。
The Raman spectrum of FIG. 43 was taken using monoclinic phosphorus crystals formed in the presence of rubidium. Peaks 280, 282, 283, 284 and 28
5 is wave number 285, 367, 465, 483 and 529
Exists in. Evaporated spots of about 25 micrometers in diameter were deposited on monoclinic large phosphorus crystals (from Rb / P 15 source) for electrical measurements. The resistance of this crystal was 10 −6 ohms to 10 7 ohms and was virtually independent of crystal geometry and contact size. This reflects surface resistance.

【0256】これらの結晶は、3〜5材料たとえばリン
化インジウムまたはリン化ガリウムを析出するための支
持体として使用できる。それらは発光表示装置における
発光体、半導体、レーザー、および他の半導体装置にお
ける出発材料として使用できる。ねじれた繊維状リン 供給物中のアルカリ金属の存在は、大きい結晶の単斜晶
系のリンの製造において重要であると思われる。種々の
アルカリ金属/リン系で有効であった条件をまねること
により、99.9999%の純度の赤リンから単斜晶系
のリンの大きい単結晶を製造することを、試みた。この
試みは失敗した。単斜晶系のリンは生成しなかった。た
とえば、99.9999%の純粋な赤リンの0.6gの
試料を垂直に位置した外径10mm×内径6mmの石英管内
で、排気し密閉した管中で552℃に加熱した。長さ
2.75インチ(7.0cm)の管の底部と上部との間の
温度勾配は、43℃であった。24時間加熱後、供給物
の半分より多くが管の3分の1上部へ移送され、ここで
ボールが形成した。
These crystals can be used as supports for depositing 3-5 materials such as indium phosphide or gallium phosphide. They can be used as emitters in light emitting displays, semiconductors, lasers, and as starting materials in other semiconductor devices. The presence of alkali metals in the twisted fibrous phosphorus feed appears to be important in the production of large crystal monoclinic phosphorus. Attempts were made to produce large monoclinic phosphorus single crystals from red phosphorus with a purity of 99.9999% by imitating the conditions that were effective with various alkali metal / phosphorus systems. This attempt failed. No monoclinic phosphorus was produced. For example, a 0.6 g sample of 99.9999% pure red phosphorus was heated to 552 ° C. in a vertically positioned quartz tube of 10 mm outer diameter × 6 mm inner diameter in an evacuated and sealed tube. The temperature gradient between the bottom and top of a 2.75 inch (7.0 cm) long tube was 43 ° C. After heating for 24 hours, more than half of the feed was transferred to the upper third of the tube where balls formed.

【0257】驚ろくべきことには、ボールは完全に赤い
繊維質材料から成ることがわかった。数本の長い(ほぼ
1.5mm)繊維は、ボールの底部の蒸気空間中に存在し
た。深赤色の繊維を顕微鏡で検査すると、それらはねじ
れていた。この繊維材料についてのXRDデータは、多
結晶質KPx (ここでxは15より非常に大きい)につ
いて初めて得られたデータと一致することがわかった。
図46は、これらの繊維の500倍のSEM顕微鏡写真
である。
It was surprisingly found that the balls consist entirely of red fibrous material. Several long fibers (approximately 1.5 mm) were present in the vapor space at the bottom of the ball. When the deep red fibers were examined microscopically, they were twisted. The XRD data for this fibrous material was found to be consistent with the data initially obtained for polycrystalline KP x, where x is much greater than 15.
Figure 46 is a 500X SEM micrograph of these fibers.

【0258】示差熱分析(DTA)のデータは、多結晶
質の大きいxの材料について得られたデータに類似し
た。2回のDTA測定について、第1熱プロットは62
2℃(平均)における単一の吸熱から成っていた。第2
熱プロットは、両者の場合において599℃における単
一の吸熱から成っていた。多結晶の大きいxの材料につ
いて初めに得られたDTAデータは、第1の熱の単一の
吸収(614℃)と第2の熱の単一の吸収(590℃)
から成っていた。こうして、99.9999%の赤リン
から製造された繊維質リンと多結晶質の大きいxの材料
は、実質的に類似した。
Differential thermal analysis (DTA) data were similar to those obtained for the polycrystalline large x material. The first heat plot is 62 for two DTA measurements.
It consisted of a single endotherm at 2 ° C (average). Second
The heat plot consisted of a single endotherm at 599 ° C in both cases. The DTA data initially obtained for the polycrystalline large x material show that the first heat single absorption (614 ° C.) and the second heat single absorption (590 ° C.)
Was made of. Thus, the fibrous phosphorus made from 99.9999% red phosphorus and the polycrystalline large x material were substantially similar.

【0259】フラッシュ蒸発 フラッシュ蒸発法を用いてガラスとニッケル被覆ガラス
支持体上に、安定な薄いフィルムを形成することに成功
した。フラッシュ蒸発装置を、図47において、302
で一般に示す。それは管306を経て真空系(図示せ
ず)へ接続されたガラスシリンダー304からなる。ア
ルゴンを供給管310の入口308に供給する。ため3
12に、凝縮相法により形成したKP15粉末を満たす。
それを314に一般に示す振動機によりかきまぜ、一般
に316に示すベンチュリを経るアルゴン流により取り
上げる。次いでそれは反応器304に流入し、管317
を通過して鋼製感受体318へ入る。この感受体はRF
コイル318により少なくとも900℃の温度に加熱
し、KP15を蒸発させる。管316の端において、図4
0に示すように、複数の小さいオリフィス321を有す
る、図41において一般に320に示す複数の小管を組
み合わせることによって、ノズルが形成されている。管
317および320はアルミナでありそして管320は
酸化マグネシウムセメント322により管317の端内
に保持されている。
Flash Evaporation Flash evaporation has been successfully used to form stable thin films on glass and nickel coated glass substrates. The flash evaporator is shown in FIG.
Generally indicated by. It consists of a glass cylinder 304 connected via a tube 306 to a vacuum system (not shown). Argon is supplied to the inlet 308 of the supply pipe 310. For 3
Fill 12 with KP 15 powder formed by the condensed phase method.
It is agitated by a vibrator, generally indicated at 314, and picked up by an argon flow, generally at 316, through a venturi. It then flows into reactor 304 and pipe 317.
And enters the steel susceptor 318. This susceptor is RF
Coil 318 heats to a temperature of at least 900 ° C. to vaporize KP 15 . At the end of tube 316, FIG.
Nozzles are formed by combining a plurality of small tubes, generally designated 320 in FIG. 41, having a plurality of small orifices 321 as shown in FIG. Tubes 317 and 320 are alumina and tube 320 is held within the end of tube 317 by magnesium oxide cement 322.

【0260】KP15は蒸発すると解離してその構成成分
になり、そしてこの蒸発はアルゴンガスによりオリフィ
ス321を通して運ばれる。フィルムは冷たい支持体3
24上に析出する。支持体は電気接続328により給電
される熱線326により加熱することができる。アルミ
ナ管317は、外径0.25インチ(0.64cm)と内
径0.125インチ(0.318cm)をもつ。管328
は外径0.0625インチ(0.159cm)、長さ0.
25は外径0.064cm)であり、そして直径0.06
25インチ(0.159cm)の貫通孔を4個有する。
Upon evaporation, KP 15 dissociates into its constituents, and this evaporation is carried by the argon gas through orifice 321. Film is cold support 3
Precipitates on 24. The support can be heated by a hot wire 326 that is powered by electrical connection 328. Alumina tube 317 has an outer diameter of 0.25 inch (0.64 cm) and an inner diameter of 0.125 inch (0.318 cm). Tube 328
Has an outer diameter of 0.0625 inch (0.159 cm) and a length of 0.
25 has an outer diameter of 0.064 cm) and a diameter of 0.06
It has four 25-inch (0.159 cm) through holes.

【0261】この装置は0.1〜0.5mmHgの減圧下に
作動される。厚さが1ミクロンまでの非結晶質フィルム
を15分までの実験において形成できる。実験の終りに
おいて、支持体324は、室温において出発するか、あ
るいは初め200℃に予熱するかに依存して200〜3
00℃の温度になる。化学的蒸気析出 化学的蒸気析出により、KP15の薄いフィルムを製造し
た。
This apparatus is operated under a reduced pressure of 0.1 to 0.5 mmHg. Amorphous films up to 1 micron thick can be formed in experiments up to 15 minutes. At the end of the experiment, the support 324 is 200 to 3 depending on whether it starts at room temperature or is initially preheated to 200 ° C.
It reaches a temperature of 00 ° C. Chemical vapor deposition A thin film of KP 15 was produced by chemical vapor deposition.

【0262】典型的な化学的蒸気析出反応器を図50に
示す。それはパイレックスから形成されている。反応室
401は内径26mm×長さ27.0cmの管であり、その
中央にサーモウエルおよび支持体ホルダーの両者の役割
をする内径6.0mm×長さ30.0cmの管が位置する。
ベント管404は気体排出流の連続的除去を可能とす
る。それは、流れを空気中に排出する前に未反応のリン
を除去するトラップ(図示せず)へ取り付けられてい
る。ベント管404とOリングのカラー403は、内径
2.0cmのOリングのジョイント405を経て取り付け
られている。反応室401は一般に406で示す抵抗炉
内に位置する。
A typical chemical vapor deposition reactor is shown in FIG. It is made of Pyrex. The reaction chamber 401 is a tube having an inner diameter of 26 mm and a length of 27.0 cm, and a tube having an inner diameter of 6.0 mm and a length of 30.0 cm serving both as a thermowell and a support holder is located in the center of the reaction chamber 401.
Vent tube 404 allows for continuous removal of the gas exhaust stream. It is attached to a trap (not shown) that removes unreacted phosphorus before exhausting the stream into air. The vent pipe 404 and the O-ring collar 403 are attached via an O-ring joint 405 having an inner diameter of 2.0 cm. Reaction chamber 401 is located in a resistance furnace, generally indicated at 406.

【0263】溶融したりリンをピストンポンプ(図示せ
ず)により内径1.0mmの毛管407を経て蒸発室40
8へ入れる。溶融したリンは蒸発室408内で、内径
6.0mmの入口管409から蒸発室408中へ注入され
るアルゴン流によって、蒸発させる。気体のリン/アル
ゴン流は、ノズル410から反応室へ入る。ノズル41
0は4.0 の開口を有する。蒸発室408は、一般に
411で示す抵抗炉内に位置する。
The molten or phosphorus is melted by a piston pump (not shown) through a capillary tube 407 having an inner diameter of 1.0 mm and an evaporation chamber 40.
Put in 8. The molten phosphorus is vaporized in the evaporation chamber 408 by an argon flow injected into the evaporation chamber 408 through an inlet pipe 409 having an inner diameter of 6.0 mm. A gaseous phosphorus / argon stream enters the reaction chamber through nozzle 410. Nozzle 41
0 has an opening of 4.0. Evaporation chamber 408 is located in a resistance furnace, generally indicated at 411.

【0264】カリウムとアルゴンとの気体混合物は、計
量されて、内径6.0mmの入口管412から反応室40
1へ入る。カリウム/アルゴン流のシュラウド(shr
oud)として作用する純粋なアルゴンは、この系へ内
径6.0mmの管413から入る。カリウム/アルゴン流
および純粋なアルゴン流は、反応室401へ414にお
いて入る。カリウム/アルゴンおよび純粋なアルゴンの
ライン(412,413)は、一般に415で示す抵抗
炉内に位置する。
The gas mixture of potassium and argon was weighed and measured from the inlet tube 412 having an inner diameter of 6.0 mm to the reaction chamber 40.
Enter 1. Shroud of potassium / argon flow (shr
Pure argon, acting as aud), enters the system through a tube 413 with an internal diameter of 6.0 mm. The potassium / argon stream and the pure argon stream enter the reaction chamber 401 at 414. The potassium / argon and pure argon lines (412, 413) are located in a resistance furnace, generally indicated at 415.

【0265】支持体416はサーモウエル402上に位
置する。支持体416の温度は、サーモウエル402上
の支持体416のすぐ下に位置する熱電対417により
測定する。操作の間、炉406,411および415を
適当な温度に維持する。気体の反応成分の流れは、反応
室410および414において入る。排出ガス混合物
は、ベント管404から反応室を去る。所望のフィルム
は支持体416上に形成する。
The support 416 is located on the thermowell 402. The temperature of the support 416 is measured by a thermocouple 417 located on the thermowell 402 just below the support 416. The furnaces 406, 411 and 415 are maintained at the proper temperature during operation. The gaseous reactant flow enters in reaction chambers 410 and 414. The exhaust gas mixture leaves the reaction chamber via vent pipe 404. The desired film is formed on the support 416.

【0266】支持体は310〜350℃の温度に維持
し、温度±2℃の一室に保持する。典型的な実験におい
て、1.24gのリンと0.13gのカリウムを反応器
の中へ2時間かけて供給する。合計のアルゴンの流速
は、実験の間250ml/分に維持する。ある数の実験を
実施し、リン/アルゴンおよびカリウム/アルゴンを反
応器へ同時に供給した。リン/アルゴンの流れはほぼ2
90℃に維持し、そしてカリウム/アルゴンの流れはほ
ぼ410℃に維持した。反応器中の反応成分の計算した
原子比は、ほぼ15のP/Kであった。典型的な実験に
おいて、液体のリンの供給速度は0.34ml/時であっ
た。
The support is maintained at a temperature of 310 to 350 ° C. and kept in a chamber at a temperature of ± 2 ° C. In a typical experiment, 1.24 g phosphorus and 0.13 g potassium are fed into the reactor over 2 hours. The total argon flow rate is maintained at 250 ml / min during the experiment. A number of experiments were performed in which phosphorus / argon and potassium / argon were fed to the reactor simultaneously. Phosphorus / argon flow is almost 2
The temperature was maintained at 90 ° C and the potassium / argon flow was maintained at approximately 410 ° C. The calculated atomic ratio of the reaction components in the reactor was approximately 15 P / K. In a typical experiment, the liquid phosphorus feed rate was 0.34 ml / hr.

【0267】非結晶質のKP15フィルムを、ニッケル被
覆ガラス支持体を用いて製造した。フィルムは約0.3
mmの厚さであった。1.0時間の実験時間を用い、製造
されたフィルムは公称KP15の組成を有した。このフィ
ルムの厚さは、反応器中の特性の支持体の位置に依存し
た。SEMでフィルムを検査すると、きわめて均一であ
った。
Amorphous KP 15 films were prepared using a nickel coated glass support. The film is about 0.3
The thickness was mm. Using a 1.0 hour run time, the film produced had a composition of nominal KP 15 . The thickness of this film depended on the position of the characteristic support in the reactor. The film was inspected by SEM and was very uniform.

【0268】リンの精製 50gのアトマージック(Atomergic)のリ
ン、「99.95%の純度」を、450〜300℃の勾
配に75日間暴露した。この認められるように非常に長
い時間後、21%の材料が残り、供給物の60%は非結
晶質の塊状析出物となった。
Purification of Phosphorus 50 g of Atomergic phosphorus, "99.95% pure", was exposed to a gradient of 450-300 ° C for 75 days. After this noticeably very long time, 21% of the material remained and 60% of the feed became an amorphous lumpy deposit.

【0269】前の分析によると、アトマージックのリン
は99.90%より低い純度であり、多分99.80%
の純度に近く、主な不純物はアルミニウム、カルシウ
ム、鉄、マグネシウム、ナトリウムおよびケイ素(すべ
ては0.01%より高く、あるものは0.05%の高
い)であった。この材料のコストは約220ドル/kgで
ある。これに比べて、アルファ・ベントロンから入手し
た「90%」のリンは17ドル/ポンド(37.5ドル
/kg)である。
According to the previous analysis, Atomagic phosphorus was less than 99.90% pure, probably 99.80% phosphorus.
, The main impurities were aluminum, calcium, iron, magnesium, sodium and silicon (all above 0.01%, some as high as 0.05%). The cost of this material is about $ 220 / kg. In comparison, "90%" phosphorus obtained from Alpha Bentron is $ 17 / pound ($ 37.5 / kg).

【0270】前述の処理により発生した3種類の材料に
ついての炎発光分光分析による結果を、表XXに要約す
る。
The results of flame emission spectroscopy on the three materials produced by the above treatments are summarized in Table XX.

【0271】[0271]

【表25】 材料Aは供給ゾーンを通じて残留した暗かっ色の物質で
あり、蒸気移送を起こさなかった。材料Bと表示した材
料は、主として供給ゾーンにおけるその位置が450℃
よりわずかに低い温度であるため、蒸発しなかった、か
たいボールの淡色の材料であった。材料Cは、冷たいゾ
ーンにおける非結晶質ボールであった。
[Table 25] Material A was a dark brown material that remained through the feed zone and did not undergo vapor transfer. The material indicated as Material B is mainly located at 450 ° C. in the feeding zone.
It was a light colored material of a hard ball that did not evaporate due to the slightly lower temperature. Material C was an amorphous ball in the cold zone.

【0272】明らかに、供給物の不純物の大部分は材料
A中にかなり濃縮された量でとどまった。高いレベルの
不純物は、所定温度におけるリンの蒸気圧を低下させ
る。材料の不純物レベルは、初期の供給物についての値
をよく反映する。ボールの材料Cは、かなり純粋な材料
であり、ナトリウム分が主要な観測される汚染物質であ
る。最高の示されたレベルで汚染物質を合計すると、こ
の材料の純度のレベルは、最も悪くても、99.997
%である。商業源から99.999%のPとして入手で
きる匹敵する材料のコストは、約1,800ドル/kgで
ある。
Apparently, most of the impurities in the feed remained in Material A in fairly concentrated amounts. High levels of impurities reduce the vapor pressure of phosphorus at a given temperature. Material impurity levels mirror the values for the initial feed. Ball material C is a fairly pure material, with sodium being the major observed contaminant. Summing up the contaminants at the highest indicated level, the purity level of this material is, at worst, 99.997.
%. The cost of a comparable material available as 99.999% P from commercial sources is about $ 1,800 / kg.

【0273】明らかなように、前述の方法は赤リンを高
度に精製するための、コスト的に有効な方法である。強化された材料 リン化合物の難燃剤としての使用は、よく知られてい
る。ここに開示したアルカリ金属含有リン材料は高度に
安定な性質をもつために、このような目的に使用でき
る。
As is apparent, the above method is a cost effective method for highly purifying red phosphorus. Reinforced Materials The use of phosphorus compounds as flame retardants is well known. The alkali metal-containing phosphorus material disclosed herein can be used for such purpose because of its highly stable property.

【0274】ここに開示した繊維および板様の形態の材
料、たとえば、繊維状のKP15およびKPx (ここでx
は15より非常に大きい)、板様の単斜晶系のリンの晶
癖をもつリン、ねじれた管の形態のリン、および図44
と図45の星形材料は、すべて、プラスチックおよびガ
ラスのための強化用添加材料として使用できる。ねじれ
た管の繊維および星形繊維は、複合材料のマトリックス
と相互に機械的にからみ合うことができるので、特に価
値がある。
The materials disclosed herein in the form of fibers and plates, such as fibrous KP 15 and KP x (where x
44), phosphorus with plate-like monoclinic phosphorus habit, phosphorus in the form of twisted tubes, and FIG.
And the star material of Figure 45 can all be used as a reinforcing additive material for plastics and glass. Twisted tube fibers and star fibers are of particular value because they can mechanically interlock with the matrix of the composite material.

【0275】コーティング 前述のように、ここに開示した材料の多くは高度に安定
な非結晶質のコーティングであり、金属およびガラスへ
の接着性にすぐれる。KP15非結晶フィルムは、とくに
安定であり、金属およびガラスに対するすぐれた接着を
提供する。こうして、それらは金属上の耐食性コーティ
ングとして、そしてガラス上の光学的コーティングとし
て使用できる。
Coatings As mentioned above, many of the materials disclosed herein are highly stable, amorphous coatings with excellent adhesion to metals and glass. KP 15 amorphous film is particularly stable and provides excellent adhesion to metals and glass. Thus, they can be used as corrosion resistant coatings on metals and as optical coatings on glass.

【0276】適当な赤外の光学的成分たとえばゲルマニ
ウム上のほぼ1000オングストロームのコーティング
は、赤外に対して透明であるが、可視光線を吸収する。
このようなコーティングは、光学的指数が異なる他の材
料のコーティングと組み合わせるとき、赤外光学機器上
の反射防止コーティングを形成するために使用できる。
A suitable infrared optical component, such as a coating of approximately 1000 Å on germanium, is transparent to infrared but absorbs visible light.
Such coatings, when combined with coatings of other materials with different optical indices, can be used to form antireflection coatings on infrared optics.

【0277】他の実験によると、MPx 材料を銅、アル
ミニウムおよびモリブデン上に、すぐれた接着性をもつ
フィルムとして析出できることが示される。フィルムは
延性、非多孔質であり、重合体であり、もろくない。こ
うして、ここに示した材料はコーティングおよび薄いフ
ィルムとして使用できる。
Other experiments have shown that MP x materials can be deposited on copper, aluminum and molybdenum as films with good adhesion. The film is ductile, non-porous, polymeric and not brittle. Thus, the materials shown herein can be used as coatings and thin films.

【0278】工業的応用 上記のとおり、高リン反材料の完全に新規なクラスを開
示した。これらの半導体は鎖状に共有結合した原子から
なり、ここで鎖状の共有結合は材料中の主な伝導路とし
ての役目をする。鎖状の原子は、主要比率を占める局所
規則度として平行なカラムを形成する。好ましくは原子
は3価であり、管状、らせん状またはチャンネル様カラ
ムを可能とする結合を有する。カラムは2以上の鎖状カ
ラムへ結合した1種以上の異なる元素の原子により接合
されることができる。
Industrial Applications As mentioned above, a completely new class of high phosphorus anti-materials has been disclosed. These semiconductors consist of covalently bonded atoms in a chain, where the chain covalent bonds serve as the main conduction paths in the material. Chain atoms form parallel columns as a local ordering that occupies a major proportion. Preferably the atoms are trivalent and have bonds that allow tubular, helical or channel-like columns. The columns can be joined by atoms of one or more different elements bound to two or more chain columns.

【0279】われわれは、このクラスの特定の高リンの
混合したプニクチド半導体材料を開示した。これらに
は、式MPx (式中xは7〜15の範囲である)で表わ
される高リンのポリホスファイド類およびxが15より
非常に大きい完全に新規な材料−すべての実際的目的に
対して純粋なリンが包含される。これらの材料は、五角
形の管に組織化された7個以上の原子のグループを含有
するものとして特徴づけることができる。それらは式M
x (式中xは6より大きい)をもつとして特徴づける
ことができ、そしてそれらはリン対他の原子成分のモル
比が6より大きいリンから構成されるものとして特徴づ
けることができ;それらは、実質的にすべての局所規則
度におけるそれらのリン原子がすべての平行な五角形の
管の層に組織化された多数の共有P−P結合により一緒
に接合されたリン原子からなる、高リン材料として特徴
づけることができる。それらは、連続する共有リン対リ
ン結合の数が非リン対リン結合の数よりも十分に大きく
て、材料を半導性としている、アルカリ金属含有ポリホ
スファイド類として特徴づけることができる。それら
は、少なくとも1個のアルカリ金属原子が会合している
少なくとも7個の共有結合したリン原子の骨格を有し、
前記アルカリ金属原子が1つの単位のリン骨格を他の単
位のリン骨格と橋かけしている、ものとして特徴づける
ことができる;それらは式MPx (式中Mはアルカリ金
属であり、そしてxは少なくとも7である)を有するポ
リホスファイドとして特徴づけることができる。
We have disclosed certain high phosphorus mixed pnictide semiconductor materials of this class. These include high-phosphorus polyphosphides of the formula MP x , where x is in the range 7 to 15 and completely novel materials for which x is much greater than 15-for all practical purposes. In contrast, pure phosphorus is included. These materials can be characterized as containing groups of 7 or more atoms organized into pentagonal tubes. They are the formula M
P x , where x is greater than 6, and they can be characterized as being composed of phosphorus with a molar ratio of phosphorus to other atomic components greater than 6; Is a high phosphorus, consisting of phosphorus atoms whose phosphorous atoms at virtually all local orders are joined together by a number of covalent PP bonds organized into layers of all parallel pentagonal tubes. It can be characterized as a material. They can be characterized as alkali metal-containing polyphosphides, in which the number of consecutive covalent phosphorus-to-phosphorus bonds is significantly higher than the number of non-phosphorus-to-phosphorus bonds, making the material semiconducting. They have a skeleton of at least 7 covalently bound phosphorus atoms associated with at least one alkali metal atom,
The alkali metal atoms can be characterized as bridging the phosphorus skeleton of one unit with the phosphorus skeleton of another unit; they have the formula MP x , where M is an alkali metal and x Is at least 7).

【0280】これらの材料は、1eVより大きく、特に
1.4〜2.2eV、われわれが発見した最良の材料に
ついて、ほぼ1.8eVのバンドギャップを有すること
によって、さらに特徴づけることができる。それらは、
5より大きい、より特に、100〜10,000の範囲
内の光伝導度比を有することによって特徴づけることが
できる。
These materials can be further characterized by having a bandgap of greater than 1 eV, especially 1.4-2.2 eV, and for the best material we have found about 1.8 eV. They are,
It can be characterized by having a photoconductivity ratio greater than 5, and more particularly in the range 100-10,000.

【0281】これらの材料は、3価の主要な原子種;主
要な種により形成された類似原子の(homatomi
c)結合;これらの結合の共有性質;3よりわずかに小
さい材料の配位数;材料のポリマーとしての性質;アル
カリ金属と主要種との結合に類似せる1種またはそれ以
上のアルカリ金属の存在下における材料の形成;結晶形
類における、KP15様材料中のすべての平行な五角形の
平行な管、単斜晶系のリンにおいて対となった平行な交
差した層、またはねじれた繊維状リンにおけるすべて平
行なねじれた管;電子工学的品質を保持する非結晶質の
フィルムおよびボール;およびそれらの製造法;および
前記の説明において明らかとなる他の品質、によってさ
らに特徴づけることができる。
These materials are composed of major trivalent atomic species; similar atoms (homatomi) formed by the major species.
c) bonds; the covalent nature of these bonds; the coordination number of the material slightly less than 3; the polymeric nature of the material; the presence of one or more alkali metals that mimic the bond between the alkali metal and the main species. Formation of material below; all parallel pentagonal parallel tubes in KP 15 -like material in crystal form, paired parallel intersecting layers in monoclinic phosphorus, or twisted fibrous phosphorus Can be further characterized by: all-parallel twisted tubes in; amorphous films and balls that retain electronic quality; and methods of making them; and other qualities that will be apparent in the above description.

【0282】われわれが発見した非結晶質材料は、KP
15の電子工学的品質、すべて平行な五角形の管構造を維
持し、そして理論的には、少なくとも、その構造はわれ
われの非結晶質材料において局所スケールで維持される
ことが明らかである。しかしながら、われわれはこれに
関して特定の理論に拘束されたくない。とくに、特許請
求の範囲は、明瞭にかつ暗示的に、われわれが述べた理
論および仮説と相反すると後において認められる知識に
無関係に、われわれの発明のすべての面を包含するもの
として広義に解釈すべきである。
The amorphous material we have discovered is KP
It retains 15 electronic qualities, an all-parallel pentagonal tube structure, and theoretically, at least, it is clear that its structure is maintained on a local scale in our amorphous materials. However, we do not want to be bound by any particular theory regarding this. In particular, the claims are broadly and implicitly construed as covering all aspects of our invention, regardless of what is later admitted to contradict our stated theories and hypotheses. Should be.

【0283】われわれは、これらの材料から作られた接
合装置、光伝導(レジスト)装置、光起電装置および発
光体を開示した。占有されたdまたはfの外側電子工学
的レベルを有する原子種の実質的に全グループを、原子
9大きさが適当である場合、使用できるという結論に到
達した、抵抗低下性ドーピング剤、すなわち、ニッケ
ル、クロムおよび鉄を、われわれは開示した。
We have disclosed bonding devices, photoconductive (resist) devices, photovoltaic devices and emitters made from these materials. It has been reached the conclusion that substantially all groups of atomic species having an occupied outer electronic level of d or f can be used if the atomic 9 size is suitable, ie a drag-reducing doping agent, ie We have disclosed nickel, chromium and iron.

【0284】すべての第5族の金属を使用できることを
指示する、ヒ素の代わりに使用できる抵抗低下性ドーピ
ング剤を、われわれは開示した。われわれは接合装置を
開示し、それはNi、それから拡散したNiの背面接点
とCu,Al,Mg,Ni,Au,AgおよびTiの上
面接点を有する。局所規則度がすべて実質的に平行な五
角形の管である、リンの新規な形態、ねじれた繊維状リ
ンおよび単斜晶系リンを開示した。これらの新規な形態
のリンは蒸気析出により形成した。すべての平行な、単
斜晶系の形態は、析出の間アルカリ金属の存在を必要と
する。
We have disclosed drag reducing dopants that can be used in place of arsenic, indicating that all Group 5 metals can be used. We disclose a bonder, which has Ni, diffused Ni back contacts and Cu, Al, Mg, Ni, Au, Ag and Ti top contacts. We have disclosed novel forms of phosphorus, twisted fibrous phosphorus and monoclinic phosphorus, which are pentagonal tubes with all local regularities substantially parallel. These new forms of phosphorus were formed by vapor deposition. All parallel, monoclinic morphologies require the presence of alkali metal during precipitation.

【0285】MP15(ここでMはアルカリ金属である)
の非結晶質形態と多結晶質形態を開示した。すべての平
行な五角形の管の材料のすべて、たとえば、MPx (こ
こでxは15よりも非常に大きい)のウェーファー、新
規な形態のリン、KP15の非結晶質の薄いフィルムおよ
びKPx の非結晶質の薄いフィルムから種々の半導体装
置を構成した。
MP 15 (where M is an alkali metal)
The amorphous and polycrystalline forms of All of the materials for all parallel pentagonal tubes, for example MP x wafers, where x is much larger than 15, novel forms of phosphorus, KP 15 amorphous thin films and KP x. Various semiconductor devices were constructed from the amorphous thin film of.

【0286】制御された2種の温度の単一源の技術によ
り、金属ポリホスファイドと2種の新規な形態のリンの
製造を開示した。2つの源の蒸気移送により高リン材料
の製造法を開示した。高い純度のリンの製造法を開示し
た。MPx (ここでxは7〜15である)の結晶質およ
び非結晶質の形態を、凝縮相の方法により、製造する方
法を開示した。
We have disclosed the production of metal polyphosphides and two novel forms of phosphorus by a controlled two temperature single source technique. A method of making high phosphorus materials by vapor transfer of two sources has been disclosed. A method for producing high purity phosphorus has been disclosed. Disclosed is a method for producing crystalline and amorphous forms of MP x, where x is 7-15, by the condensed phase method.

【0287】化学的蒸気析出法、フラッシュ蒸発法およ
び分子流析出法を開示した。われわれが発見した半導体
の材料および装置の工業的応用は、明らかであり、半導
体用途の全範囲を包含する。結晶質材料はプラスチッ
ク、ガラスおよび他の材料の強化用繊維およびフレーク
として使用できる。本発明の材料は、金属、ガラスおよ
び他の材料のコーティングとして使用できる。コーティ
ングは支持体を火炎、酸化または化学的攻撃にから保護
する。コーティングは、赤外線を透過し、可視光線を吸
収するために使用できる。コーティングは、他の材料と
ともに、赤外光学機器上の反射防止コーティングとして
使用できる。材料は難燃性の充填材およびコーティング
として使用できる。単斜晶系のリンは、旋光性物質とし
て使用できる。
Chemical vapor deposition, flash evaporation and molecular flow deposition have been disclosed. The industrial applications of semiconductor materials and devices we have discovered are obvious and encompass the full range of semiconductor applications. Crystalline materials can be used as reinforcing fibers and flakes in plastics, glass and other materials. The materials of the present invention can be used as coatings on metals, glass and other materials. The coating protects the support from flame, oxidation or chemical attack. The coating can be used to transmit infrared radiation and absorb visible radiation. The coating, along with other materials, can be used as an antireflection coating on infrared optics. The material can be used as flame retardant filler and coating. Monoclinic phosphorus can be used as an optical rotatory substance.

【0288】こうして明らかなように、特記しないかぎ
り、結晶質材料とは単結晶および多結晶質材料を意味す
るために使用した。非結晶質は、単結晶および多結晶質
と区別され、X線回折に対して非結晶質であることを意
味する。すべての周期表は、The Handbook of Chemistr
y and Physics(化学と物理のハンドブック) 、CRC Pres
s Inc.,Boca Raton Florida 発行、第60版の前表紙の
内側に印刷されている表を参照した。アルカリ金属はそ
こに同定されており、ここにおいて第1a族であり、そ
してプニクチド(pnictide)は第5a族であ
る。ここに述べたすべての範囲は、それらの限界を包含
する。
Thus, as will be appreciated, unless otherwise noted, crystalline material was used to mean single crystalline and polycrystalline materials. Amorphous is distinguished from single crystal and polycrystalline and means to X-ray diffraction is amorphous. All Periodic Tables are in The Handbook of Chemistr
y and Physics (Handbook of Chemistry and Physics), CRC Pres
s Inc., Boca Raton Florida, 60th edition, see the table printed inside the front cover. Alkali metals have been identified therein, where they are Group 1a, and pnictides are Group 5a. All ranges stated herein include their limits.

【0289】半導体それらとは、半導体材料を使用する
装置を意味する。とくに、半導体装置は、励起する方法
について無関係に、ゼロダラフィー表面および発光体、
ならびに光伝導体、光電池、接合、トランジスタ、集積
回路などを包含する。
Semiconductors These refer to devices that use semiconductor materials. In particular, the semiconductor device has a zero-dullaffey surface and an emitter, regardless of how it is excited.
As well as photoconductors, photovoltaics, junctions, transistors, integrated circuits and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による単一源の蒸気移送装置の部分的断
面図である。
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a single source vapor transfer device according to the present invention.

【図2】図1の蒸気移送装置の一部分の線図である。2 is a diagrammatic view of a portion of the vapor transfer device of FIG.

【図3】本発明による他の単一源の蒸気移送装置の線図
である。
FIG. 3 is a diagram of another single source vapor transfer device in accordance with the present invention.

【図4】MP15(ここでMはアルカリ金属である)中の
リン原子のX線回折データからのコンピュータの線図で
ある。
FIG. 4 is a computer diagram from X-ray diffraction data of phosphorus atoms in MP 15 (where M is an alkali metal).

【図5】図4のリン原子の共有結合が五角形の管状構造
をどのようにして形成するかを示す、KP15の横断面の
X線回折データからのコンピュータの線図である。
FIG. 5 is a computer plot from X-ray diffraction data of KP 15 cross-sections showing how the covalent bonds of the phosphorus atoms of FIG. 4 form a pentagonal tubular structure.

【図6】KP15の縦断面のX線回折データからのコンピ
ュータの線図である。
FIG. 6 is a computer diagram from X-ray diffraction data of a longitudinal section of KP 15 .

【図7】KP15結晶ホイスカーの顕微鏡写真である。FIG. 7 is a micrograph of KP 15 crystal whiskers.

【図8】KP15結晶ホイスカーの顕微鏡写真である。FIG. 8 is a micrograph of KP 15 crystal whiskers.

【図9】結晶質KP15の粉末X線回折のチャートであ
る。
FIG. 9 is a powder X-ray diffraction chart of crystalline KP 15 .

【図10】結晶質KPx (ここでxは15より非常に大
きい)の粉末X線回折のチャートである。
FIG. 10 is a powder X-ray diffraction chart of crystalline KP x, where x is much larger than 15.

【図11】本発明による2つの源の蒸気移送のための実
験用反応管の線図である。
FIG. 11 is a diagram of an experimental reaction tube for vapor transfer of two sources according to the present invention.

【図12】図11の反応管のための温度対長さのプロッ
トである。
FIG. 12 is a temperature versus length plot for the reaction tube of FIG.

【図13】図11の反応管中の反応生成物のP対K比の
線図である。
13 is a P-to-K ratio diagram of the reaction product in the reaction tube of FIG.

【図14】本発明による2つの源の蒸気移送のための装
置の略図である。
FIG. 14 is a schematic diagram of an apparatus for dual source vapor transfer in accordance with the present invention.

【図15】図14に示した装置の要素の1つの線図であ
る。
15 is a diagrammatic view of one of the elements of the device shown in FIG.

【図16】本発明による2つの源の移送のための他の反
応管の線図である。
FIG. 16 is a diagrammatic view of another reaction tube for the transfer of two sources according to the present invention.

【図17】本発明によるボールミルの線図である。FIG. 17 is a diagram of a ball mill according to the present invention.

【図18】新規な形態のリンMPx (ここでxは15よ
り非常に大きい)の結晶形態を示すフィルムの走査電子
顕微鏡(SEM)である。
FIG. 18 is a scanning electron microscope (SEM) of a film showing the crystalline morphology of the novel form of phosphorus MP x, where x is much larger than 15.

【図19】新規な形態のリンMPx (ここでxは15よ
り非常に大きい)の結晶形態を示すフィルムの走査電子
顕微鏡(SEM)である。
FIG. 19 is a scanning electron microscope (SEM) of a film showing the crystalline morphology of the novel form of phosphorus MP x, where x is much larger than 15.

【図20】新規な形態のリンMPx (ここでxは15よ
り非常に大きい)の結晶形態を示すフィルムの走査電子
顕微鏡(SEM)である。
FIG. 20 is a scanning electron microscope (SEM) of the film showing the crystalline morphology of the novel form of phosphorus MP x, where x is much larger than 15.

【図21】本発明による単一源の蒸気移送により合成さ
れた、このようなxMPx エッチングした非結晶質表面
の顕微鏡写真である。
FIG. 21 is a photomicrograph of such an xMP x etched amorphous surface synthesized by single source vapor transfer according to the present invention.

【図22】本発明による2つの源の蒸気移送により合成
された、このようなxMPx エッチングした非結晶質表
面の顕微鏡写真である。
FIG. 22 is a photomicrograph of such an xMP x etched amorphous surface synthesized by vapor transfer of two sources according to the present invention.

【図23】図22に示すものと同一の表面の顕微鏡写真
である。
FIG. 23 is a micrograph of the same surface shown in FIG.

【図24】図22および図23に示す表面に対して垂直
のエッチングした表面の顕微鏡写真である。
FIG. 24 is a photomicrograph of an etched surface perpendicular to the surface shown in FIGS. 22 and 23.

【図25】本発明による2つの源の蒸気移送により合成
されたKP15の非結晶質の薄いフィルムの上の表面のS
EM顕微鏡写真である。
FIG. 25: Surface S on top of an amorphous thin film of KP 15 synthesized by vapor transfer of two sources according to the present invention.
It is an EM micrograph.

【図26】本発明による接合の形成を図解する部分線図
の断面図である。
FIG. 26 is a sectional view of a partial diagram illustrating the formation of a bond according to the present invention.

【図27】図26に示す実験におけるオシロスコープの
スクリーンの図解である。
FIG. 27 is an illustration of an oscilloscope screen in the experiment shown in FIG. 26.

【図28】本発明による接合の形成を図解する部分線図
の断面図である。
FIG. 28 is a partial cross-sectional view illustrating the formation of a bond according to the present invention.

【図29】図28に示す実験におけるオシロスコープの
スクリーンの図解である。
29 is an illustration of an oscilloscope screen for the experiment shown in FIG. 28. FIG.

【図30】本発明による感光性レジスタの線図である。FIG. 30 is a diagram of a photosensitive resistor according to the present invention.

【図31】本発明による装置による接合の活性を示すオ
シロスコープのスクリーン図解である。
FIG. 31 is a screen illustration of an oscilloscope showing the activity of the junction by the device according to the invention.

【図32】本発明による装置による接合の活性を示すオ
シロスコープのスクリーン図解である。
FIG. 32 is a screen illustration of an oscilloscope showing the activity of the junction by the device according to the invention.

【図33】本発明による装置による接合の活性を示すオ
シロスコープのスクリーン図解である。
FIG. 33 is a screen illustration of an oscilloscope showing the activity of the junction by the device according to the invention.

【図34】本発明による接合装置におけるキャパシタン
ス対印加した電位のプロットである。
FIG. 34 is a plot of capacitance versus applied potential in a bonding device according to the present invention.

【図35】本発明による接合装置におけるキャパシタン
ス対印加した電位のプロットである。
FIG. 35 is a plot of capacitance versus applied potential in a bonding device according to the present invention.

【図36】本発明による接合装置におけるキャパシタン
ス対印加した電位のプロットである。
FIG. 36 is a plot of capacitance vs. applied potential in a bonding device according to the present invention.

【図37】本発明による装置の印加した電位の周波数の
関係としてのキャパシタンスおよび抵抗のプロットであ
る。
FIG. 37 is a plot of capacitance and resistance as a function of frequency of applied potential for a device according to the present invention.

【図38】本発明による単斜晶系リンを形成するために
使用する密閉したアンプルの好ましい形の線図である。
FIG. 38 is a preferred form diagram of a sealed ampoule used to form monoclinic phosphorus according to the present invention.

【図39】本発明による単斜晶系リンの結晶の顕微鏡写
真である。
FIG. 39 is a micrograph of monoclinic phosphorus crystals according to the present invention.

【図40】本発明による単斜晶系リンの結晶の顕微鏡写
真である。
FIG. 40 is a micrograph of monoclinic phosphorus crystals according to the present invention.

【図41】本発明による単斜晶系リンの結晶の光ルミネ
センスの応答の線図である。
41 is a diagram of the photoluminescence response of monoclinic phosphorus crystals according to the present invention. FIG.

【図42】本発明による単斜晶系リンの結晶の光ルミネ
センスの図6に類似する線図である。
42 is a diagram similar to FIG. 6 of the photoluminescence of monoclinic phosphorus crystals according to the present invention.

【図43】本発明による単斜晶系リンのラマンスペクト
ルである。
FIG. 43 is a Raman spectrum of monoclinic phosphorus according to the present invention.

【図44】本発明によるリンの他の新規な形態のSEM
顕微鏡写真である。
FIG. 44: SEM of another novel form of phosphorus according to the present invention
It is a micrograph.

【図45】本発明によるリンの他の新規な形態のSEM
顕微鏡写真である。
FIG. 45: SEM of another novel form of phosphorus according to the present invention
It is a micrograph.

【図46】本発明によるリンのなお他の新規な形態のS
EM顕微鏡写真である。
FIG. 46: S of yet another novel form of phosphorus according to the invention
It is an EM micrograph.

【図47】本発明によるフラッシュ蒸発装置の側面線図
である。
FIG. 47 is a side view of a flash evaporation device according to the present invention.

【図48】図47の線48−48に沿って取った断面図
である。
48 is a cross-sectional view taken along line 48-48 of FIG. 47.

【図49】図48の線49−49に沿って取った断面図
である。
49 is a cross-sectional view taken along line 49-49 of FIG. 48.

【図50】本発明による、化学的蒸着装置の線図であ
る。
FIG. 50 is a diagram of a chemical vapor deposition device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…2つの温度ゾーンの炉 14…断熱コーティング 24…導体 26…導体 28…加熱ゾーン、コールドゾーン 30…加熱ゾーン、ホットゾーン 32…石英管 36…反応成分 40…暗い灰色、ないし黒色の残留物 42…フィルムの析出物 44…結晶 46…ホイスカー 48…フィルム析出物 50…フィルム析出物 52…非結晶質の材料である塊またはフィルムの析出物 54…3つのゾーンの炉 58…反応管 60…管 62…加熱ゾーン 64…加熱ゾーン 66…加熱ゾーン 68…アスベストブロック 70…アスベストブロック 80…電極 82…電極 84…ガラス支持体 86…KP15の試料 88…銀ペイント 90…電位計 100…石英管 102…実質的な区画 104…3つのゾーンの炉 112…ボート 113…パイレックスのディバイダー 114…ガラス支持体 119…石英管 120…ノズル 122…ノズル 124…添加管 126…第2の添加管 128…最も外側の区画 130…中央区画 132…外側区画 134…パイレックスの反応室 136…室 137…織ったガラステープ 138…テープ 139…織ったガラステープ 140…栓 150…シリンダー 160…細い端 162…添加管 170…ガラス支持体 172…Niフィルム 174…非結晶質KP15層 178…Cu接点 180…上面 182…KP15の非結晶質層 184…Ni層 186…ガラス支持体 270…ガラス管 272…平らなガラス表面 302…フラッシュ蒸発装置 304…ガラスシリンダー 306…管 308…入口 310…供給管 312…ため 318…銅製感受体 324…支持体 328…電気接続 401…反応室 405…Oリングのジョイント 406…抵抗炉 407…毛管 408…蒸発室 409…入口管 410…ノズル 411…抵抗炉 412…入口管 413…管 414…カリウム/アルゴン流および純粋なアルゴン流 415…抵抗炉 416…支持体 417…熱電対10 ... Furnace of two temperature zones 14 ... Insulation coating 24 ... Conductor 26 ... Conductor 28 ... Heating zone, cold zone 30 ... Heating zone, hot zone 32 ... Quartz tube 36 ... Reactive component 40 ... Dark gray or black residue 42 ... Film deposits 44 ... Crystals 46 ... Whiskers 48 ... Film deposits 50 ... Film deposits 52 ... Agglomerates or film deposits of an amorphous material 54 ... Three-zone furnace 58 ... Reaction tube 60 ... tube 62 ... heating zone 64 ... sample 88 ... silver paint 90 ... potentiometer 100 ... quartz tube heating zones 66 ... heating zone 68 ... asbestos blocks 70 ... asbestos blocks 80 ... electrode 82 ... electrode 84 ... glass substrate 86 ... KP 15 102 ... Substantial division 104 ... Three-zone furnace 112 ... Boat 113 ... Pyrex's Divider 114 ... Glass support 119 ... Quartz tube 120 ... Nozzle 122 ... Nozzle 124 ... Addition tube 126 ... Second addition tube 128 ... Outermost compartment 130 ... Central compartment 132 ... Outer compartment 134 ... Pyrex reaction chamber 136 ... Chamber 137 ... Woven glass tape 138 ... Tape 139 ... Woven glass tape 140 ... Plug 150 ... Cylinder 160 ... Narrow end 162 ... Addition tube 170 ... Glass support 172 ... Ni film 174 ... Amorphous KP 15 layer 178 ... Cu contact 180 ... Top surface 182 ... Amorphous layer of KP 15 184 ... Ni layer 186 ... Glass support 270 ... Glass tube 272 ... Flat glass surface 302 ... Flash evaporation device 304 ... Glass cylinder 306 ... Tube 308 ... Inlet 310 ... Supply tube 312 ... for storage 318 ... copper susceptor 324 ... support 328 ... Electrical connection 401 ... Reaction chamber 405 ... O-ring joint 406 ... Resistance furnace 407 ... Capillary 408 ... Evaporation chamber 409 ... Inlet tube 410 ... Nozzle 411 ... Resistance furnace 412 ... Inlet tube 413 ... Tube 414 ... Potassium / argon flow and Pure argon flow 415 ... Resistance furnace 416 ... Support 417 ... Thermocouple

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成4年6月1日[Submission date] June 1, 1992

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Name of item to be amended] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【特許請求の範囲】[Claims]

【手続補正3】[Procedure 3]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0008[Correction target item name] 0008

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0008】高リンのポリホスファイド類についてのか
なりな研究は、H.G.フォン.シュネリング(von
Schnering)を代表とするグループによりな
された。このグループからの種々の報告によると、彼ら
が製造した最高のリンを含有するポリホスファイド化合
物は結晶質MP15(M=1a族金属)である。これらの
ポリホスファイドは、金属とリンとの混合物を密閉した
アンプル内で加熱することにより製造される。フォン.
シュネリングの報告によると、それらの構造に基づい
て、ポリホスファイド類は古典的な意味において原子価
化合物として分類されており、そしてこのことはこれら
の化合物は絶縁体または半導体であり、すなわち、金属
ではない。上記のシュネリングらの報告は次のものを含
む。 H.G.von Schnering and H.Schmidt, "KP15, A New Pota
ssium Polyphosphide", Angew.Chem., Int.Ed. 6, p.35
6, 1967. H.G.von Schnering, "Catenation of Phosphorus Atom
s", Homoatomic Rings,Chains Macromolecules, Main-G
roup Elements, Chapter 14, pp.317-348, edited by
A.L.Rheingold, Elsevier Scientific Publishing Co.,
Amsterdam, 1977. H.G.von Schnering, M.Whittmann, R.Nesper ; "Dithor
ium UndecaphosphideTh2P11, A Polyphosphide with a
One-dimensional Superstructure Generatedby a Perio
dic Change in the Covalent Bonds", J.Less-Common M
et., vol.76,No.1-2, 213-226, Dec/1980. H.Schmidt, "Chemistry and Structural Chemistry of
the Polyphosphides of Alkaline Metals, The Crystal
line Structures of KP15, RbP11, and CsP11", Disser
tation. Westfalische Wilhelms University Munster,
1970, Germany.
Considerable research on high phosphorus polyphosphides has been reported by H. K. G. phone. Schnelling (von
Schnering). According to various reports from this group, the highest phosphorus-containing polyphosphide compounds they produced are crystalline MP 15 (M = 1a group metal). These polyphosphides are produced by heating a mixture of metal and phosphorus in a closed ampoule. phone.
Schnelling reports that, based on their structure, polyphosphides are classified as valence compounds in the classical sense, which means that these compounds are insulators or semiconductors, i.e., metals. is not. The report by Schnelling et al. Above includes:
Mu. HGvon Schnering and H. Schmidt, "KP 15 , A New Pota
ssium Polyphosphide ", Angew.Chem., Int.Ed. 6, p.35
6, 1967. HGvon Schnering, "Catenation of Phosphorus Atom.
s ", Homoatomic Rings, Chains Macromolecules, Main-G
roup Elements, Chapter 14, pp.317-348, edited by
ALRheingold, Elsevier Scientific Publishing Co.,
Amsterdam, 1977. HGvon Schnering, M. Whittmann, R. Nesper; "Dithor
ium UndecaphosphideTh 2 P 11 , A Polyphosphide with a
One-dimensional Superstructure Generated by a Perio
dic Change in the Covalent Bonds ", J. Less-Common M
et., vol.76, No.1-2, 213-226, Dec / 1980. H. Schmidt, "Chemistry and Structural Chemistry of
the Polyphosphides of Alkaline Metals, The Crystal
line Structures of KP 15 , RbP 11 , and CsP 11 ", Disser
tation. Westfalische Wilhelms University Munster,
1970, Germany.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0067[Correction target item name] 0067

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0067】本発明のフィルム材料は、化学的安定性、
難燃性および光学的性質をもつため、コーティングとし
て使用できる。発明の目的 したがって、本発明の目的は、新規なクラスの有用な半
導体材料を提供することである。本発明の他の目的は、
ポリホスファイド類を製造する新規な方法および装置を
提供することである。本発明のさらに他の目的は、安定
な高リンの材料、およびそれを製造する方法および装置
を提供することである。本発明のほかの目的は新規な形
態のリン、およびそれを製造する方法および装置を提供
することである。本発明の他の目的は、単斜晶系のリン
の大きい結晶を提供することである。本発明のなお他の
目的は、高い純度のリンを提供することである。本発明
の他の目的は、新規な半導体材料を提供することであ
る。本発明のなお他の目的は、スペクトルの赤および赤
外の部分において使用するための複屈折性材料を提供す
ることである。本発明のなおさらに他の目的は、上の特
徴の材料を製造する方法を提供することである。本発明
のほかの目的は、先行技術よりも便利でありかつ経費が
かからないこのような方法を提供することである。本発
明の他の目的は、コーティング材料、充填材、強化用材
料および難燃剤を提供することである。本発明のほかの
目的は、一部分明らかであり、また一部分以後において
明らかとなるであろう。本発明の範囲は特許請求の範囲
に記載されている。
The film material of the present invention has chemical stability,
Due to its flame retardant and optical properties it can be used as a coating. The purpose is therefore an object of the present invention the invention is to provide a useful semiconductor material of a novel class. Another object of the present invention is to
It is to provide a novel method and apparatus for producing polyphosphides. Yet another object of the present invention is to provide stable high phosphorus materials and methods and apparatus for making same. Another object of the present invention is a novel form.
Provide phosphorus in a state, and method and apparatus for manufacturing the same
It is to be. Another object of the invention is the monoclinic phosphorus.
Is to provide large crystals. Yet another object of the invention is to provide high purity phosphorus. Another object of the invention is to provide new semiconductor materials. Yet another object of the invention is to provide a birefringent material for use in the red and infrared parts of the spectrum. Yet another object of the present invention is to provide a method of making a material of the above character. Another object of the invention is to provide such a method which is more convenient and less costly than the prior art. Another object of the invention is to provide coating materials, fillers, reinforcing materials and flame retardants. Other than the present invention
The purpose is partly clear, and partly later
It will be clear. The scope of the present invention is claimed.
It is described in.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C30B 29/10 7821−4G 29/62 Z 7821−4G U 7821−4G H01L 21/208 T 7353−4M 29/28 8728−4M 31/04 31/0248 (72)発明者 クリスチャン ガブリエル マイクル アメリカ合衆国,ニューヨーク,オシニン グ,エッジウッド ロード 15 (72)発明者 ロザリー シャチター アメリカ合衆国,ニューヨーク,フラッシ ング,ワンハンドレッド アンド セブン ティー サード ストリート 75−14 (72)発明者 ジョン アンドリュー バウマン アメリカ合衆国,ニューヨーク,ドッブス フェリー,リバーサイド プレース 26 (72)発明者 ポール モルデカイ ラカー アメリカ合衆国,イリノイ,シカゴ,エ ヌ.アルバニー ストリート 7521─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Internal reference number FI Technical display location C30B 29/10 7821-4G 29/62 Z 7821-4G U 7821-4G H01L 21/208 T 7353- 4M 29/28 8728-4M 31/04 31/0248 (72) Inventor Christian Gabriel Mikul United States, New York, Ossining, Edgewood Road 15 (72) Inventor Rosalie Shachiter United States, New York, Flashing, One Hundred and Seven Tee Third Street 75-14 (72) Inventor John Andrew Bowman Riverside Place, Dobbs Ferry, New York, USA 26 (72) Inventor Paul Mordecai Laker United States, Ili Neu, Chicago, N. Albany Street 7521

Claims (98)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 支持体上に附着せる式MPx (ここでM
は1種またはそれ以上の金属であり、そしてPは1種ま
たはそれ以上のプニクチド(pnictide)類であ
る)で表わされる固体フィルム。
1. The formula MP x (where M
Is one or more metals, and P is one or more pnictides).
【請求項2】 リン原子が多数の共有リン対リン結合に
より一緒に接合されて、結合したリン原子の実質的に五
角形の管状配列を形成し、前記リンの実質的に全体にわ
たる局所規則度は軸の主としてすべてが互いに一般に平
行である前記管状配列によって定められる、新規な形態
の固体状リン材料。
2. Phosphorus atoms are joined together by a number of covalent phosphorus-to-phosphorus bonds to form a substantially pentagonal tubular array of bound phosphorus atoms, the local ordering of the phosphorus being substantially throughout. A novel form of solid phosphorus material defined by said tubular array wherein all of the axes are generally parallel to one another.
【請求項3】 式MPx (式中、Mは1種またはそれ以
上のアルカリ金属であり、そしてPは主としてリンであ
るが、1種またはそれ以上の他のプニクチド類を含むこ
とができ、そしてxは15より大きい)で表わされる安
定な固体材料。
3. The formula MP x , wherein M is one or more alkali metals and P is predominantly phosphorus, but may include one or more other pnictides, And x is greater than 15), a stable solid material.
【請求項4】 リン蒸気および1種またはそれ以上の金
属の蒸気の分離され、加熱された源からの蒸気移送の析
出生成物として形成された高リン材料。
4. A high phosphorus material formed as a deposition product of vapor transfer from a vaporized source of phosphorus vapor and vapors of one or more metals.
【請求項5】 化学的蒸着により形成された高リンのポ
リホスファイドフィルム材料。
5. A high phosphorus polyphosphide film material formed by chemical vapor deposition.
【請求項6】 フラッシュ蒸発により形成された高リン
のポリホスファイドフィルム材料。
6. A high phosphorus polyphosphide film material formed by flash evaporation.
【請求項7】 全体を通じて実質的に、種の原子の大部
分が3つの類似原子から成る共有結合をもっぱら有する
ことを特徴とする原子からなる材料から形成された半導
体装置。
7. A semiconductor device formed from a material of atoms, wherein substantially all of the atoms of the species throughout have a covalent bond consisting of three similar atoms.
【請求項8】 実質的に、特許請求の範囲第2項記載の
材料から形成された半導体装置。
8. A semiconductor device substantially formed from the material of claim 2.
【請求項9】 前記材料の共有結合の実質的にすべては
前記原子のカートネーション中に含まれ、そして前記共
有結合は前記材料中の主要な伝導路を提供し、前記材料
は実質的に1.4〜2.2eVの範囲内のバンドギャップ
を有する、請求項7記載の半導体装置。
9. Substantially all of the covalent bonds in the material are contained in the cartonation of the atoms, and the covalent bonds provide the major conduction paths in the material, the material being substantially 1. The semiconductor device according to claim 7, which has a bandgap within a range of 0.4 to 2.2 eV.
【請求項10】 前記材料の共有結合の実質的にすべて
は前記原子のカートネーション中に含まれ、そして前記
共有結合は前記材料中の主要な伝導路を提供し、前記材
料は実質的に100〜10,000の範囲内の光伝導度
比を有する、請求項7記載の半導体装置。
10. Substantially all of the covalent bonds in the material are contained in the cartonation of the atoms, and the covalent bonds provide the predominant conduction path in the material, the material being substantially 100. The semiconductor device according to claim 7, having a photoconductivity ratio in the range of ˜10,000.
【請求項11】 蒸発したリンとアルカリ金属の別々の
気体流を凝縮用支持体の上に流すことからなる高リンの
ポリホスファイド材料の化学的蒸着法。
11. A method of chemical vapor deposition of high phosphorus polyphosphide material comprising flowing separate vaporized vapor streams of phosphorus and alkali metal over a condensing support.
【請求項12】 加熱された感受体を通して材料を流し
てそれを蒸発することからなるフラッシュ蒸発法。
12. A flash evaporation method comprising flowing material through a heated susceptor to evaporate it.
【請求項13】 1種またはそれ以上のアルカリ金属お
よび1種またはそれ以上のプニクチドを一緒にボールミ
リングすることによって製造された材料。
13. A material made by ball milling together one or more alkali metals and one or more pnictides.
【請求項14】 該蒸気移送によってリンおよび1種ま
たはそれ以上の金属の2つの加熱され、分離された源
と、延長された区域にわたって実質的に一定の温度を有
する分離された析出ゾーンとが提供され、且つ、式MP
x (式中、Mは1種またはそれ以上の金属であり、そし
てPは主としてリンであるが、1種またはそれ以上のプ
ニクチドを含むことができる)で表わされる請求項4記
載の高リン材料。
14. The vapor transfer produces two heated and separated sources of phosphorus and one or more metals, and a separated deposition zone having a substantially constant temperature over an extended zone. Provided and formula MP
5. The high phosphorus material of claim 4 of the formula x wherein M is one or more metals and P is predominantly phosphorus, but can contain one or more pnictides. ..
【請求項15】 リンを蒸気移送により金属ポリホスフ
ァイドの支持体上へ析出することにより、実質的に純粋
なリンを形成する方法。
15. A method of forming substantially pure phosphorus by depositing phosphorus by vapor transfer onto a support of metal polyphosphite.
【請求項16】 1種またはそれ以上の金属とリンとを
制御された温度ゾーンにおいて加熱し、そして延長した
区域にわたって実質的に一定の温度を有する第2の制御
された温度ゾーンにおいて、これによって供給された蒸
気から金属ホスファイドを析出することからなる、金属
ポリホスファイド材料を製造する方法。
16. A second controlled temperature zone for heating one or more metals and phosphorus in a controlled temperature zone and having a substantially constant temperature over an extended area thereby. A method for producing a metal polyphosphide material, which comprises depositing metal phosphide from supplied steam.
【請求項17】 MおよびPを一緒に加熱し、次いでそ
れらを室温に冷却することからなる、式MPx (式中M
は1種またはそれ以上の金属であり、そしてPはリンで
ある)を有する高リンのポリホスファイド材料を形成す
る方法。
17. The formula MP x , wherein M and P consist of heating together and then cooling them to room temperature.
Is one or more metals and P is phosphorus).
【請求項18】 a)リン対リン結合を含有しかつ前記
リン原子へ結合するアルカリ金属原子を含有し、連続す
る共有リン対リン結合の数が、材料を半導性とするため
に、非リン対リン結合の数よりも十分に大きい、ポリホ
スファイドを、少なくともその一成分として含む材料を
準備し、そして b)前記材料を半導体として使用するために、前記材料
と電気的に連絡する手段を前記材料へ取り付ける、工程
からなる半導体装置の形成法。
18. A) containing a phosphorus-to-phosphorus bond and containing an alkali metal atom bound to said phosphorus atom, wherein the number of consecutive covalent phosphorus-to-phosphorus bonds is non-conducting in order to render the material semiconducting. Providing a material comprising polyphosphide as at least one component thereof, which is sufficiently greater than the number of phosphorus-to-phosphorus bonds, and b) means for electrically contacting said material for use as a semiconductor. A method of forming a semiconductor device, the method comprising the steps of:
【請求項19】 a)少なくともその一成分として、少
なくとも2つのポリホスファイド単位からなり、各単位
は少なくとも7個の共有結合したリン原子の骨格を有
し、前記単位は少なくとも1個のアルカリ金属原子と会
合しており、前記アルカリ金属原子は1つの単位のリン
骨格を他の単位のリン骨格と伝導的に橋かけし、そして
材料は主として前記リン対リン結合により決定されるバ
ンドギャップを有する、材料を準備し、そして b)前記材料を半導体として使用するために、前記材料
と電気的に連絡する手段を前記材料へ取り付ける、工程
からなる半導体装置の形成法。
19. A) consisting of at least two polyphosphide units, at least as one component thereof, each unit having a skeleton of at least 7 covalently bonded phosphorus atoms, said units comprising at least one alkali metal Associated with an atom, the alkali metal atom conductively bridges the phosphorus skeleton of one unit with the phosphorus skeleton of another unit, and the material has a band gap predominantly determined by the phosphorus-phosphorus bond Forming a material, and b) attaching to the material a means for electrically connecting the material to the material for use as a semiconductor.
【請求項20】 a)式MPx (式中Mはアルカリ金属
であり、そしてxはP対Mの原子比であり、xは少なく
とも7である)で表わされるポリホスファイドを、その
少なくとも一成分として含み、そして1〜3eVの範囲の
エネルギーのバンドギャップを有する、材料を準備し、
そして b)前記材料を半導体として使用するために、前記材料
と電気的に連絡する手段を前記材料へ取り付ける、工程
からなる半導体装置の形成法。
20. A) a polyphosphide of the formula MP x , wherein M is an alkali metal and x is the atomic ratio of P to M, and x is at least 7; Preparing a material containing as a component and having a bandgap of energy in the range of 1-3 eV,
And b) a method of forming a semiconductor device comprising the step of attaching to the material a means for electrically communicating with the material for using the material as a semiconductor.
【請求項21】 前記材料は単一のアルカリ金属からな
る、請求項1〜11,13,14,16,17および1
8〜20のいずれかに記載の発明。
21. The material of claims 1-11, 13, 14, 16, 17, and 1 wherein the material comprises a single alkali metal.
The invention according to any one of 8 to 20.
【請求項22】 前記材料は少なくとも2種類の異なる
アルカリ金属からなる、請求項1〜11,13,14,
16,17および18〜20のいずれかに記載の発明。
22. The method of claim 1, wherein the material comprises at least two different alkali metals.
The invention according to any one of 16, 17, and 18 to 20.
【請求項23】 前記材料において、少なくとも7個の
リン原子が前記材料中の金属原子の1個につき他のリン
原子へ結合している、請求項4,6,11,13,1
4,16,17および18〜22のいずれかに記載の発
明。
23. In the material, at least 7 phosphorus atoms are bound to another phosphorus atom for each metal atom in the material.
The invention according to any one of 4, 16, 17 and 18-22.
【請求項24】 15個のリン原子が前記材料中の金属
原子の1個につき他のリン原子へ結合している、請求項
23記載の発明。
24. The invention of claim 23, wherein 15 phosphorus atoms are attached to each other phosphorus atom for each metal atom in the material.
【請求項25】 前記材料中の金属原子の1個につき少
なくとも500個のリン原子が存在する、請求項24記
載の発明。
25. The invention of claim 24, wherein there are at least 500 phosphorus atoms for each metal atom in the material.
【請求項26】 前記材料は式〔MP7 a 〔P8 b
(式中b:aは〔P8 〕対〔MP7 〕の原子比である)
により定義される、請求項22記載の発明。
26. The material is of the formula [MP 7 ] a [P 8 ] b
(In the formula, b: a is the atomic ratio of [P 8 ] to [MP 7 ])
23. The invention of claim 22 defined by:
【請求項27】 前記ポリホスファイドは式MPx を有
し、そしてxは実質的に15に等しい、請求項1〜1
0,13,14,16,17および18〜26のいずれ
かに記載の発明。
27. The polyphosphide has the formula MP x , and x is substantially equal to 15.
The invention according to any one of 0, 13, 14, 16, 17 and 18 to 26.
【請求項28】 前記ポリホスファイドは式MPx を有
し、そしてxは14より大きい、請求項1〜10,1
3,14,16,17および18〜26のいずれかに記
載の発明。
28. The polyphosphide has the formula MP x , and x is greater than 14;
The invention according to any one of 3, 14, 16, 17 and 18 to 26.
【請求項29】 xは7〜15の範囲内である、請求項
1〜10,13,14,16,17および18〜26の
いずれかに記載の発明。
29. The invention according to any one of claims 1-10, 13, 14, 16, 17 and 18-26, wherein x is in the range of 7-15.
【請求項30】 前記金属はLiである、請求項1〜1
0,13,14,16,17および18〜29のいずれ
かに記載の発明。
30. The method according to claim 1, wherein the metal is Li.
The invention according to any one of 0, 13, 14, 16, 17 and 18 to 29.
【請求項31】 前記金属はNaである、請求項1〜1
0,13,14,16,17および18〜29のいずれ
かに記載の発明。
31. The method according to claim 1, wherein the metal is Na.
The invention according to any one of 0, 13, 14, 16, 17 and 18 to 29.
【請求項32】 前記金属はKである、請求項1〜1
0,13,14,16,17および18〜29のいずれ
かに記載の発明。
32. The method of claim 1, wherein the metal is K.
The invention according to any one of 0, 13, 14, 16, 17 and 18 to 29.
【請求項33】 前記金属はRbである、請求項1〜1
0,13,14,16,17および18〜29のいずれ
かに記載の発明。
33. The method according to claim 1, wherein the metal is Rb.
The invention according to any one of 0, 13, 14, 16, 17 and 18 to 29.
【請求項34】 前記金属はCsである、請求項1〜1
0,13,14,16,17および18〜29のいずれ
かに記載の発明。
34. The method according to claim 1, wherein the metal is Cs.
The invention according to any one of 0, 13, 14, 16, 17 and 18 to 29.
【請求項35】 前記原子の少なくとも7分の6は3個
の類似原子の結合をもっぱら有する、請求項2,7〜1
0および18〜20のいずれかに記載の発明。
35. The method of claim 2, 7-1, wherein at least six-sevenths of said atoms have exclusively three similar atom bonds.
The invention according to any one of 0 and 18 to 20.
【請求項36】 前記原子の少なくとも15分の14は
3個の類似原子の結合を有する、請求項35記載の発
明。
36. The invention of claim 35, wherein at least 14/15 of said atoms have a bond of 3 similar atoms.
【請求項37】 類似原子の結合を有する前記種の原子
の比率は15分の14よりも非常に大きい、請求項36
記載の発明。
37. The ratio of atoms of said species having bonds of like atoms is much greater than 14/15.
The invention described.
【請求項38】 前記材料は管状支柱構造によりその局
所的順序において特徴づけられる、請求項2,11,1
3,14,16,17および18〜26のいずれかに記
載の発明。
38. The material of claim 2, 11, 1 characterized by a tubular strut structure in its local order.
The invention according to any one of 3, 14, 16, 17 and 18 to 26.
【請求項39】 前記局所的順序中の管状構造はすべて
略平行である、請求項38記載の発明。
39. The invention of claim 38, wherein the tubular structures in the local sequence are all substantially parallel.
【請求項40】 前記材料の主成分の原子は3価であ
る、請求項38または39記載の発明。
40. The invention according to claim 38 or 39, wherein the atoms of the main component of the material are trivalent.
【請求項41】 前記支柱構造は、一端から見たとき、
チャンネル様である、請求項38〜40のいずれかに記
載の発明。
41. The strut structure, when viewed from one end,
41. The invention according to any of claims 38-40, which is channel-like.
【請求項42】 前記支柱構造は、一端から見たとき、
五角形である、請求項38〜41のいずれかに記載の発
明。
42. The strut structure, when viewed from one end,
42. The invention according to any of claims 38-41, which is a pentagon.
【請求項43】 前記原子は1種またはそれ以上のプニ
クチドである、請求項40〜42のいずれかに記載の発
明。
43. The invention of any of claims 40-42, wherein the atom is one or more pnictides.
【請求項44】 前記原子は主としてリンである、請求
項38〜43のいずれかに記載の発明。
44. The invention according to any of claims 38-43, wherein the atom is primarily phosphorus.
【請求項45】 前記原子の結合は平均98°より大き
い角度で間隔を置いて位置する、請求項7〜10のいず
れかに記載の半導体装置。
45. The semiconductor device of any of claims 7-10, wherein the atomic bonds are spaced at an angle greater than 98 ° on average.
【請求項46】 前記角度は87°〜109°の範囲で
ある、請求項45記載の半導体装置。
46. The semiconductor device according to claim 45, wherein the angle is in the range of 87 ° to 109 °.
【請求項47】 前記カートネーションの原子以外の1
種またはそれ以上の異なる元素の追加の原子が2または
それ以上の前記カートネーションの間に結合されてい
る、請求項9または10記載の半導体装置。
47. 1 other than the atoms of the cartonation
11. The semiconductor device of claim 9 or 10, wherein additional atoms of species or more different elements are bound between two or more of the cartonations.
【請求項48】 前記追加の原子はそれらが結合してい
るカートネーションの間に伝導路を形成する、請求項4
7記載の半導体装置。
48. The additional atom forms a conduction path between the cartonations to which they are attached.
7. The semiconductor device according to 7.
【請求項49】 各局所規則度における前記カートネー
ションはすべて略平行である、請求項47または48記
載の半導体装置。
49. The semiconductor device according to claim 47, wherein the cartonations at each local degree of regularity are substantially parallel to each other.
【請求項50】 前記材料はリンとアルカリ金属の分離
された源から析出ゾーンにおいて蒸気移送により析出さ
れた生成物として形成される、請求項1〜11,13,
14,16〜20および37〜49のいずれかに記載の
発明。
50. The method of claim 1, wherein the material is formed as a product deposited by vapor transfer from a separate source of phosphorus and alkali metal in a deposition zone.
The invention according to any one of 14, 16 to 20 and 37 to 49.
【請求項51】 前記原子の実質的に主要部分はリンで
ある、請求項7〜10,18〜20,35〜37および
43〜49のいずれかに記載の発明。
51. The invention of any of claims 7-10, 18-20, 35-37 and 43-49, wherein substantially the major portion of said atoms is phosphorus.
【請求項52】 リン対金属の原子比は実質的に50以
上である、請求項3,4,5,11,14,16,1
7,18〜21,26,30〜34,50および51の
いずれかに記載の発明。
52. The atomic ratio of phosphorus to metal is substantially 50 or more, as defined in claim 3, 4, 5, 11, 14, 16, 1.
The invention according to any one of 7, 18 to 21, 26, 30 to 34, 50 and 51.
【請求項53】 前記原子比は実質的に200以上であ
る、請求項52記載の発明。
53. The invention according to claim 52, wherein the atomic ratio is substantially 200 or more.
【請求項54】 前記原子比は実質的に1,000以上
である、請求項53記載の発明。
54. The invention according to claim 53, wherein the atomic ratio is substantially 1,000 or more.
【請求項55】 前記金属の量は1,000ppm 以下で
ある、請求項54記載の発明。
55. The invention according to claim 54, wherein the amount of the metal is 1,000 ppm or less.
【請求項56】 前記材料は実質的に1〜3電子ボルト
の範囲内のバンドギャップを有する、請求項1〜11,
14,16,17,18〜25,35〜37および45
〜49のいずれかに記載の発明。
56. The material of claims 1-11, wherein the material has a bandgap substantially in the range of 1-3 eV.
14, 16, 17, 18-25, 35-37 and 45
The invention according to any one of to 49.
【請求項57】 前記材料は実質的に1.4〜2.2電
子ボルトのバンドギャップを有する、請求項56記載の
発明。
57. The invention of claim 56, wherein the material has a bandgap of substantially 1.4 to 2.2 eV.
【請求項58】 前記材料は実質的に1.8電子ボルト
のバンドギャップを有する、請求項57記載の発明。
58. The invention of claim 57, wherein the material has a bandgap of substantially 1.8 eV.
【請求項59】 前記材料は100〜10,000の範
囲内の光伝導度比を有する、請求項1〜11,14,1
6,17,18〜25,35〜37,45〜49および
56〜58のいずれかに記載の発明。
59. The material of claim 1, wherein the material has a photoconductivity ratio in the range of 100 to 10,000.
The invention according to any one of 6, 17, 18 to 25, 35 to 37, 45 to 49 and 56 to 58.
【請求項60】 前記材料は単結晶から形成されてい
る、請求項1〜11,14,16,17および18〜5
9のいずれかに記載の発明。
60. The material of any of claims 1-11, 14, 16, 17, and 18-5 is formed of a single crystal.
9. The invention according to any one of 9.
【請求項61】 前記材料は多結晶質である、請求項1
〜11,14,16〜59のいずれかに記載の発明。
61. The material of claim 1, wherein the material is polycrystalline.
The invention according to any one of to 11, 14, 16 to 59.
【請求項62】 前記材料は非結晶質である、請求項1
〜11,14,16〜59のいずれかに記載の発明。
62. The material of claim 1, wherein the material is amorphous.
The invention according to any one of to 11, 14, 16 to 59.
【請求項63】 前記材料は薄いフィルムの形である、
請求項1〜11,14,16,18〜59,61および
62のいずれかに記載の発明。
63. The material is in the form of a thin film,
The invention according to any one of claims 1 to 11, 14, 16, 18 to 59, 61 and 62.
【請求項64】 前記薄いフィルムはガラス支持体上に
析出されている、請求項63記載の発明。
64. The invention of claim 63, wherein the thin film is deposited on a glass support.
【請求項65】 前記薄いフィルムは金属支持体上に析
出されている、請求項63記載の発明。
65. The invention of claim 63, wherein the thin film is deposited on a metal support.
【請求項66】 接合を含むものとしてさらに定義され
る、請求項7〜10および45〜49のいずれかに記載
の半導体装置。
66. The semiconductor device of any of claims 7-10 and 45-49, further defined as including a junction.
【請求項67】 前記接合はCu,Al,Mg,Ni,
Au,AgおよびTiから成る群より選ばれた金属を含
む、請求項66記載の半導体装置。
67. The joint comprises Cu, Al, Mg, Ni,
67. The semiconductor device according to claim 66, comprising a metal selected from the group consisting of Au, Ag and Ti.
【請求項68】 前記接合金属はNiである請求項67
記載の半導体装置。
68. The joint metal is Ni.
The semiconductor device described.
【請求項69】 前記材料は他のプニクチドの原子でド
ーピングされている、請求項7〜10,45〜49およ
び68のいずれかに記載の半導体装置。
69. The semiconductor device according to claim 7, wherein said material is doped with atoms of another pnictide.
【請求項70】 前記プニクチドはAsである、請求項
69記載の半導体装置。
70. The semiconductor device according to claim 69, wherein the pnictide is As.
【請求項71】 前記材料は占有された外側のfまたは
d電子レベルを有する金属をその中に拡散することによ
りドーピングされている、請求項7〜10,45〜49
および66のいずれかに記載の半導体装置。
71. The material of claims 7-10, 45-49, wherein the material is doped by diffusing therein a metal having an occupied external f or d electron level.
67. The semiconductor device according to any one of 66 and 66.
【請求項72】 前記ドーピング剤はニッケル、鉄およ
びクロムから成る群より選ばれる、請求項71記載の半
導体装置。
72. The semiconductor device according to claim 71, wherein the doping agent is selected from the group consisting of nickel, iron and chromium.
【請求項73】 金属の接触部を含み、前記接触部はC
u,Al,Mg,Ni,Au,AsおよびTiから成る
群より選ばれる、請求項7〜10,45〜49および6
6〜72のいずれかに記載の半導体装置。
73. A metal contact portion is included, and the contact portion is C
7. A composition selected from the group consisting of u, Al, Mg, Ni, Au, As and Ti, 7 to 10, 45 to 49 and 6.
The semiconductor device according to any one of 6 to 72.
【請求項74】 前記金属はアルカリ金属からなる請求
項1〜10,11,13,14,16および17のいず
れかに記載の発明。
74. The invention according to any one of claims 1 to 10, 11, 13, 14, 16 and 17, wherein the metal is an alkali metal.
【請求項75】 少なくとも7個のリン原子が前記材料
中の金属原子の1個につき他のリン原子へ結合してい
る、請求項74記載の発明。
75. The invention of claim 74, wherein at least 7 phosphorus atoms are attached to every other phosphorus atom for each metal atom in the material.
【請求項76】 少なくとも15個のリン原子が前記材
料中の金属原子の1個につき他のリン原子へ結合してい
る、請求項75記載の発明。
76. The invention of claim 75, wherein at least 15 phosphorus atoms are attached to each other phosphorus atom for each metal atom in the material.
【請求項77】 前記材料中のリン原子対金属原子の比
は少なくとも500対1である、請求項76記載の発
明。
77. The invention of claim 76, wherein the ratio of phosphorus atoms to metal atoms in the material is at least 500: 1.
【請求項78】 前記金属はLi,Na又はKである、
請求項35〜37,45〜49,56〜59,66〜7
3および74〜77のいずれかに記載の発明。
78. The metal is Li, Na or K,
Claims 35 to 37, 45 to 49, 56 to 59, 66 to 7
The invention according to any of 3 and 74 to 77.
【請求項79】 前記金属はRbである、請求項35〜
37,45〜49,56〜59,66〜73および74
〜77のいずれかに記載の発明。
79. The alloy of claim 35, wherein the metal is Rb.
37, 45-49, 56-59, 66-73 and 74
77. The invention according to any of 77.
【請求項80】 前記金属はCsである、請求項35〜
37,45〜49,56〜59,66〜73および74
〜77のいずれかに記載の発明。
80. The method of claim 35, wherein the metal is Cs.
37, 45-49, 56-59, 66-73 and 74
77. The invention according to any of 77.
【請求項81】 前記材料はLiPx ,NaPx 又はK
x であり、そしてxは少なくとも7である、請求項3
5〜37,45〜49,56〜59,66〜73および
74〜77のいずれかに記載の発明。
81. The material is LiP x , NaP x or K.
4. P x , and x is at least 7.
The invention according to any one of 5 to 37, 45 to 49, 56 to 59, 66 to 73 and 74 to 77.
【請求項82】 前記材料はRbPx であり、そしてx
は少なくとも7である、請求項35〜37,45〜4
9,56〜59,66〜73および74〜77のいずれ
かに記載の発明。
82. The material is RbP x , and x
Is at least 7, 35-37, 45-4
The invention according to any one of 9,56 to 59, 66 to 73 and 74 to 77.
【請求項83】 前記材料はCsPx であり、そしてx
は少なくとも7である、請求項35〜37,45〜4
9,56〜59,66〜73および74〜77のいずれ
かに記載の発明。
83. The material is CsP x , and x
Is at least 7, 35-37, 45-4
The invention according to any one of 9,56 to 59, 66 to 73 and 74 to 77.
【請求項84】 前記材料は実質的に1〜3電子ボルト
の範囲内のバンドギャップを有する、請求項56〜5
9,66〜73および74〜83のいずれかに記載の発
明。
84. The material of claims 56-5, wherein the material has a bandgap substantially in the range of 1-3 eV.
The invention according to any one of 9, 66 to 73 and 74 to 83.
【請求項85】 前記材料は実質的に1.4〜2.2電
子ボルトの範囲内のバンドギャップを有する、請求項8
4記載の発明。
85. The material of claim 8, wherein the material has a bandgap substantially in the range of 1.4 to 2.2 eV.
Invention of 4.
【請求項86】 前記材料は実質的に1.8電子ボルト
のバンドギャップを有する、請求項85記載の発明。
86. The invention of claim 85, wherein the material has a bandgap of substantially 1.8 eV.
【請求項87】 前記材料は100〜10,000範囲
内の光伝導度比を有する、請求項56〜59,66〜7
3および74〜83のいずれかに記載の発明。
87. The material of any of claims 56-59, 66-7, wherein the material has a photoconductivity ratio in the range of 100-10,000.
The invention according to any of 3 and 74-83.
【請求項88】 流動性材料はリンからなる、請求項1
2に記載の方法。
88. The flowable material comprises phosphorus.
The method described in 2.
【請求項89】 流動性材料はアルカリ金属からなる、
請求項12または88記載の方法。
89. The flowable material comprises an alkali metal,
89. The method of claim 12 or 88.
【請求項90】 請求項88または89に記載の方法に
よって製造された材料。
90. A material produced by the method of claim 88 or 89.
【請求項91】 薄いフィルムの形の請求項90記載の
材料。
91. The material of claim 90 in the form of a thin film.
【請求項92】 多結晶質であるとさらに定義される、
請求項91記載の材料。
92. is further defined as being polycrystalline,
The material according to claim 91.
【請求項93】 非結晶質であるとさらに定義される、
請求項91記載の材料。
93. Further defined as being amorphous.
The material according to claim 91.
【請求項94】 結晶質のMPx (ここでMはアルカリ
金属、またはアルカリ金属の結合に類似する他の1種ま
たはそれ以上の金属からなり、Pはリンであり、そして
xは7以上である)からなる、複合材料の強化用材料。
94. A crystalline MP x, wherein M is an alkali metal, or one or more other metals similar to an alkali metal bond, P is phosphorus, and x is 7 or more. A) for strengthening composite materials.
【請求項95】 Mがアルカリ金属である請求項94記
載の強化用材料。
95. The reinforcing material according to claim 94, wherein M is an alkali metal.
【請求項96】 xが15である請求項14または95
記載の強化用材料。
96. The method according to claim 14 or 95, wherein x is 15.
Reinforcement material as described.
【請求項97】 前記材料はガラス中に埋め込まれてい
る、請求項94〜96のいずれかに記載の材料。
97. The material of any of claims 94-96, wherein the material is embedded in glass.
【請求項98】 前記材料はプラスチック材料中に埋め
込まれている、請求項94〜96のいずれかに記載の材
料。
98. A material according to any of claims 94-96, wherein said material is embedded in a plastic material.
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