MD4266C1 - Procedeu de obţinere a monocristalului de ZnSe - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la procedee de obţinere a materialelor semiconductoare şi poate fi utilizată în tehnologia semiconductoare.Procedeul de obţinere a monocristalului de ZnSe constă în creşterea monocristalului de ZnSe din faza gazoasă la o temperatură de 900...1100°C, cu un gradient de temperatură în regiunea de cristalizare de 1...5°C/cm şi cu o viteză de încălzire a germenului şi de răcire a cristalului crescut de 20...60°C/oră, totodată se prestabileşte o distribuire neuniformă a temperaturii cuptorului.

Description

Invenţia se referă la procedee de obţinere a materialelor semiconductoare şi poate fi utilizată în tehnologia semiconductoare.

Este cunoscut un procedeu de micşorare a deformaţiei monocristalelor de ZnSe, care are loc în procesul de răcire după creştere, şi constă în utilizarea unui strat intermediar din ZnSe, situat între fundul plat al fiolei şi germene, precum şi confecţionarea pereţilor fiolei dintr-un material relativ uşor distructiv de pBN. Procedeul este utilizat pentru creşterea cristalelor prin transferul chimic al vaporilor la temperaturi relativ scăzute (860°C). Prin intermediul acestui procedeu se obţin cristale, densitatea figurilor de corodare ale cărora în partea de sus constituie 5·103 cm-2 [1].

Dezavantajul acestui procedeu constă în densitatea sporită a dislocaţiilor (densitatea figurilor de corodare) în partea inferioară şi laterală a cristalelor (104 cm-2 şi mai mult) în urma neeliminării complete a efectului de alipire, precum şi necesitatea utilizării agenţilor-transportori chimici, care poluează cristalele crescute.

Este cunoscut de asemenea un procedeu (metoda „creşterii libere”) de micşorare a deformaţiei monocristalelor crescute de ZnSe, care constă în utilizarea unui profil axial de temperatură a cuptorului cu minim şi a unui piedestal pentru germene. Partea de bază a piedestalului este situată în regiunea temperaturilor mai ridicate decât temperatura germenului, care este amplasat în regiunea minimului profilului de temperatură. Aceasta permite de a lichida efectul alipirii cristalului de piedestal. În acelaşi timp, se foloseşte o fantă cu o anumită grosime între piedestal şi pereţii fiolei, prin care difuzează vaporii compusului crescut, ce se evaporă de pe suprafaţa laterală a cristalului în creştere. Astfel este prevenită aderenţa cristalului de pereţii fiolei. Procedeul dat este utilizat pentru creşterea cristalelor la temperaturi relativ înalte în atmosfera gazelor inerte. Tehnologia analizată permite obţinerea cristalelor cu densitatea medie a dislocaţiilor de cca 5·103 cm-2 [2].

Dezavantajele acestui procedeu constau în utilizarea valorilor relativ înalte ale temperaturilor de creştere (1200°C) şi gradienţilor de temperatură în regiunea de cristalizare (7°C/cm), în necesitatea utilizării piedestalelor masive, confecţionate din cuarţ sau safir, precum şi în pierderea unei părţi a materialului de creştere în urma difuziei vaporilor compusului crescut în afara regiunii de cristalizare şi depunerea lor mai jos de piedestal.

Problema pe care o rezolvă invenţia dată constă în elaborarea tehnologiei de creştere, care ar asigura obţinerea monocristalelor masive de seleniură de zinc, ce posedă densitate mică a dislocaţiilor, dublurilor şi hotarelor subfeţelor şi, în acelaşi timp, ar exclude pierderile de material de creştere.

Procedeul, conform invenţiei, elimină dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că constă în creşterea monocristalului de ZnSe din faza gazoasă, care include amplasarea într-o cameră de creştere închisă a germenului şi a materialului de creştere; creşterea se efectuează la o temperatură de 900...1100°C, cu un gradient de temperatură în regiunea de cristalizare de 1...5°C/cm şi cu o viteză de încălzire a germenului şi de răcire a cristalului crescut de 20...60°C/oră; totodată se prestabileşte o distribuire neuniformă a temperaturii cuptorului, care satisface condiţiile:

– temperatura pereţilor camerei de creştere Ti este mai mare decât temperatura cristalului în creştere:

Ti > Tcristal;

– pentru toate punctele camerei de creştere, în regiunea dintre materialul de creştere şi cristalul în creştere, este satisfăcută condiţia:

,

unde este diferenţa dintre temperaturile materialului de creştere şi a punctului examinat al camerei de creştere Ti, - diferenţa dintre temperaturile punctului examinat şi a cristalului în creştere, - distanţa dintre materialul de creştere şi punctul examinat, - distanţa dintre punctul examinat şi cristalul în creştere.

Rezultatul invenţiei constă în excluderea fisurilor şi fragmentelor distruse ale germenului şi cristalului crescut (fig. 1 (a)), densitatea figurilor de corodare (densitatea dislocaţiilor) corespunde diapazonului (1÷5)·103 cm-2 (fig. 1(b)), dublurile, hotarele subfeţelor şi cavităţile sunt observate numai la periferia cristalelor crescute sau lipsesc (fig. 1 (c)).

Rezultatul tehnic obţinut se datorează: utilizării temperaturii de creştere relativ joase (900…1100°C), gradientului de temperatură scăzut în regiunea de cristalizare (1…5°C/cm), vitezei moderate de încălzire a germenului şi de răcire a cristalului crescut (20…60°C/oră), lipsei alipirii de pereţii fiolei şi deformării cristalului crescut în urma utilizării profilului de temperatură al cuptorului, care satisface cele două condiţii indicate.

Invenţia se explică prin fig. 1-5.

În fig. 1 este prezentată caracteristica cristalelor de ZnSe, crescute în condiţiile profilului de temperatură axial cu minim şi nedeformate în procesul de răcire, (a) - demonstrarea transparenţei germenului şi cristalului, (b) - demonstrarea densităţii joase a dislocaţiilor (este indicată densitatea medie a figurilor de corodare pe 1 cm2), (c) - demonstrarea lipsei hotarelor subfeţelor şi dublurilor pe secţiunea cristalului crescut prin utilizarea germenilor cu densitate joasă a dislocaţiilor.

În fig. 2 este prezentată caracteristica cristalelor de ZnSe, crescute în condiţiile profilului de temperatură clasic tip parabolă (a) şi deformate în procesul de răcire (1 - profilul axial clasic de temperatură a cuptorului, 3 - profilul radial de temperatură a cuptorului, 4 - fiola, 5 - germene sau cristalul în creştere, 6 - materialul de creştere), (b) - demonstrarea germenului distrus şi părţii adiacente a cristalului, (c) - demonstrarea densităţii ridicate a dislocaţiilor (este indicată densitatea medie a figurilor de corodare pe 1 cm2), (d) - demonstrarea dublurilor şi hotarelor subfeţelor pe secţiunea cristalului.

Densitatea înaltă a defectelor de structură, aşa ca dislocaţiile, dublurile, hotarele subfeţelor şi cavităţile înrăutăţeşte proprietăţile optice ale materialului dat şi contribuie la degradarea dispozitivelor emiţătoare de lumină, bazate pe tranziţia p-n de tipul: p-ZnSe:N/n-ZnSe. Cauza principală de generare a dislocaţiilor în monocristalele crescute de ZnSe este deformarea cristalelor în procesul de răcire din cauza alipirii cristalelor în procesul creşterii de pereţii camerei şi diferenţei dintre coeficienţii de dilatare termică a materialelor compusului crescut şi creuzetului [Korostelin Yu.V., Kozlovsky V.I., Nasibov A.S., Shapkin P.V. Vapour growth and characterization of bulk ZnSe single crystals. Journal of Crystal Growth, vol. 161, 1996, p. 51-59]. Lipsa măsurilor îndreptate spre micşorarea deformaţiilor similare conduce la obţinerea materialelor cu densitatea dislocaţiilor (densitatea figurilor de corodare) de 106 cm-2. Generarea dislocaţiilor parţial este legată şi de utilizarea gradienţilor înalţi de temperatură în regiunea de cristalizare şi temperaturilor de creştere ridicate. La rândul său, densitatea înaltă a dislocaţiilor în cristalul în creştere contribuie la formarea defectelor de tipul dublurilor, hotarelor subfeţelor şi cavităţilor (fig. 2).

În fig. 3 este prezentată schema cuptorului utilizat cu elemente termice neomogene şi profiluri de temperatură (1 - profilul axial de temperatură a cuptorului, 2 - minimul profilului axial de temperatură, 3 - profilul radial de temperatură a cuptorului, 7 - tubul ceramic al cuptorului, 8 - bobina principală de încălzire electrică, 9 - bobina secundară de încălzire electrică).

În fig. 4 este prezentată schema fiolei de cuarţ utilizate (4 - fiola, 5 - germene sau cristalul în creştere, 6 - materialul de creştere).

În fig. 5 este prezentat un exemplu de realizare a invenţiei cu utilizarea profilului axial de temperatură cu minim (1 - profilul axial de temperatură a cuptorului, 2 - minimul profilului axial de temperatură, 3 - profilul radial de temperatură a cuptorului, 4 - fiola, 5 - germene sau cristalul în creştere, 6 - materialul de creştere, 10 - un punct luat ca exemplu, pe fundul fiolei sub cristalul în creştere, 11 - un punct, luat ca exemplu, pe pereţii fiolei între materialul de creştere şi cristalul în creştere).

Exemplu de realizare a invenţiei

Pentru a obţine profilul complex de temperatură 1 cu minim 2 şi profilul radial de temperatură 3 (fig. 3) este necesar de înfăşurat bobina principală de încălzire electrică 8 cu densitatea rezistenţei 0,5 Ω/cm şi bobina secundară 9 cu densitatea rezistenţei 3 Ω/cm pe tubul ceramic 7 cu diametrul de 5 cm şi lungimea de 60 cm. Curentul electric de 5 A asigură temperatura în minimul 2 profilului axial de temperatură în valoare de 1000°C. Fiola 4 (fig. 4) are diametrul de 3 cm, distanţa dinte materialul de creştere 6 şi germene 5 este de 4 cm. Fiola 4 cu germene 5 (fig. 5) este introdusă în cuptor astfel încât temperatura germenului 5 este de 1000°C (Tcristal), temperatura materialului de creştere (Tmaterial) 6 este de 1005°C, gradientul de temperatură în regiunea de cristalizare ~1,25°C, frontiera dintre germenul 5 şi fundul fiolei se află mai jos de minimul profilului de temperatură 2 cu 3 mm.

Temperatura punctului fundului fiolei 10 aflat sub cristal şi axa fiolei este de 1000,4°C, iar temperatura punctelor aflate mai aproape de margine este mai mare datorită gradientului radial de temperatură 3.

Distanţa dintre punctul 11 şi materialul de creştere 6 este de 3,2 cm. Distanţa dintre punctul 11 şi cristal este de 0,8 cm. Temperatura punctului examinat este de 1003°C. Pentru punctul examinat 11, are loc astfel este îndeplinită condiţia . Ca rezultat, în punctul examinat şi pentru toate celelalte puncte dintre cristalul în creştere şi materialul de creştere, nu are loc creşterea cristalelor secundare.

Astfel este atins scopul invenţiei: obţinerea monocristalelor masive de seleniură de zinc, ce posedă densitate mică a dislocaţiilor, dublurilor şi hotarelor subfeţelor şi, în acelaşi timp, se exclud pierderile materialului pentru creştere.

1. Fujiwara S., Namikawa Y., Irikura M., Matsumoto K., Kotani T., Nakamura T. Growth of dislocation-free ZnSe single crystal by CVT method. Journal of Crystal Growth, vol. 219, 2000, p. 353-360

2. Korostelin Yu.V., Kozlovsky V.I., Nasibov A.S., Shapkin P.V., Lee S.K., Park S.S., Han J.Y., Lee S.H. Seeded vapour-phase free growth of ZnSe single crystals in the <1 0 0> direction. Journal of Crystal Growth, vol. 184-185, 1998, p. 1010-1014

Claims (1)

1. Procedeu de obţinere a monocristalului de ZnSe, care constă în creşterea monocristalului de ZnSe din faza gazoasă, care include amplasarea într-o cameră de creştere închisă a germenului şi a materialului de creştere; creşterea se efectuează la o temperatură de 900...1100°C, cu un gradient de temperatură în regiunea de cristalizare de 1...5°C/cm şi cu o viteză de încălzire a germenului şi de răcire a cristalului crescut de 20...60°C/oră; totodată se prestabileşte o distribuire neuniformă a temperaturii cuptorului, care satisface condiţiile:

   – temperatura pereţilor camerei de creştere Ti este mai mare decât temperatura cristalului în creştere:

   Ti > Tcristal;

   – pentru toate punctele camerei de creştere, în regiunea dintre materialul de creştere şi cristalul în creştere, este satisfăcută condiţia:

   ,

   unde

   este diferenţa dintre temperaturile materialului de creştere şi a punctului examinat al camerei de creştere Ti,

   - diferenţa dintre temperaturile punctului examinat şi a cristalului în creştere,

   - distanţa dintre materialul de creştere şi punctul examinat,

   - distanţa dintre punctul examinat şi cristalul în creştere.