CH672778A5 - - Google Patents

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CH672778A5
CH672778A5 CH4636/85A CH463685A CH672778A5 CH 672778 A5 CH672778 A5 CH 672778A5 CH 4636/85 A CH4636/85 A CH 4636/85A CH 463685 A CH463685 A CH 463685A CH 672778 A5 CH672778 A5 CH 672778A5
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phosphorus
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coating
amorphous
tube
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CH4636/85A
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Mark Allen Kuck
Christian Gabriel Michel
Rozalie Schachter
John Andrew Baumann
Paul Mordecai Raccah
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Stauffer Chemical Co
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Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hoch phosphorhaltigen Polyphosphid-Beschichtung, einen Apparat zur Ausführung des Verfahrens sowie verschiedene Verwendungen der genannten Beschichtung. DESCRIPTION The invention relates to a method for producing a high-phosphorus polyphosphide coating, an apparatus for carrying out the method and various uses of the coating mentioned.

Substanzen und Werkstoffe mit verketteten Phosphoratomen im Sinne der vorliegenden Beschreibung umfassen 5 Polyphosphide mit hohem Phosphorgehalt (also Phosphide, die ihrer Art nach Polymere bleiben), Alkalimetallpolyphos-phide, monoklinen Phosphor sowie neue Phosphormodifikationen. Die Phosphorsubstanzen und Polyphosphidsubstan-zen werden durch Dampftransportreaktionen in kristalliner, 10 polykristalliner und amorpher Form in Substanz, in Form dicker oder in Form dünner Schichten und Filme hergestellt. Zur Herstellung dünner Schichten werden Lichtbogenverdampfungsverfahren und chemische Niederschlagsreaktionen aus der Dampfphase eingesetzt. Festkörperreaktionen 15 werden zur Herstellung einkristalliner und polykristalliner Polyphosphide eingesetzt. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Werkstoffe können die Verfahren der Dif-fusionsdotierung verwendet werden. Gleichrichterübergänge werden durch entsprechende Metallkontakte auf den Werk-20 Stoffen hergestellt. Dünne Schichten der in Rede stehenden Phosphorwerkstoffe können als optische Beschichtungen und Vergütungen dienen. Kristallpulver und amorphe Modifikationen der Werkstoffe dienen als flammhemmende Füllstoffe. Die kristallinen Formen der Werkstoffe, insbesondere 25 in fasriger Form, können zur Verstärkung, insbesondere zur Verbesserung der Zugfestigkeit, in Kunststoffen eingesetzt werden. Substances and materials with chained phosphorus atoms in the sense of the present description include 5 polyphosphides with a high phosphorus content (ie phosphides which remain polymers by their nature), alkali metal polyphosphids, monoclinic phosphorus and new phosphor modifications. The phosphorus substances and polyphosphide substances are produced by vapor transport reactions in crystalline, polycrystalline and amorphous form in substance, in the form of thicker or in the form of thin layers and films. Arc vaporization processes and chemical precipitation reactions from the vapor phase are used to produce thin layers. Solid-state reactions 15 are used to produce single-crystalline and polycrystalline polyphosphides. The methods of diffusion doping can be used to increase the electrical conductivity of the materials. Rectifier transitions are made through appropriate metal contacts on the Werk-20 fabrics. Thin layers of the phosphor materials in question can serve as optical coatings and coatings. Crystal powder and amorphous modifications of the materials serve as flame retardant fillers. The crystalline forms of the materials, in particular 25 in fibrous form, can be used in plastics for reinforcement, in particular to improve tensile strength.

Während der letzten Jahrzehnte ist die Verwendung von Halbleitern immer verbreiteter und wichtiger geworden. 30 Halbleiter auf Siliciumbasis sind beispielsweise die Grundlage für eine Vielfalt unterschiedlicher Vorrichtungen, beispielsweise für Sperrschicht-pn-Übergänge mit Gleichrichterwirkung (Dioden), Transistoren, steuerbare Silicium-Gleich-richter (SCR), photoelektrische Zellen oder lichtempfmd-35 liehe Dioden. Die hohen Kosten für die Herstellung des benötigten kristallinen Siliciums und die zunehmende Nachfrage nach Halbleitern für ein immer breiter werdendes Anwendungsgebiet haben den Bedarf nach einer Verbreiterung der Angebotspalette an nützlichen Halbleiterwerkstoffen hervor-40 gerufen. The use of semiconductors has become increasingly widespread and important in recent decades. 30 silicon-based semiconductors are, for example, the basis for a variety of different devices, for example for junction pn junctions with rectifier action (diodes), transistors, controllable silicon rectifiers (SCR), photoelectric cells or light-sensitive diodes. The high cost of producing the required crystalline silicon and the increasing demand for semiconductors for an ever-expanding field of application have created the need to broaden the range of useful semiconductor materials.

Die technisch nutzbaren Halbleiter der Erfindung haben einen Bandabstand im Bereich von ca. 1 bis 3 eV (genauer gesagt 1,4 bis 2,2 eV); ein Photoleitfähigkeitsverhältnis von grösser als 5 (genauer gesagt zwischen 100 und 10 000); eine 45 spezifische elektrische Leitfähigkeit im Bereich von ca. 10-5 bis 10"12 (Ohm-cm)-1 (genauer gesagt, eine spezifische elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 10~8 bis 10~9 (Ohm-cm)"1); und eine chemische und physikalische Beständigkeit unter Betriebsbedingungen bei normalen Umge-50 bungsbedingungen. Selbst wenn zahlreiche Werkstoffe, die weder als reine Metalle noch als reine Isolatoren eingestuft werden können, als Halbleiter gelten, können nur solche halbleitenden Werkstoffe auch als technisch nutzbare Halbleiter im Sinne der Erfindung angesehen werden, die die vor-55 stehend genannten Kriterien erfüllen. The technically usable semiconductors of the invention have a bandgap in the range of approximately 1 to 3 eV (more precisely 1.4 to 2.2 eV); a photoconductivity ratio greater than 5 (more specifically between 100 and 10,000); a 45 specific electrical conductivity in the range of approximately 10-5 to 10 "12 (ohm-cm) -1 (more precisely, a specific electrical conductivity in the range of 10 ~ 8 to 10 ~ 9 (ohm-cm)" 1) ; and chemical and physical resistance under operating conditions under normal environmental conditions. Even if numerous materials, which can neither be classified as pure metals nor as pure insulators, are considered semiconductors, only those semiconducting materials can also be regarded as technically usable semiconductors in the sense of the invention which meet the criteria mentioned above.

Angesichts der Forderung nach Erschliessung und Entwicklung alternativer, vom Erdöl unabhängiger Energiequellen, nimmt die potentielle kommerzielle Bedeutung eines Halbleiters stark zu, wenn der Halbleiterwerkstoff gleichzei-60 tig nutzbare photoelektrische Kenndaten aufweist, d.h. zu wirtschaftlichen Bedingungen in der Lage ist, Sonnenenergie mit einem vertretbaren Wirkungsgrad in elektrische Potentiale umzuwandeln. In view of the demand for the development and development of alternative energy sources that are independent of petroleum, the potential commercial importance of a semiconductor increases sharply if the semiconductor material also has usable photoelectric characteristics, i.e. is able to convert solar energy into electrical potential with reasonable efficiency at economic conditions.

Aus wirtschaftlicher Sicht sind amorphe Halbleiter, ins-65 besondere in Form dünner Schichten, den Halbleitern in Form von Einkristallen wegen der geringeren Herstellungskosten für die amorphen Schichten vorzuziehen. Auch weisen amorphe Halbleitern gegenüber den polykristallinen From an economic point of view, amorphous semiconductors, in particular in the form of thin layers, are preferable to semiconductors in the form of single crystals because of the lower production costs for the amorphous layers. Amorphous semiconductors also have polycrystalline properties

3 3rd

672 778 672 778

Halbleitern aus gleichem Material beim Einsatz in den verschiedensten Halbleiterbauelementen günstigere elektrische Kenndaten auf. Semiconductors made of the same material have more favorable electrical characteristics when used in a wide variety of semiconductor components.

Aus den genannten Gründen hat sich die Halbleiterindustrie einer intensiven Suche nach neuen halbleitenden Werkstoffen über den Bereich des kristallinen Siliciums hinaus verschrieben. For the reasons mentioned, the semiconductor industry is committed to an intensive search for new semiconducting materials beyond the field of crystalline silicon.

Als kristalline, kein Silicium enthaltende Halbleiter sind dabei vor allem Einkristalle von GaAs und GaP und InP als halbleitende Substanzen in der kommerziellen Praxis eingeführt. As crystalline semiconductors containing no silicon, single crystals of GaAs and GaP and InP have been introduced as semiconducting substances in commercial practice.

Viele andere Halbleiterwerkstoffe sind darüber hinaus für spezielle Anwendungszwecke eingesetzt worden. So werden beispielsweise CdS und Selen als Photoleiter in vielen Kopiergeräten verwendet. Many other semiconductor materials have also been used for special applications. For example, CdS and selenium are used as photoconductors in many copiers.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Ausdruck «Halbleiterelement» ein Produkt, und zwar einschliesslich des blossen Halbleiterwerkstoffs, unabhängig davon, ob dieses Produkt elektrische Kontakte aufweist oder benötigt, beispielsweise also ein elektronisches Bauelement ist, oder einem nichtelektronischen Bereich zuzuordnen ist, beispielsweise ein in der Kopiertechnik verwendeter Photoleiter, ein Leuchtphosphor oder ein Phosphor auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre ist. In the context of the present description, the term “semiconductor element” denotes a product, including the bare semiconductor material, regardless of whether this product has or requires electrical contacts, for example is an electronic component, or can be assigned to a non-electronic area, for example an in the copying technology used photoconductor, a phosphor or a phosphor on the screen of a cathode ray tube.

Obwohl an sich bekannt ist, dass einige Phosphormodifikationen halbleitend sind, haben die meisten Phosphorsubstanzen wegen ihrer chemischen Unbeständigkeit, leichten Oxidierbarkeit und hohen Reaktionsfähigkeit keine praktische Anwendung als Halbleiter gefunden. Keine bekannte Modifikation des Phosphors ist bislang erfolgreich als kommerziell tauglicher Halbleiter eingesetzt worden. Although it is known per se that some phosphor modifications are semiconducting, most phosphor substances have not found practical application as semiconductors because of their chemical instability, easy oxidizability and high reactivity. No known modification of the phosphor has so far been used successfully as a commercially suitable semiconductor.

Von den Substanzen, die nachstehend offenbart sind, Of the substances disclosed below

sind die III-V-Halbleiter wie beispielsweise Galliumphosphid und Indiumphosphid mit ihrer tetraedischen Konfiguration deutlich zu unterscheiden. Insbesondere ist die Halbleitung dieser III-V-Halbleiter nicht durch Phosphor-Phosphor-Bin-dungen bestimmt, d.h. die elektrische Leitung in diesen Werkstoffen erfolgt nicht oder zumindest nicht primär entlang Phosphor-Phosphor-Bindungen. III-V semiconductors such as gallium phosphide and indium phosphide with their tetrahedral configuration can be clearly distinguished. In particular, the semiconductivity of these III-V semiconductors is not determined by phosphorus-phosphorus bonds, i.e. the electrical conduction in these materials does not take place, or at least not primarily along phosphor-phosphorus bonds.

Weiterhin ist von hydriertem Phosphor bekannt, dass er eine dem schwarzen Phosphor ähnliche Struktur aufweist und halbleitend ist. Furthermore, hydrogenated phosphorus is known to have a structure similar to black phosphorus and to be semiconducting.

Eine unter der Leitung von H.G. von Schnering stehende Arbeitsgruppe hat eine beachtliche Arbeit auf dem Gebiet der hohen Phosphorkonzentrationen aufweisenden Polyphosphide geleistet. Die aus dieser Arbeitsgruppe stammenden Berichte zeigen, dass das höchste Glied der phosphorpo-lymeren Polyphosphide, das diese Arbeitsgruppe darstellen konnte, ein kristallines MPi5 ist, wobei M für ein Erdalkalimetall steht. Diese Polyphosphide werden durch Erhitzen des Metalls mit Phosphor in einer abgeschmolzenen Ampulle hergestellt. In den Veröffentlichungen von Schnering sind die Polyphosphide aufgrund ihrer Kristallstruktur als Substanzen mit Atombindungen im klassischen Sinne aufzufassen. Die Veröffentlichungen besagen, dass die Substanzen also mit anderen Worten Isolatoren oder Halbleiter sind oder sein sollten, nicht aber metallisches Leitungsverhalten zeigen. One led by H.G. von Schnering's group has done a remarkable job in the field of high phosphorus polyphosphides. The reports from this working group show that the highest link of the phosphor polymeric polyphosphides, which this working group could represent, is a crystalline MPi5, where M stands for an alkaline earth metal. These polyphosphides are made by heating the metal with phosphorus in a sealed ampoule. In Schnering's publications, the polyphosphides are to be understood as substances with atomic bonds in the classic sense due to their crystal structure. The publications state that, in other words, the substances are or should be insulators or semiconductors, but do not show metallic conductance.

Der auch Hittorf scher Phosphor genannte monokline Phosphor wird nach dem Stand der Technik aus weissem Phosphor und Blei wie folgt hergestellt: 1 g weisser Phosphor und 30 g Blei werden langsam in einem verschlossenen Rohr durch Erhitzen bis auf 630 °C zur Schmelze gebracht und anschliessend kurze Zeit bei dieser Temperatur gehalten. Die Lösung wird dann mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 10°/d im Verlauf von 11 Tagen bis auf 520 °C abgekühlt und anschliessend rasch auf Raumtemperatur abgeschreckt. Das erhaltene Produkt wird dann in einer Lösung von 2 kg Bleiacetat in 8 1 6-prozentiger Essigsäure elektrolysiert, wobei der Phosphor in einem Uhrglas aufgefangen und gesammelt wird, das unter der Anode steht. Auf diese Weise werden fast quadratische plättchenförmige Kristalle erhalten, deren Abmessungen im Bereich von ungefähr 0,2 mm x 0,2 mm x 0,05 mm liegen. The monoclinic phosphor, also known as Hittorf's phosphorus, is produced according to the state of the art from white phosphorus and lead as follows: 1 g of white phosphorus and 30 g of lead are slowly melted in a sealed tube by heating to 630 ° C and then briefly Time kept at this temperature. The solution is then cooled at a rate of 10 ° / d over 11 days to 520 ° C and then quickly quenched to room temperature. The product obtained is then electrolyzed in a solution of 2 kg of lead acetate in 8 1 6 percent acetic acid, the phosphorus being collected and collected in a watch glass which is under the anode. In this way, almost square plate-like crystals are obtained, the dimensions of which are in the range of approximately 0.2 mm × 0.2 mm × 0.05 mm.

Die Kristallstruktur dieser bekannten monoklinen Phosphormodifikation ist von Thum und Krebs bestimmt worden. Die Einheitszelle besteht aus zwei Schichten pentagona-ler Phosphorsäulen, die sämtlich parallel zueinander ausgerichtet sind und auf diesen beiden Schichten einem zweiten Schichtenpaar untereinander insgesamt paralleler pentago-naler Phosphorsäulen, wobei die Säulen im zweiten Schichtenpaar senkrecht zu den Phosphorsäulen im ersten Schichtenpaar angeordnet sind. In der Analyse der Kristallstruktur werden auch die Raumgruppe, die Bindungswinkel und die Bindungsabstände bestimmt. Die Zusammenfassung dieses Standes der Technik ist im Abschnitt «Phosphor» in dem 1974 veröffentlichten Buch «The Structure of the Elements» von Jerry Donahue zu finden. The crystal structure of this known monoclinic phosphor modification has been determined by Thum and Krebs. The unit cell consists of two layers of pentagonal phosphor columns, all of which are aligned parallel to each other and on these two layers a second pair of layers of pentagonal phosphor columns that are parallel to each other, the columns in the second pair of layers being arranged perpendicular to the phosphor columns in the first pair of layers. The analysis of the crystal structure also determines the space group, the bond angle and the bond spacing. The summary of this prior art can be found in the "Phosphorus" section in the 1974 book "The Structure of the Elements" by Jerry Donahue.

Über die elektrischen Eigenschaften der Kristalle des Hittorf sehen Phosphors sind keine Veröffentlichungen erschienen. Dies dürfte daran liegen, dass die nur klein dimensioniert erhältlichen Kristalle kaum elektrisch vermessen werden können. No publications have appeared on the electrical properties of the crystals of Hittorf see phosphor. This is probably due to the fact that the crystals, which are only available in small dimensions, can hardly be measured electrically.

Die Herstellung von hochreinem Phosphor mit einem elektronischen Anforderungen entsprechenden Gütegrad ist nach dem Stand der Technik ein ungewöhnlich kompliziertes und zeitraubendes Verfahren, so dass Phosphor mit elektronischer Gütequalität ausserordentlich teuer ist. The production of high-purity phosphor with a grade corresponding to electronic requirements is an unusually complicated and time-consuming process according to the prior art, so that phosphor with electronic grade quality is extremely expensive.

Im Stand der Technik zeigt sich andererseits aber auch ein Bedarf an stabilen Phosphorverbindungen, die insbesondere als Flammverzögerer und Flammhemmer eingesetzt werden. Die kristallinen Formen können ausserdem zur Verstärkung von Kunststoffen, Gläsern und anderen Werkstoffen herangezogen werden. On the other hand, the prior art also shows a need for stable phosphorus compounds which are used in particular as flame retardants and flame retardants. The crystalline forms can also be used to reinforce plastics, glasses and other materials.

Die erfindungsgemässen Verfahren, Apparate und hoch phosphorhaltigen Polyphosphid-Beschichtungen sind in den vorangehenden Patentansprüchen charakterisiert. The processes, apparatuses and high phosphorus-containing polyphosphide coatings according to the invention are characterized in the preceding patent claims.

Unter einem «Polyphosphid» wird im Rahme der Erfindung ein Werkstoff verstanden, dessen Kenndaten durch multiple Phosphor-Phosphor-Bindungen bestimmt sind. Unter einem «nutzbaren Halbleiter» wird im vorstehend bereits dargelegten Sinne nicht nur ein Werkstoff verstanden, dessen spezifische elektrische Leitfähigkeit im Zwischenbereich zwischen einem Isolator und einem Metall liegt, sondern ein Werkstoff, der überdies eine Vielfalt weiterer verwertbarer Kenndaten und Eigenschaften aufweist: In the context of the invention, a “polyphosphide” is understood to mean a material whose characteristics are determined by multiple phosphorus-phosphorus bonds. A “usable semiconductor” is understood in the sense already explained above not only as a material whose specific electrical conductivity lies in the intermediate range between an insulator and a metal, but as a material that also has a variety of other usable characteristics and properties:

- Stabilität - stability

- Elastische Werkstoffstruktur - Elastic material structure

- Bandabstand im nutzbaren Bereich (typischerweise 1 bis 2,5 eV) - Bandgap in the usable range (typically 1 to 2.5 eV)

- hoher spezifischer elektrischer Widerstand, aber dotierbar - High specific electrical resistance, but can be doped

- gute Photoleitfähigkeit - good photoconductivity

- Lumineszenz mit gutem Wirkungsgrad - Luminescence with good efficiency

- Möglichkeit zur Ausbildung von Sperrschichtübergängen, insbesondere zu Gleichrichtzwecken - Possibility to form junction junctions, especially for rectification purposes

- herstellbar bei relativ niedrigen Temperaturen (für Halbleiter) durch ein Verfahren, das im vergrösserten Massstab zur industriellen Fertigung durchführbar ist - Can be produced at relatively low temperatures (for semiconductors) by a process that can be carried out on an enlarged scale for industrial production

- Fähigkeit zur Bildung grossflächiger dünner amorpher Schichten - Ability to form large amorphous layers

- Möglichkeit zur Bildung geschmeidiger Polymerfasern. - Possibility to form supple polymer fibers.

Die Polyphosphide, die Gegenstand dieses Patentbegehrens sind, sind nun überraschenderweise Werkstoffe, die alle die vorstehend genannten Merkmale aufweisen. The polyphosphides which are the subject of this patent request are now surprisingly materials which all have the features mentioned above.

Gleichermassen bedeutend ist, dass die nutzbaren Eigenschaften des Werkstoffs über einen breiten Bereich der che5 It is equally important that the usable properties of the material over a wide range of che5

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mischen Zusammensetzung und der physikalischen Modifikation (kristallin und amorph) erhalten bleiben. mixing composition and physical modification (crystalline and amorphous) are preserved.

Soweit der Anmelderin bekannt ist, sind die Polyphosphide die einzigen praktisch nutzbaren Halbleiter, bei denen die im Einkristall gemessenen Kenndaten auch im amorphen Zustand des Werkstoffs erhalten bleiben. Dies ist deshalb von grösster technischer Bedeutung, weil die amorphen Modifikationen in der Regel leichter zugänglich sind. Von Bedeutung ist dieses Merkmal auch für Anwendungen mit grösser dimensionierten Vorrichtungen, beispielsweise photoelektrischen Zellen, grossflächigen Anzeigeschirmen und elektrostatischen Kopiergeräten. As far as the applicant is aware, the polyphosphides are the only practically usable semiconductors in which the characteristic data measured in the single crystal are retained even in the amorphous state of the material. This is of the greatest technical importance because the amorphous modifications are generally more accessible. This feature is also important for applications with larger-sized devices, for example photoelectric cells, large-area display screens and electrostatic copiers.

Das Hauptproblem, das sich im Stand der Technik bislang dem umfangreichen Einsatz amorpher Halbleiter entgegenstellt, ist, dass mit den bekannten Werkstoffen nicht, bzw. nicht ohne weiteres ein stabiles einphasiges Material herstellbar ist. Selbst wenn das amorphe Material jedoch einphasig hergestellt werden kann, muss bei solchen amorphen Werkstoffen in der Regel der Verlust wichtiger Kenndaten in Kauf genommen werden, die die einkristalline Phase zeigen. The main problem which has hitherto opposed the extensive use of amorphous semiconductors in the prior art is that a stable single-phase material cannot be produced with the known materials, or not easily. However, even if the amorphous material can be manufactured in a single phase, such amorphous materials generally have to accept the loss of important characteristic data which show the single-crystalline phase.

Der wichtigste bekannte Halbleiter, das Silicium, weist eine Kristallstruktur mit tetraedischer Koordination auf. Jeder Versuch, amorphes Silicium herzustellen, hat bislang noch immer zum Aufbrechen der tetraedisch koordinierten Bindungsstruktur geführt, in deren Gefolge unabgesättigte Valenzen auftreten, die die Halbleitereigenschaften des Silici-ums entscheidend ungünstig beeinflussen. Reines amorphes Silicium ist technisch wertlos. Es ist instabil und krümelig. Versuche, die ungesättigten Valenzen von amorphen Silicium mit Wasserstoff oder Fluor abzusättigen, sind bislang nur teilweise erfolgreich gewesen. The most important known semiconductor, silicon, has a crystal structure with tetrahedral coordination. Any attempt to produce amorphous silicon has so far still led to the breaking of the tetrahedron-coordinated bond structure, in the wake of which unsaturated valences occur, which decisively adversely affect the semiconductor properties of the silicon. Pure amorphous silicon is technically worthless. It is unstable and crumbly. Attempts to saturate the unsaturated valences of amorphous silicon with hydrogen or fluorine have so far been only partially successful.

Es muss angenommen werden, dass die Bewahrung der technisch interessanten und nutzbaren Eigenschaften der Polyphosphide unmittelbar auf die Struktur dieser Werkstoffe zurückzufuhren ist, die wiederum auf die ganz spezifischen Eigenschaften und das ganz spezifische Verhalten von Phosphor zurückzuführen ist, insbesondere nämlich dessen Fähigkeit zur Bildung von Polymeren, die in der ganz überwiegenden Mehrzahl aller Phosphorplätze im Gitter durch drei kovalente Phosphor-Phosphor-Bindungen gekennzeichnet sind. It must be assumed that the preservation of the technically interesting and usable properties of the polyphosphides is due directly to the structure of these materials, which in turn is due to the very specific properties and behavior of phosphorus, in particular its ability to form polymers , which are characterized by three covalent phosphor-phosphorus bonds in the vast majority of all phosphor sites in the lattice.

In kristalliner Form weisen die Polyphosphide vom Typ MP15 (mit M=Li, Na, K, Rb, Cs) eine Struktur auf, die von einem Phosphorgerüst aus zueinander parallelen Phosphorsäulen mit pentagonalem Querschnitt besteht. Diese Phosphorsäulen mit freiem Innenkanal sind in der in den Figuren 4, 5 und 6 gezeigten Art über P-M-P-Brücken miteinander verknüpft. Die Baugruppe für dieses atomare MP]5-Gerüst kann als eine P8-Struktur (aus zwei starren P4-Baugruppen zusammengesetzt) und eine MP7-Baugruppe (gebildet aus einer starren MP3-Baugruppe und einer P4-Baugruppe) zusammengesetzt angesehen werden. In crystalline form, the MP15 polyphosphides (with M = Li, Na, K, Rb, Cs) have a structure consisting of a phosphor structure with parallel phosphor columns with a pentagonal cross section. These phosphor columns with a free inner channel are linked to one another in the manner shown in FIGS. 4, 5 and 6 via P-M-P bridges. The assembly for this atomic MP] 5 framework can be viewed as a P8 structure (composed of two rigid P4 assemblies) and an MP7 assembly (composed of a rigid MP3 assembly and a P4 assembly).

Unter Zugrundelegung der oben beschriebenen Baugruppen oder Cluster hat Kosyakov (Russian Chemical Review, 48 (2), 1979) theoretisch gezeigt, dass die Polyphosphide als Polymere aufgefasst werden können, bei denen die Grundbaugruppen als Monomere aufgefasst werden können. Es sollte daher zumindest prinzipiell möglich sein, eine Vielzahl atomarer Strukturen mit gleichem Phosphorskelett aufzubauen. On the basis of the assemblies or clusters described above, Kosyakov (Russian Chemical Review, 48 (2), 1979) theoretically showed that the polyphosphides can be regarded as polymers in which the basic assemblies can be regarded as monomers. It should therefore be possible, at least in principle, to construct a large number of atomic structures with the same phosphorus skeleton.

Die Anmelderin hat während der Arbeiten zur vorliegenden Erfindung nach den verschiedensten weiter unten näher beschriebenen Verfahren MPi5-Kristalle sowie Substanzen des Typs (MP7)a- (P8)b synthetisch hergestellt, wobei der Parameter b wesentlich grösser als der Parameter a ist. Diese neuen Substanzen mit hohem Phosphorgehalt sind ursprünglich in Form von «Fasern», «Whiskern» oder «Bändern» erhalten worden und sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung kurz als MPX bezeichnet, wobei der Parameter x einen Wert von wesentlich grösser als 15 hat. Diese Werkstoffe mit geringer Metallkonzentration werden durch Transportreaktion über die Dampfphase in Form dicker Schichten (grösser als 10 [im aus polykristallinen Fasern) und grossen Kugeln (mit einem Volumen von grösser als 1 cm3) mit amorphem Charakter hergestellt. Die polykristallinen Fasern zeigen das gleiche morphologische Verhalten wie die KP15-Whisker. During the work on the present invention, the applicant has synthesized MPi5 crystals and substances of the type (MP7) a- (P8) b synthetically using the various processes described in more detail below, the parameter b being substantially larger than the parameter a. These new substances with a high phosphorus content were originally obtained in the form of "fibers", "whiskers" or "tapes" and are referred to briefly as MPX in the context of the present description, the parameter x having a value of substantially greater than 15. These materials with a low metal concentration are produced by transport reaction via the vapor phase in the form of thick layers (greater than 10 [in polycrystalline fibers) and large spheres (with a volume greater than 1 cm3) with an amorphous character. The polycrystalline fibers show the same morphological behavior as the KP15 whiskers.

Die Struktur des ersten kristallinen MPx-Materials (x sehr viel grösser als 15), das die Anmelderin herstellen konnte, ist von einem Phosphorgerüst bestimmt, das dem Phosphorgerüst der MPI5-Substanzen ähnelt. The structure of the first crystalline MPx material (x much larger than 15) that the applicant was able to produce is determined by a phosphorus framework that is similar to the phosphorus framework of the MPI5 substances.

Messungen haben gezeigt, dass die nutzbaren elektrischen und optischen Daten der kristallinen Werkstoffe MP]5 und MPX (mit x sehr viel grösser als 15) einander ähnlich und vergleichbar sind. Die Eigenschaften dieser Werkstoffe werden daher durch die zahlreichen kovalenten P-P-Bindungen des Phosphorgerüstes bestimmt, wobei dieses Phosphorgerüst eine Koordinationszahl von etwas kleiner als 3 aufweist. Überraschenderweise hat die Anmelderin jedoch festgestellt, dass die ausnutzbaren elektrischen und optischen Eigenschaften dieser Werkstoffe, nämlich für MPI5 und MPX (mit x sehr viel grösser als 15), die im kristallinen Material vorliegen, auch im entsprechenden amorphen Material erhalten bleiben. Measurements have shown that the usable electrical and optical data of the crystalline materials MP] 5 and MPX (with x much larger than 15) are similar and comparable. The properties of these materials are therefore determined by the numerous covalent P-P bonds of the phosphorus framework, this phosphorus framework having a coordination number of slightly less than 3. Surprisingly, however, the applicant has found that the usable electrical and optical properties of these materials, namely for MPI5 and MPX (with x much larger than 15), which are present in the crystalline material, are also retained in the corresponding amorphous material.

Im Gegensatz zu anderen bislang bekannten Werkstoffen liegt in diesem Fall nämlich eine starre eindimensionale Struktur vor, die lediglich im nachstehend erläuterten Sinne als elastisch bezeichnet werden kann. Die Kristallsymmetrie der Polyphosphide ist recht gering (triklin) . Offensichtlich ist dieses gering symmetrische Material beim Übergang von der kristallinen zur amorphen Struktur in der Lage, die zunehmende strukturelle Unordnung, die den amorphen Zustand kennzeichnet, anpassend aufzunehmen. Bei diesem Übergang tritt kein Auftrennen oder Aufreissen starker tetraedischer Bindungen (Koordinationszahl 4) wie im Silicium auf, da der Phosphor mit seiner wesentlich geringeren Koordinationszahl im Vergleich zu Silicium grössere strukturelle Unordnung aufnehmen kann, ohne dabei nichtabgesättigte Valenzen zu bilden. Die Polyphosphide sind ihrer Natur nach polymer. Es wird also in der Umwandlung eine amorphe polymère Struktur erhalten, die im Röntgenbeugungsspektrum keine nachweisbaren Maxima aufweist. Dennoch reichen die lokalen Ordnungsstrukturen weiter als dies in herkömmlichen amorphen Halbleitern der Fall ist. Alle Beobachtungen deuten daraufhin, dass beim Übergang von der kristallinen in die amorphe Phase bei den Polyphosphiden im strukturellen Sinne ein allmähliches Einsetzen des amorphen Zu-standes eintritt, wobei dieses allmähliche Einsetzen und Eintreten in den amorphen Zustand der Grund für die Bewahrung der am kristallinen Material zu beobachtenden Eigenschaften und Kenndaten auch im amorphen Zustand der Polyphosphide ist. In contrast to other previously known materials, a rigid one-dimensional structure is present in this case, which can only be described as elastic in the sense explained below. The crystal symmetry of the polyphosphides is very low (triclinic). Obviously, this slightly symmetrical material is able to adapt to the increasing structural disorder that characterizes the amorphous state in the transition from the crystalline to the amorphous structure. During this transition there is no breaking or breaking of strong tetrahedral bonds (coordination number 4) as in silicon, since the phosphorus with its significantly lower coordination number can absorb greater structural disorder than silicon without forming unsaturated valences. The polyphosphides are polymeric in nature. An amorphous polymer structure is thus obtained in the transformation, which has no detectable maxima in the X-ray diffraction spectrum. Nevertheless, the local ordering structures go further than is the case in conventional amorphous semiconductors. All observations indicate that the transition from the crystalline to the amorphous phase in the case of the polyphosphides in the structural sense results in a gradual onset of the amorphous state, this gradual onset and entry into the amorphous state being the reason for the retention of the crystalline material properties and characteristics to be observed also in the amorphous state of the polyphosphides.

Die chemische Zusammensetzung und die Struktur der Familie der Polyphosphide unterscheidet diese Substanzen deutlich von sämtlichen bislang bekannten nutzbaren Halbleitern: The chemical composition and the structure of the family of polyphosphides clearly differentiate these substances from all previously known usable semiconductors:

Gruppe 4a (kristallines Si, amorphes Si'.H, usw.) Group 4a (crystalline Si, amorphous Si'.H, etc.)

3a-5a (III-V) (GaAs, GaP, InP, usw.) 3a-5a (III-V) (GaAs, GaP, InP, etc.)

2b-6a (II-VI) (CdS, CdTe, HgCdTe, usw.) 2b-6a (II-VI) (CdS, CdTe, HgCdTe, etc.)

Chalkogenide (As2Se3) Chalcogenides (As2Se3)

lb-3a-6a (CuInSe2) lb-3a-6a (CuInSe2)

Die Alkalipolyphosphide (MPX, M=Li, Na, K, Rb, Cs; mit x = 15 und x sehr viel grösser als 15) zeichnen sich durch einen besonders hohen Phosphorgehalt aus. Substanzen mit The alkali polyphosphides (MPX, M = Li, Na, K, Rb, Cs; with x = 15 and x much larger than 15) are characterized by a particularly high phosphorus content. Substances with

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besonders grossen Werten für x sind nahezu reiner Phosphor. Nichtsdestoweniger sind auch diese Substanzen aufgrund ihrer Kristallstruktur (zueinander parallele pentagonale Säulen oder rohrförmige Säulen) und ihrer Eigenschaften (chemische und physikalische Stabilität, Bandabstand, spezifische elektrische Leitfähigkeit, Photoleitfahigkeit) deutlich von allen bekannten Phosphormodifikationen (schwarz, weiss/gelb, rot und violett/Hittorf) unterschieden. Die strukturellen Zusammenhänge unter diesen verschiedenen Modifikationen sind nachstehend im einzelnen erörtert. especially large values for x are almost pure phosphorus. Nevertheless, due to their crystal structure (parallel pentagonal columns or tubular columns) and their properties (chemical and physical stability, band gap, specific electrical conductivity, photoconductivity), these substances are also clearly of all known phosphor modifications (black, white / yellow, red and violet / Hittorf) distinguished. The structural relationships among these various modifications are discussed in detail below.

Die vielen allotropen Formen des elementaren Phosphors sind Beweis für die Verschiedenheit und Komplexität der Bindungsverhältnisse und Strukturen, die Phosphor annehmen kann bzw. die mit Phosphor zugänglich sind. Über die genaue Wirkungsweise des Alkalimetalls bei der Entwicklung der einzelnen Phosphorstrukturen ist derzeit noch nichts bekannt, jedoch lassen die bis jetzt vorliegenden Daten erkennen, dass das Alkalimetall den Phosphor in der Weise stabilisiert, dass jeweils eine einzige bestimmte Struktur aus der Vielfalt der potentiell möglichen und verfügbaren Strukturen eingestellt und stabilisiert wird. The many allotropic forms of elementary phosphorus are evidence of the diversity and complexity of the bonding relationships and structures that phosphorus can assume or that are accessible with phosphorus. Nothing is currently known about the exact mode of action of the alkali metal in the development of the individual phosphor structures, but the data available to date indicate that the alkali metal stabilizes the phosphorus in such a way that a single specific structure from the variety of potentially possible and available structures are set and stabilized.

Ohne die Gegenwart von zumindest etwas Alkalimetall werden die folgenden unerwünschten Erscheinungen beobachtet: Without the presence of at least some alkali metal, the following undesirable phenomena are observed:

A) Der Phosphor ist instabil (beispielsweise weisser Phosphor). A) The phosphor is unstable (e.g. white phosphor).

B) In dem Ausmass, in dem Phosphor überhaupt als einzelne Faser vorliegen kann, kann er dies nur bei hohen Temperaturen und mit einer aus dem Bereich der Mikrokristalle begrenzten Korngrösse (beispielsweise violetter Phosphor), oder B) To the extent that phosphorus can be present as a single fiber at all, it can only do so at high temperatures and with a grain size (for example violet phosphorus) limited from the range of the microcrystals, or

C) bei hohem Druck (beispielsweise schwarzer Phosphor). C) at high pressure (e.g. black phosphorus).

D) Ohne die Gegenwart von Alkalimetall in einem bestimmten Ansatz wird die MPx-Struktur nicht durch Dampf-phasentransportreaktion gebildet. Stattdessen wird der Phosphor in Form der verdrillten Faser erhalten, die im Rahmen der Arbeiten zur vorliegenden Anmeldung gefunden wurde. Diese kristalline Phase ist jedoch metastabil und die Struktur ist nicht besonders gut ausgebildet, wie dies die Röntgenbeu-gungsspektren, das Ramanspektrum und die Photolumineszenzdaten zeigen. D) Without the presence of alkali metal in a particular batch, the MPx structure is not formed by the vapor phase transport reaction. Instead, the phosphorus is obtained in the form of the twisted fiber that was found in the course of the work on the present application. However, this crystalline phase is metastable and the structure is not particularly well developed, as shown by the X-ray diffraction spectra, the Raman spectrum and the photoluminescence data.

Durch die Gegenwart von Alkalimetall während der Dampfphasentransportreaktion wird die Bildung streng paralleler unverdrehter Phasen gefördert. Unter diesen Bedingungen wird auch die Bildung grosser monokliner Phosphorkristalle bei unterschiedlichen Temperaturen begünstigt. The presence of alkali metal during the vapor phase transport reaction promotes the formation of strictly parallel undistorted phases. Under these conditions, the formation of large monoclinic phosphor crystals at different temperatures is also favored.

Die vorherrschende Rolle der Struktur und nicht der Zusammensetzung als die entscheidende Bestimmungsgrösse für die Eigenschaften der Substanz lässt sich daraus ablesen, dass KPx(6x sehr viel grösser als 15) Eigenschaften besitzt (Bandabstand, Photolumineszenz, Ramanspektren), die im wesentlichen den Daten von KP15 entsprechen, jedoch Unterschiede zu den entsprechenden Daten des monoklinen Phosphors aufweisen. The predominant role of the structure and not the composition as the decisive determinant for the properties of the substance can be seen from the fact that KPx (6x much larger than 15) has properties (band gap, photoluminescence, Raman spectra), which are essentially the data from KP15 correspond, but differ from the corresponding data of monoclinic phosphorus.

Betont sei, dass selbst kleinste Mengen Alkalimetall der Auswahl der Bildung stabiler Phosphorphasen dienen können. Offen bleibt jedoch die Frage, ob dies auch andere Elemente vermögen, die keine Alkalimetalle sind. Krebs berichtet über alkalimetallfreie Polyphosphide mit Hohlsäulen-strukturen der Formel 2b-4a-P14 (2b=Zn, Cd, Hg und 4a = Sn, Pb). Wie kommt es zur Bildung dieser Strukturen? It should be emphasized that even the smallest amounts of alkali metal can be used to select the formation of stable phosphor phases. However, the question remains whether other elements that are not alkali metals can do this. Krebs reports on alkali metal-free polyphosphides with hollow column structures of the formula 2b-4a-P14 (2b = Zn, Cd, Hg and 4a = Sn, Pb). How do these structures come about?

Es wäre denkbar, dass mit diesen Substanzen die Hohl-säulenstruktur deshalb gebildet wird, weil das Element der vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente am-photer ist und Phosphoratome auf Phosphorplätzen ersetzen kann. It would be conceivable that the hollow column structure is formed with these substances because the element of the fourth main group of the periodic table of the elements is am-photer and can replace phosphorus atoms on phosphorus sites.

Auf der Grundlage der Ionisationsenergien der Alkalimetalle, die alle gleich oder kleiner als 5,1 eV sind, lässt sich die scheinbare Elektronenaffinität im P15-Gitter, besser P15-Teil-gitter, berechnen. Mit diesen Ergebnissen lassen sich dann auch die scheinbaren Ionisationspotentiale für die anderen möglichen Zusammensetzungen berechnen, beispielsweise also auch für die 2b-4a-P14-Substanzen. Alle Substanzen dieser Gruppe der von Krebs untersuchten Werkstoffe weisen scheinbare Ionisationspotentiale von kleiner als oder höchstens gleich 4,8 eV auf. On the basis of the ionization energies of the alkali metals, which are all equal to or less than 5.1 eV, the apparent electron affinity in the P15 lattice, better P15 partial lattice, can be calculated. These results can then also be used to calculate the apparent ionization potentials for the other possible compositions, for example also for the 2b-4a-P14 substances. All substances in this group of materials investigated by Krebs have apparent ionization potentials of less than or at most equal to 4.8 eV.

Die vorliegende Entwicklung beruht auf der anfänglichen Erkenntnis, dass KP13-Whiskereinkristalle stabile Halbleiter sind mit einem im roten Bereich liegenden Bandabstand von 1,8 eV und sowohl eine Photoleitfähigkeit als auch eine Photolumineszenz mit ausreichendem Wirkungsgrad aufweist. Diese Daten sind kennzeichnend für Halbleiter, die sich potentiell für einen praktischen Einsatz im Bereich der Elektronik und der Optik eignen. Auch die Whisker der anderen Alkalimetall enthaltenden MP15-Substanzen weisen diese Kenndaten auf (M = Li, Na, Rb, Cs). The present development is based on the initial finding that KP13 whisker single crystals are stable semiconductors with a band gap of 1.8 eV in the red range and have both photoconductivity and photoluminescence with sufficient efficiency. This data is characteristic of semiconductors that are potentially suitable for practical use in the field of electronics and optics. The whiskers of the other MP15 substances containing alkali metal also have these characteristics (M = Li, Na, Rb, Cs).

Im folgenden sind spezielle Verfahren zur Herstellung der Polyphosphide mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und morphologischen Kenndaten beschrieben. In the following, special processes for the production of the polyphosphides with different compositions and morphological characteristics are described.

A. Synthese in kondensierter Phase (CP) A. Condensed Phase (CP) Synthesis

Hiermit ist ein Verfahren gemeint, bei dem eine Ausgangsbeschickung zunächst isotherm aufgeheizt, dann bei konstanter Temperatur getempert und anschliessend wieder abgekühlt wird, wobei diese Wärmebehandlung in einem Behälter mit kleinstmöglichem Volumen durchgeführt wird. Unter diesen Bedingungen findet praktisch kein Transport über die Dampfphase statt. Nach diesem Verfahren («CP») wird kristallines und polykristallines MP15 in Substanz hergestellt. This means a process in which an initial charge is first heated isothermally, then annealed at a constant temperature and then cooled again, this heat treatment being carried out in a container with the smallest possible volume. Under these conditions there is practically no vapor phase transport. This process (“CP”) is used to manufacture crystalline and polycrystalline MP15 in bulk.

B. Synthese durch Transport über die Dampfphase unter Verwendung einer einzelnen Quelle ( 1S-VT) B. Synthesis by vapor phase transport using a single source (1S-VT)

Das Ausgangsreaktionsgemisch ist in einer Zone eines evakuierten Rohres angeordnet, die auf eine Temperatur Tc erwärmt wird, die grösser als eine Temperatur Td ist, wobei Td die Temperatur oder Temperaturen einer oder mehrerer anderer Zonen des evakuierten Rohres ist, wo sich das Zielprodukt aus der Dampfphase niederschlägt. Nach diesem Verfahren lassen sich herstellen: Kristallines MP]5; kristallines, polykristallines (in Substanz und in Form dünner Schichten) und in Substanz amorphes MPX mit grossen Werten für x; monokliner Phosphor; sternförmiges Fasermaterial; und verdrillte Phosphorfasern. The starting reaction mixture is located in a zone of an evacuated tube that is heated to a temperature Tc that is greater than a temperature Td, where Td is the temperature or temperatures of one or more other zones of the evacuated tube where the target product is from the vapor phase precipitates. This process can be used to produce: Crystalline MP] 5; crystalline, polycrystalline (in substance and in the form of thin layers) and in substance amorphous MPX with large values for x; monoclinic phosphor; star-shaped fiber material; and twisted phosphor fibers.

C. Synthese durch Transport über die Dampfphase unter Verwendung von zwei verschiedenen Quellen (2S-VTJ C. Synthesis by vapor phase transport using two different sources (2S-VTJ

Die Ausgangssubstanzen, mit denen eine evakuierte Reaktionskammer beschickt wird, sind physikalisch voneinander getrennt, wobei die Niederschlagszone für das Produkt zwischen den beiden Quellzonen angeordnet ist. Die beiden Quellen werden auf Temperaturen erwärmt, die grösser als die Temperaturen der Niederschlagszone sind, um zumindest amorphes Material zu erhalten; (vgl. unten). Dabei braucht die Niederschlagszone nicht die kälteste Zone im System zu sein, jedoch sollte die kälteste Zone im Reaktor lediglich eine einzige Komponente der Dampfphase kondensieren können. 2S-VT war das erste Verfahren, das zur Herstellung dünner amorpher Schichten von KP15 diente. Polykristalline und amorphe dünne Schichten von MP]5 und dünne polykristalline Schichten und amorphe Substanz von MPX mit hohen x-Werten können auf diese Weise hergestellt werden. The starting substances with which an evacuated reaction chamber is charged are physically separated from one another, the precipitation zone for the product being arranged between the two source zones. The two sources are heated to temperatures which are higher than the temperatures of the precipitation zone in order to obtain at least amorphous material; (see below). The precipitation zone need not be the coldest zone in the system, but the coldest zone in the reactor should only be able to condense a single component of the vapor phase. 2S-VT was the first process to produce thin amorphous layers of KP15. Polycrystalline and amorphous thin layers of MP] 5 and thin polycrystalline layers and amorphous substance of MPX with high x values can be produced in this way.

D. Abschrecken aus der Schmelze D. Quenching from the melt

Eine Ausgangsbeschickung wird in einem verschlossenen An exit feed is sealed in a

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und evakuierten Rohr erwärmt (möglichst isotherm), und zwar auf eine Temperatur, die grösser ist als der endotherm durch die Differentialthermoanalyse bestimmte Schmelzpunkt. Die Beschickung wird einige Zeit auf dieser Temperatur gehalten. Anschliessend wird das Rohr aus dem Ofen genommen und rasch abgekühlt. Auf diese Weise ist ein CsP7-Glas hergestellt worden. and the evacuated tube is heated (if possible isothermally) to a temperature which is greater than the melting point determined by the differential thermal analysis. The feed is kept at this temperature for some time. The tube is then removed from the oven and quickly cooled. In this way, a CsP7 glass was made.

E. Schnellverdampfung E. Rapid evaporation

Das pulvrige Beschickungsmaterial wird unter langsam strömendem Argon in ein Aufnahmegefäss gegeben, das mit Hochfrequenz im Bereich der Radiofrequenzen beheizt wird. Die Temperatur des Auffanggefässes wird auf Temperaturen grösser als ungefähr 800 °C gehalten. Innerhalb des Gefässes wird das aufgegebene Material durch ein Labyrinth geführt, in dem es zumindest theoretisch mit den heissen Oberflächen in Berührung gelangt. Dabei soll die Beschickung rasch und vollständig in der Weise verdampft werden, dass der entstehende Dampfstrom die gleiche Zusammensetzung wie das aufgegebene Pulver hat. Der Dampfstrom wird dann in eine evakuierte Kammer geleitet, in der es auf kältere Oberflächen trifft, an denen sich das Produkt kondensiert. Auf diese Weise sind amorphe Schichten erhältlich. The powdery feed material is placed under slowly flowing argon in a receptacle that is heated at high frequency in the range of the radio frequencies. The temperature of the collecting vessel is kept at temperatures higher than approximately 800 ° C. Inside the vessel, the material is passed through a labyrinth in which it at least theoretically comes into contact with the hot surfaces. The feed should be evaporated quickly and completely in such a way that the resulting steam flow has the same composition as the powder applied. The vapor stream is then directed into an evacuated chamber where it encounters colder surfaces where the product condenses. In this way, amorphous layers can be obtained.

F. Chemische Niederschlagsreaktion aus der Dampfphase (CVD) F. Chemical vapor phase precipitation reaction (CVD)

Diese Bezeichnung wird allgemein für ein Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen verwendet, bei dem mindestens zwei Ausgangskomponenten im dampfförmigen Zustand, in dem sie chemisch miteinander zu den Zielprodukten reagieren sollen, vermischt werden. So haben die Anmelder K und P4 unabhängig voneinander und dosiert in Öfen gegeben, wo sie rasch verdampften und von einem Argonstrom in kühlere Zonen des Reaktors mitgenommen wurden. Dort schlug sich die Substanz der miteinander vermischten Dampfströme als chemisches Reaktionsprodukt und Zielprodukt in kondensierter Phase nieder. This term is generally used for a process for the production of materials, in which at least two starting components are mixed in the vaporous state in which they are to react chemically with one another to form the target products. For example, Applicants K and P4 independently and dosed into furnaces where they evaporated rapidly and were carried away to cooler zones of the reactor by a stream of argon. There the substance of the intermixed steam flows was reflected as a chemical reaction product and target product in the condensed phase.

Die Bedeutung des Niederschlagens aus der Dampfphase nach chemischer Reaktion in der Dampfphase (CVD) liegt darin, dass sich dieses Verfahren bestens für den technischen Massstab und für eine Dotierung in situ eignet, also für eine Dotierung des Zielprodukts gleichzeitig mit dessen Herstellung. Nach diesem Verfahren wurden im Rahmen der vorliegend ausgeführten Versuche dünne KP15-Schichten hergestellt. The importance of deposition from the vapor phase after chemical reaction in the vapor phase (CVD) is that this method is ideally suited for the technical scale and for doping in situ, i.e. for doping the target product simultaneously with its manufacture. This process was used to produce thin KP15 layers in the course of the tests carried out here.

G. Niederschlagen aus einem Molekülstrom ( M FD) G. Precipitation from a Molecular Stream (M FD)

Dieses Dampfphasen-Transportverfahren ist ein Verfahren, bei dem die Ausgangssubstanz aus mehreren Quellen verdampft wird und das im wesentlichen einer Kombination des Verfahrenstyps 2S-VT und einem epitaktischen Aufwachsen aus einem Molekülstrahl («MBE») entspricht. Unabhängig erhitzte Verdampfungsquellen werden zur Verdampfung der Ausgangssubstanz eingesetzt, wobei der Strom der verdampften molekularen Teilchen oder Bruchstücke mit einer im Verfahren vom Typ 2S-VT nicht erreichbaren Weise so gesteuert wird, dass der molekulare Strom das ebenfalls unabhängig geheizte Substrat in exakt vorbestimmten Raten erreicht. Das Niederschlagen erfolgt in einer evakuierten Kammer, wobei das Fortschreiten der aktuellen Kondensation aus der Dampfphase in einer im Verfahren vom Typ 2S-VT ebenfalls nicht erreichten Weise überwacht wird. Die Reaktionskammer kann dabei entweder hermetisch verschlossen oder zur Überwachung des Dampfdruckes kontinuierlich evakuiert sein. This vapor phase transport process is a process in which the starting substance is evaporated from several sources and essentially corresponds to a combination of the 2S-VT process type and epitaxial growth from a molecular beam («MBE»). Independently heated evaporation sources are used to evaporate the starting substance, the flow of the evaporated molecular particles or fragments being controlled in a manner not achievable in the 2S-VT method in such a way that the molecular flow reaches the likewise independently heated substrate at exactly predetermined rates. The precipitation takes place in an evacuated chamber, the progress of the current condensation from the vapor phase being monitored in a manner which is also not achieved in the 2S-VT method. The reaction chamber can either be hermetically sealed or continuously evacuated to monitor the vapor pressure.

Eine grosse Vielfalt von Polyphosphiden unterschiedlichster physikalischer Formen und chemischer Zusammensetzungen wurden zu Beginn der Untersuchungen der Anmelderin hergestellt. A large variety of polyphosphides of various physical forms and chemical compositions were produced at the beginning of the applicant's investigations.

Im Verlaufe der Arbeiten hat sich das Interesse aus Gründen der praktischen Anwendung von der Einkristall-5 Züchtung auf die Herstellung amorpher Werkstoffe sowohl in Substanz als auch in Form grossflächiger dünner Schichten verlegt. In the course of the work, interest shifted from single crystal growth to the production of amorphous materials, both in substance and in the form of large thin layers, for reasons of practical application.

Unter allen MP]5-Werkstoffen ist KP15 ein kristalliner Werkstoff mit hohem Phosphorgehalt, der im K-P-System 10 der MPx-Systeme mit x-Werten von gleich oder grösser als 7 durch seine Kenndaten als ungewöhnlich auffällt. (Im Gegensatz dazu bilden die anderen Alkalimetalle mit Phosphor lediglich Substanzen, in denen x den Wert 7 oder 11 hat, beispielsweise CsP7, NaP7, RbPn, u.a.). KP,, und KP7 sind als 15 Substanzen festester Chiometrie nicht isolierbar. Aus diesem Grund kann das K-P-System einfacher überwacht und gesteuert werden als andere Alkalimetall-Phosphor-Systeme, in denen sich mehrere verschiedene, stychometrisch zusammengesetzte Substanzen bilden können. Among all MP] 5 materials, KP15 is a crystalline material with a high phosphorus content, which in the K-P system 10 of the MPx systems with x values equal to or greater than 7 is unusual due to its characteristics. (In contrast, the other alkali metals with phosphorus only form substances in which x has the value 7 or 11, for example CsP7, NaP7, RbPn, etc.). KP ,, and KP7 cannot be isolated as 15 substances of solid chiometry. For this reason, the K-P system can be monitored and controlled more easily than other alkali metal-phosphorus systems, in which several different, stychometrically composed substances can form.

20 Darüberhinaus zeigen die experimentellen Arbeiten der Anmelderin, dass in allen Fällen, in denen Kalium und Phosphor verdampft werden, und zwar unabhängig davon, mit welchen Mitteln oder nach welchen Verfahren diese Verdampfung vorgenommen wird, und in einem entsprechenden 25 atomaren Verdampfungsverhältnis ([P]/[K] gleich oder grösser als 15) in eine Zone transportiert werden, deren Temperatur im richtigen und nutzbaren Temperaturfenster liegt, amorphes KP15 gebildet wird. Dabei ist das «Temperaturfenster» eine Temperatur, die niedrig genug ist, um eine Kristalle lisation von KP15 zu verhindern und gleichzeitig gross genug ist, um ein Niederschlagen von KPX mit x sehr viel grösser als 15 auszuschliessen. 20 Furthermore, the experimental work of the applicant shows that in all cases in which potassium and phosphorus are evaporated, regardless of the means or method by which this evaporation is carried out, and in a corresponding 25 atomic evaporation ratio ([P] / [K] equal to or greater than 15) are transported into a zone whose temperature is in the correct and usable temperature window, amorphous KP15 is formed. The “temperature window” is a temperature that is low enough to prevent crystallization of KP15 and at the same time large enough to prevent KPX from precipitating with x much larger than 15.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen und dieser Lehre zeigt sich, dass alle unterschiedlichen Syntheseverfahren im 35 Fall der Herstellung von KP]5 nach dem gleichen Grundprinzip betrieben werden können. Jedes einzelne dieser Verfahren benutzt dabei lediglich unterschiedliche Mittel zur Regelung und Steuerung der Verdampfungsquelle und der Regelung bzw. Steuerung des Niederschlagens des Zielpro-40 dukts. Die Verdampfungsverfahren, die mit zwei Quellen arbeiten (2S-VT, CVD und MFD) sind dabei besonders günstig einzusetzen, da die entscheidenden Verfahrensparameter unabhängig voneinander gesteuert und geregelt werden kön-nen. Based on these findings and this teaching, it can be seen that all different synthetic processes in the case of the production of KP] 5 can be operated according to the same basic principle. Each of these methods uses only different means for regulating and controlling the evaporation source and regulating or controlling the precipitation of the target product. The evaporation processes, which work with two sources (2S-VT, CVD and MFD) are particularly economical to use, since the decisive process parameters can be controlled and regulated independently of one another.

45 Aufgrund der vorstehend wiedergegebenen Überlegungen ist amorphes KP15 in Form dünner Schichten für die Entwicklung neuer nutzbarer Halbleiterwerkstoffe im Bereich der Polyphosphide von der Anmelderin als Modellsubstanz ausgewählt worden. 45 On the basis of the considerations given above, amorphous KP15 in the form of thin layers has been selected by the applicant as a model substance for the development of new usable semiconductor materials in the field of polyphosphides.

50 Nach dem Verfahren der Verdampfung unter Verwendung einer einzigen Verdampfungsquelle wurden zur näheren Erforschung der Eigenschaften der Polyphosphide Kali-umpolyphosphidwhisker mit einer Länge von ungefähr 1 cm hergestellt. Durch Röntgenbeugungsuntersuchungen wird si-55 chergestellt, dass die erhaltenen und vermessenen Einkristalle tatsächlich KP15-Kristalle sind. Auch wird das halbleitende Verhalten dieser Whisker geprüft. Wenn die so hergestellten Whisker bei 4 K mit einem Argonlaser belichtet werden, tritt eine Photolumineszenz auf, die beim Vermessen einer 60 emittierten Energie von 1,8 eV entspricht. Dieser Wert deutet daraufhin, dass für den untersuchten Werkstoff ein Bandabstand in eben diesem Energiebereich zu erwarten ist. 50 Potassium polyphosphide whiskers approximately 1 cm in length were made by evaporation using a single evaporation source to further investigate the properties of the polyphosphides. X-ray diffraction studies ensure that the single crystals obtained and measured are actually KP15 crystals. The semiconducting behavior of these whiskers is also checked. When the whiskers thus produced are exposed to an argon laser at 4 K, a photoluminescence occurs which corresponds to a energy emitted of 1.8 eV when measured. This value indicates that a band gap in the same energy range can be expected for the investigated material.

Zur Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit dieser Whisker werden elektrische Anschlussdrähte mit Sil-65 ber-Kontaktpasten befestigt. Die sichere Kontaktgabe von den Zuleitungen über die Silberpaste zum Kristall wird während der Leitfähigkeitsmessung mikroskopisch überwacht. Dabei zeigt sich in überraschender Weise, dass beim Ver- To measure the specific electrical conductivity of these whiskers, electrical connection wires are attached with Sil-65 ber contact pastes. The safe contact from the supply lines via the silver paste to the crystal is monitored microscopically during the conductivity measurement. It is surprisingly shown that

7 7

672 778 672 778

schieben der überwachten Kristalle im Mikroskop und damit bei einer Veränderung der Belichtung der Kristalle unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten gemessen werden. Genaue Messungen haben ein Photoleitfähigkeitsverhältnis von 100 ergeben, während die spezifische elektrische Leitfähigkeit der unbeleuchteten Whisker ungefähr 10~8 (Ohm-cm)"' beträgt. Zur Bestimmung des Bandabstandes des Whiskermaterials wurden dann die spezifische elektrische Photoleitfähigkeit als Funktion der Wellenlänge, die optische Absorption als Funktion der Wellenlänge und die Temperaturabhängigkeit der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der Whisker gemessen. All diese Messungen bestätigten die Photolumineszenzmessungen bei 4 K dahingehend, dass das Whiskermaterial einen Bandabstand von ungefähr 1,8 eV besitzt. Auf diese Weise konnte gesichert werden, dass die KPl5-Whiskerkristalle in den Kreis der potentiell nutzbaren Halbleiterwerkstoffe einzuordnen waren. Auf der Innenwand eines Quarzrohrs wird während der Herstellung der KP15-Whisker durch Dampfphasentransport eine amorphe Beschichtung gebildet. Auch für diese amorphe Schicht werden ein Bandabstand in der Grössenordnung von 1,8 eV und ein Photoleitfähigkeitsverhältnis in der Grössenordnung von ungefähr 100 gemessen. Ebenso wie die kristallinen Whisker weist die amorphe Schicht eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 10-8 (Ohm-cm)-1 auf. Auf diese Weise konnte experimentell gesichert werden, dass auch das amorphe Material ein zumindest potentiell ausnutzbares Halbleitermaterial ist. slide the monitored crystals in the microscope and thus different electrical conductivities are measured when the exposure of the crystals changes. Accurate measurements have shown a photoconductivity ratio of 100, while the specific electrical conductivity of the unlit whiskers is approximately 10 ~ 8 (ohm-cm) "'. The specific electrical photoconductivity as a function of the wavelength, the optical absorption, was then used to determine the bandgap of the whisker material measured as a function of the wavelength and the temperature dependence of the specific electrical conductivity of the whiskers. All these measurements confirmed the photoluminescence measurements at 4 K in that the whisker material has a bandgap of approximately 1.8 eV. In this way it could be ensured that the KPl5- Whisker crystals were to be classified in the circle of potentially usable semiconductor materials. An amorphous coating is formed on the inner wall of a quartz tube during the production of the KP15 whiskers by vapor phase transport. A band gap of the order of magnitude is also formed for this amorphous layer ng of 1.8 eV and a photoconductivity ratio of the order of magnitude of approximately 100 was measured. Like the crystalline whiskers, the amorphous layer has a specific electrical conductivity of approximately 10-8 (ohm-cm) -1. In this way, it was experimentally ensured that the amorphous material is at least a potentially exploitable semiconductor material.

Der Anmelderin stellte sich sodann die Frage, ob KP]5 auch in Form grösserer Einkristalle wie beispielsweise Silicium gezüchtet werden konnte und in dieser Form der Herstellung von Halbleitermaterial zugänglich wäre. Untersucht wurde weiterhin, ob polykristalline oder amorphe Schichten von KPI5 reproduzierbar herstellbar und zur Produktion von Halbleitern geeignet und nutzbar wären. Sodann musste das während der Dampfphasentransportversuche hergestellte Material exakt analysiert und identifiziert werden und musste die Frage geklärt werden, ob auch analoge Werkstoffe die gleichen praktisch nutzbaren Kenndaten aufweisen würden. The applicant then faced the question of whether KP] 5 could also be grown in the form of larger single crystals, such as silicon, and would be accessible in this form for the production of semiconductor material. It was also examined whether polycrystalline or amorphous layers of KPI5 could be produced reproducibly and were suitable and usable for the production of semiconductors. Then the material produced during the vapor phase transport tests had to be precisely analyzed and identified and the question had to be clarified whether analog materials would also have the same practically usable characteristics.

Nach zahlreichen Dampfphasen-Transportversuchen musste die Anmelderin dann mit Erstaunen feststellen, dass die bei Verwendung nur einer einzigen, Kalium und Phosphor im Gemisch miteinander enthaltenden Verdampfungsquelle erhaltenen Substanzen, die durch Erhitzen der Quelle und Kondensieren des Reaktionsproduktes aus der Dampfphase am anderen Ende eines geschlossenen Reaktionsrohres erhalten wurden nicht der Zusammensetzung KP15 entsprachen, sondern aufgrund der durchgeführten chemischen Nassanalyse der Zusammensetzung KPX entsprachen, wobei x nach den nassanalytischen Ergebnissen im Bereich von ungefähr 200 bis zu ungefähr 10 000 lag. After numerous vapor phase transport experiments, the applicant was then astonished to find that the substances obtained using only one single vapor and potassium mixture containing phosphorus mixed with one another resulted from heating the source and condensing the vapor phase reaction product at the other end of a closed reaction tube were obtained did not correspond to the composition KP15, but corresponded to the composition KPX on the basis of the chemical wet analysis carried out, where x was in the range from approximately 200 to approximately 10,000 according to the wet analytical results.

Die daran anschliessenden intensiven systematischen Untersuchungen der Anmelderin haben zu dem überraschenden Ergebnis geführt, dass die Affinität des Phosphors zum Kalium oder einem beliebigen anderen Alkalimetall bei Dampf-phasentransportreaktionen unter Verwendung einer einzigen Verdampfungsquelle zum anfänglichen Niederschlagen von MP1S als dem stabilsten Polyphosphid führt. In Gegenwart von überschüssigem Phosphor jedoch bildet sich dann als Kondensat eine neue Form des Phosphors, die der chemischen Zusammensetzung MPX mit x-Werten von sehr viel grösser als 15 entsprechen. Diese neuen Formen des Phosphors weisen überraschenderweise die gleichen elektronischen Kenndaten und Qualitäten wie KP]5 auf und sind insgesamt als wertvolle Halbleiterstoffe einzuordnen. The subsequent intensive systematic investigations by the applicant have led to the surprising result that the affinity of the phosphorus for potassium or any other alkali metal in vapor phase transport reactions using a single evaporation source leads to the initial deposition of MP1S as the most stable polyphosphide. In the presence of excess phosphorus, however, a new form of phosphorus then forms as condensate, which corresponds to the chemical composition MPX with x values of much greater than 15. These new forms of phosphor surprisingly have the same electronic characteristics and qualities as KP] 5 and can be classified as valuable semiconductor materials.

Die intensiv durchgeführten Versuche zur Herstellung dünner Schichten von polykristallinem und amorphem KP]5 und der analogen Substanzen mit anderen Alkalimetallen haben ergeben, dass sich solche Schichten nicht herstellen Hessen, wenn die Ausgangssubstanzen im Gemisch miteinander für die Durchführung der Dampfphasentransportreak-tion aus einer einzigen Verdampfungsquelle verdampft wurden. Aus diesem Grunde hat die Anmelderin ein Verfahren zur Synthese der Substanzen durch Dampfphasentransport-reaktion entwickelt, bei der die Ausgangssubstanzen aus zwei voneinander getrennten Verdampfungsquellen verdampft werden. Nach diesen Verfahren werden also das Alkalimetall und der Phosphor getrennt voneinander und unabhängig voneinander erwärmt und aus unabhängig voneinander angeordneten Quellen verdampft. Bei gleichzeitiger Steuerung und Regelung der Temperatur einer thermisch getrennten dazwischenliegenden Niederschlagszone können dünne MP15-Schichten in polykristalliner und amorpher Form erhalten werden, wobei in der vorstehenden Formel M ein beliebiges Alkalimetall sein kann. Mit diesem Zweiquellenverfahren konnten auch dünne Schichten von polykristallinem und dicke Schichten von amorphem Phosphorwerkstoff der neuen Form hergestellt werden sowie andere offensichtlich polymere Werkstoffe der Formel MPX, in der M ein Alkalimetall ist und x einen Wert hat, der sehr viel grösser als 15 ist. The intensive tests carried out for the production of thin layers of polycrystalline and amorphous KP] 5 and the analogous substances with other alkali metals have shown that such layers do not form if the starting substances are mixed with one another for carrying out the vapor phase transport reaction from a single evaporation source were evaporated. For this reason, the applicant has developed a process for the synthesis of the substances by vapor phase transport reaction, in which the starting substances are evaporated from two separate evaporation sources. According to these processes, the alkali metal and the phosphorus are thus heated separately and independently of one another and evaporated from sources arranged independently of one another. With simultaneous control and regulation of the temperature of a thermally separated intermediate precipitation zone, thin MP15 layers can be obtained in polycrystalline and amorphous form, wherein in the above formula M can be any alkali metal. This two-source process also made it possible to produce thin layers of polycrystalline and thick layers of amorphous phosphor material of the new form, as well as other obviously polymeric materials of the formula MPX, in which M is an alkali metal and x has a value that is much larger than 15.

Auch wurden die Verfahren der extrem raschen Verdampfung, des Niederschlagens nach chemischer Reaktion aus der Dampfphase und des Niederschlagens unter Verwendung eines Molekülstroms zur Herstellung der Werkstoffe eingesetzt. The processes of extremely rapid evaporation, precipitation after chemical reaction from the vapor phase and precipitation using a molecular stream were also used to produce the materials.

Zur Kennzeichnung aller Polyphosphide hergestellt nach dem Verfahren gemäss der Erfindung wird die einheitliche allgemeine chemische Formel MPX verwendet. Praktisch verwertbare Halbleiter werden für Werte des Parameters x im Bereich von 7 bis unendlich erhalten. Bekannt sind dabei diejenigen Alkalimetallpolyphosphide, denen die chemischen Formeln MP7, MPn und MP15 entsprechen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erstmals beschrieben und neu sind Substanzen der allgemeinen chemischen Formel MPX, in denen der Parameter x Werte von sehr viel grösser als 15 aufweist. The uniform general chemical formula MPX is used to label all polyphosphides produced by the process according to the invention. Practically usable semiconductors are obtained for values of the parameter x in the range from 7 to infinity. The alkali metal polyphosphides to which the chemical formulas MP7, MPn and MP15 correspond are known. Substances of the general chemical formula MPX in which the parameter x has values of much greater than 15 are described and new for the first time in the context of the present invention.

Auch zur Herstellung dieser Substanzen werden Dampf-phasentransportreaktionen eingesetzt, bei denen eine einzige Verdampfungsquelle zur Verdampfung der Ausgangssubstanzen dient. Durch Regeln der Niederschlagstemperatur und insbesondere durch Konstanthalten der Niederschlagstemperatur über grössere Niederschlagsflächen werden diese prinzipiell bekannten Verfahren jedoch entscheidend verbessert. Dadurch können auch grossflächige dicke Schichten und kugelförmige Substanzen in polykristalliner und amorpher Form mit der chemischen Zusammensetzung MPX erhalten werden, in denen x Werte von sehr viel grösser als 15 hat. Vapor phase transport reactions are also used to produce these substances, in which a single evaporation source is used to evaporate the starting substances. By regulating the precipitation temperature and in particular by keeping the precipitation temperature constant over larger precipitation areas, these processes, which are known in principle, are decisively improved. This also enables large-area thick layers and spherical substances in polycrystalline and amorphous form with the chemical composition MPX to be obtained, in which x has values of much greater than 15.

Grosse Mengen von kristallinem und polykristallinem Material der chemischen Zusammensetzung MP]5, wobei M ein Alkalimetall ist, sind in der Weise hergestellt worden, Large quantities of crystalline and polycrystalline material with the chemical composition MP] 5, where M is an alkali metal, have been prepared in such a way

dass stöchiometrische Anteile an Alkalimetall und Phosphor miteinander vermischt und isotherm erhitzt wurden. Dieses Verfahren zur Herstellung von kondensierten Phasen führt zu hervorragendem Material der Zusammensetzung MPX mit Werten des Parameters x im Bereich von 7 bis 15. Dieses Verfahren lässt sich gut in Dampfphasentransportreaktoren mit einer Verdampfungsquelle durchführen. Dieses Verfahren kann dadurch wirksamer gestaltet werden, dass vor der Beschickung der Verdampfungsquelle das Alkalimetall und der Phosphor in einer Kugelmühle homogen miteinander vermischt und vermählen werden. Dabei wird die Kugelmühle zum Mischen vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich um 100 °C erwärmt. Dabei werden überraschenderweise relativ stabile Pulvergemische erhalten. that stoichiometric proportions of alkali metal and phosphorus were mixed together and heated isothermally. This process for producing condensed phases leads to excellent material of the composition MPX with values of the parameter x in the range from 7 to 15. This process can be carried out well in vapor phase transport reactors with an evaporation source. This process can be made more effective by homogeneously mixing and grinding the alkali metal and the phosphorus in a ball mill before charging the evaporation source. The ball mill is preferably heated to a temperature in the range around 100 ° C. for mixing. Surprisingly, relatively stable powder mixtures are obtained.

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10 10th

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20 20th

25 25th

30 30th

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8 8th

Die Produktuntersuchungen haben gezeigt, dass alle Polyphosphide mit Strukturen, die durch parallele Hohlsäulen gekennzeichnet sind, Bandabstände im Bereich von 1,8 eV, Photoleitfähigkeitsverhältnisse von sehr viel grösser als 5 mit gemessenen Verhältnissen im Bereich von 100 bis 10 000 und eine geringe Leitfähigkeit im Bereich von 10~8 bis 10-9 (Ohm-cm)-1 aufweisen. The product studies have shown that all polyphosphides with structures that are characterized by parallel hollow columns, bandgaps in the range of 1.8 eV, photoconductivity ratios of much larger than 5 with measured ratios in the range of 100 to 10,000 and a low conductivity in the range from 10 ~ 8 to 10-9 (ohm-cm) -1.

Dabei zeigt sich, dass die amorphen Formen all dieser Werkstoffe, d.h. der alkalimetallphosphide MPX mit x-Wer-ten von grösser als 6, die in Gegenwart eines Alkalimetalls gebildet werden, zumindest im wesentlichen gleiche Halbleitereigenschaften aufweisen, so dass der Schluss naheliegt, dass die Nahbereichsordnung der amorphen Werkstoffe der Nahbereichsordnung der kristallinen Werkstoffe ähnelt und durch insgesamt parallele pentagonale röhrenförmige Säulen über im wesentlichen den Gesamtbereich der amorphen Phase gekennzeichnet sind. This shows that the amorphous forms of all these materials, i.e. the alkali metal phosphide MPX with x values greater than 6, which are formed in the presence of an alkali metal, have at least essentially the same semiconductor properties, so that it is obvious that the short-range order of the amorphous materials is similar to the short-range order of the crystalline materials and overall parallel pentagonal tubular columns are marked over essentially the entire area of the amorphous phase.

In allen Polyphosphiden beherrschen und bestimmen die drei kovalenten homoatomaren Phosphor-Phosphor-Bindungen auf der überwiegenden Mehrzahl aller Phosphorplätze die elektrischen Leitungspfade durch die Struktur und sind wesentlich wichtiger als alle anderen Bindungen, wobei die Phosphor-Phosphor-Bindungen insgesamt Halbleitereigenschaften begründen. In all polyphosphides, the three covalent homoatomic phosphorus-phosphorus bonds dominate and determine the electrical conduction paths through the structure on the vast majority of all phosphorus sites and are much more important than all other bonds, with the phosphorus-phosphorus bonds overall establishing semiconductor properties.

Alle miteinander vernetzten und durch kovalente Bindungen miteinander verbundenen Phosphoratome des Werkstoffs bilden gemeinsam den vorherrschenden elektrischen Leitungspfad durch den Werkstoff, wobei die durch Parallelität der Ausrichtung gekennzeichneten kristallinen Nahord-nungsbereiche zu den guten Halbleitereigenschaften Anlass geben. Die Phosphoratome sind in diesen Strukturen dreiwertig, wobei die Verkettung der Atome zur Bildung von Spiralen oder Säulen mit einem innenliegenden Hohlkanal führt. Die Alkalimetallatome, wenn diese in der Struktur vorliegen, verbinden die einzelnen Kettenabschnitte der Struktur miteinander. Auch andere Atome als Phosphor, insbesondere wenn diese dreiwertig sind und zur Ausbildung von drei kovalenten homoatomaren Verbindungen in der Lage sind, sollten ebenfalls Halbleiter dieser Art bilden können. All of the material's phosphorus atoms, which are cross-linked and interconnected by covalent bonds, together form the predominant electrical conduction path through the material, whereby the crystalline short-range regions characterized by the parallelism of the alignment give rise to the good semiconductor properties. The phosphorus atoms are trivalent in these structures, the chaining of the atoms leading to the formation of spirals or columns with an internal hollow channel. The alkali metal atoms, if present in the structure, connect the individual chain sections of the structure to one another. Atoms other than phosphorus, especially if they are trivalent and are capable of forming three covalent homoatomic compounds, should also be able to form semiconductors of this type.

Beschrieben werden also neue Formen von Phosphor und Verfahren zu deren Herstellung, feste Schichten aus amorphem oder polykristallinem MPX und Verfahren sowie eine Vorrichtung zu deren Herstellung, Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metallphosphiden durch Dampfphasentransportverfahren mit mehreren geregelten Temperaturen bei Verwendung einer einzigen Verdampfungsquelle, Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Polyphosphiden mit hohem Phosphorgehalt durch Dampfphasentransportverfahren unter Verwendung mehrerer voneinander getrennter Verdampfungsquellen, Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von MP15 in polykristalliner Form durch Festkörperreaktionen, Halbleiterbauelemente, die Polyphosphidgruppen mit mindestens sieben kovalent untereinander verbundenen und in pentagonalen Hohlsäulen angeordneten Phosphoratomen enthalten und einen Bandabstand von grösser als 1 eV und ein Photoleitfähigkeitsverhältnis im Bereich von 100 bis 10 000 aufweisen, Halbleiterbauelemente, die eine Substanz der Zusammensetzung MPX enthalten, in der M ein Alkalimetall ist und x grösser als 6 ist, und Werkstoffe mit Bandabständen von grösser als 1 eV und Photoleitfähigkeitsverhältnissen von 100 bis 10 000, Halbleiterbauelemente, hergestellt aus einem Werkstoff, der sehr grosse Anteile eines kettig vernetzte kovalent gebundene dreiwertige Atome, vorzugsweise Phosphoratome enthaltenden Material besteht, bei dem die kettig verbundenen Atome durch mehrere kovalente Bindungen miteinander verknüpft sind und ehe Nahordnung aufweisen, die Schichten von verketteten Atomen enthält, die in jeder der Schichten parallel zueinander angeordnet sind und wobei die Schichten untereinander ebenfalls parallel zueinander angeordnet sind, und die Verkettungen vorzugsweise pentagonale Hohlsäulen bilden, Halbleiterbauelemente, die ein Alkalimetall und die vorstehend genannten verketteten Strukturen enthalten, bei denen die Zahl der aufeinanderfolgenden kovalenten verketteten Bindungen so ausreichend grösser als die Anzahl der nicht in der Kette liegenden Bindungen ist, dass das Material halbleitend ist, Halbleiterbauelemente, hergestellt aus Verbindungen, die zumindest zwei verkettete Baugruppen enthalten, von denen jede ein Gerüst aus zumindest 7 kovalent miteinander verketteten Atomen, vorzugsweise Phosphoratomen, und Alkalimetallatomen besteht, die elektrisch leitend das Gerüst einer Baueinheit mit dem Gerüst einer anderen Baueinheit verbindet, Sperrschichtbauelemente, Verfahren zur Herstellung solcher Halbleiterbauelemente, Verfahren zur Dotierung solcher Halbleiterbauelemente, Verfahren zur Leitung eines elektrischen Stroms und schliesslich Verfahren zur Erzeugung elektrischer Potentialdifferenzen unter Verwendung solcher Vorrichtungen. So described are new forms of phosphorus and processes for their preparation, solid layers of amorphous or polycrystalline MPX and process and a device for their production, process and device for the production of metal phosphides by vapor phase transport processes with multiple controlled temperatures using a single evaporation source, process and Device for the production of polyphosphides with a high phosphorus content by vapor phase transport processes using several separate evaporation sources, process and device for the production of MP15 in polycrystalline form by solid-state reactions, semiconductor components which contain polyphosphide groups with at least seven phosphorus atoms covalently interconnected and arranged in pentagonal hollow columns and a band gap of greater than 1 eV and having a photoconductivity ratio in the range of 100 to 10,000, semiconductor devices, d ie contain a substance of the composition MPX, in which M is an alkali metal and x is greater than 6, and materials with bandgaps of greater than 1 eV and photoconductivity ratios of 100 to 10,000, semiconductor components, made from a material that contains very large proportions of one consists of chain-linked, covalently bonded trivalent atoms, preferably phosphorus-containing material, in which the chain-connected atoms are linked to one another by several covalent bonds and have short-range order, which contains layers of linked atoms which are arranged parallel to one another in each of the layers, and wherein the Layers are also arranged parallel to one another, and the linkages preferably form pentagonal hollow columns, semiconductor components which contain an alkali metal and the above-mentioned linked structures, in which the number of successive covalent linked bonds is sufficient nd greater than the number of bonds that are not in the chain, that the material is semiconducting, semiconductor components made from compounds which contain at least two linked assemblies, each of which has a framework of at least 7 atoms covalently linked to one another, preferably phosphorus atoms, and There are alkali metal atoms which conductively connect the framework of one unit to the framework of another unit, junction components, methods for producing such semiconductor components, methods for doping such semiconductor components, methods for conducting an electrical current and finally methods for generating electrical potential differences using such devices.

Der wesentliche Grundgedanke liegt daher darin, eine neue Substanzklasse wertvoller Halbleiterwerkstoffe zu schaffen bzw. zur Verfügung zu stellen, innerhalb derer ein Teil der einzelnen Verbindungen neu ist und hier erstmals beschrieben wird, während ein anderer Teil der in der Klasse umfassten Substanzen zwar an sich bereits bekannt ist, nicht aber als mit technisch anwendbaren und ausnutzbaren Halbleitereigenschaften ausgestattete Substanz erkannt worden ist. The main idea is therefore to create or make available a new class of substances of valuable semiconductor materials, within which a part of the individual compounds is new and is described here for the first time, while another part of the substances included in the class itself is known, but has not been recognized as a substance equipped with technically applicable and utilizable semiconductor properties.

All diese Werkstoffe haben einen Bandabstand im Bereich von 1 bis 3 eV, und zwar vorzugsweise insbesondere im Bereich von 1,4 bis 2,2 eV, speziell vorzugsweise um 1,8 eV. Die Photoleitfähigkeitsverhältnisse liegen bei Werten von grösser als 5, und zwar tatsächlich im Bereich zwischen 100 und 10 000. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit dieser Werkstoffe liegt im Bereich von ungefähr 10"5 bis 10~12 (Ohm-cm)~ ', hat also eine Grössenordnung im Bereich von 10~8 (Ohm-cm)-1. All of these materials have a band gap in the range of 1 to 3 eV, preferably in particular in the range of 1.4 to 2.2 eV, particularly preferably around 1.8 eV. The photoconductivity ratios are at values greater than 5, in fact in the range between 100 and 10,000. The specific electrical conductivity of these materials is in the range from approximately 10 "5 to 10 ~ 12 (ohm-cm) ~ ', so it has one Magnitude in the range of 10 ~ 8 (ohm-cm) -1.

Anhand der vorliegenden Beschreibung erkennt der Fachmann ohne weiteres, dass die Alkalimetallkomponente M der Polyphosphide oder anderer entsprechender dreiwertiger «ide», die homoatomare kovalente Bindungen auszubilden in der Lage sind und der allgemeinen chemischen Formel MY, entsprechen, eine Reihe von Akalimetalle enthalten können, auch Kombinationen dieser Metalle enthalten können, die ein Bindungsverhalten entsprechend dem Bindungsverhalten der Alkalimetalle «vortäuschen» können, und die diese Metalle in beliebigen Anteilen enthalten, ohne die grundlegende pentagonale Hohlsäulenstruktur zu verändern und ohne dadurch die elektronischen Halbleiterkenndaten des Werkstoffs signifikant zu beeinflussen. On the basis of the present description, the person skilled in the art will readily recognize that the alkali metal component M of the polyphosphides or other corresponding trivalent “ide”, which are capable of forming homoatomic covalent bonds and correspond to the general chemical formula MY, can also contain a number of akali metals Combinations of these metals can contain, which can «simulate» a binding behavior corresponding to the binding behavior of the alkali metals, and which contain these metals in arbitrary proportions, without changing the basic pentagonal hollow column structure and without thereby significantly influencing the electronic semiconductor characteristics of the material.

Beschrieben wird ferner ein Verfahren zum Dotieren der Werkstoffe gemäss der Erfindung mit Eisen, Chrom und Nickel zur Verbesserung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der Substanzen. Kontaktsperrschichten wurden unter Verwendung von AI, Au, Cu, Mg, Ni, Ag und Ti unter Verwendung von Silberkontaktpaste und Punktsonden hergestellt und vermessen. Also described is a method for doping the materials according to the invention with iron, chromium and nickel to improve the specific electrical conductivity of the substances. Contact barrier layers were produced and measured using Al, Au, Cu, Mg, Ni, Ag and Ti using silver contact paste and point probes.

Der Einbau von Arsen in die Polyphosphide mit zueinander parallelen Hohlsäulen führt ebenfalls zu einer Erhöhung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit. The incorporation of arsenic into the polyphosphides with parallel hollow columns also leads to an increase in the specific electrical conductivity.

Die Halbleiterwerkstoffe und die Vorrichtungen und Bauelemente der Erfindung sind vielfältig einsetzbar. An Einsatzgebieten für die Werkstoffe der Erfindung seien die folgenden genannt: Photoleiter, insbesondere in Photokopiergeräten; Lichtemittierende Dioden; Transistoren, Dioden und integrierte Schaltkreise; photoelektrische Anwendungs5 The semiconductor materials and the devices and components of the invention can be used in a variety of ways. The following may be mentioned in areas of application for the materials of the invention: photoconductors, in particular in photocopiers; Light emitting diodes; Transistors, diodes and integrated circuits; Photoelectric application5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

9 9

672 778 672 778

bereiche; Metalloxid-Halbleiterbauelemente; optische Sensoren und Abtaster; Leuchtstoffe für die Anregung durch Photonen oder Elektronen sowie zahlreiche weitere Halbleiteranwendungsbereiche. areas; Metal oxide semiconductor devices; optical sensors and scanners; Phosphors for excitation by photons or electrons as well as numerous other semiconductor applications.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat die Anmelderin erstmals auch grosse monokline Phosphoreinkristalle hergestellt. Diese Kristalle werden durch die Dampfphasen-transporttechnik erhalten, und zwar ausgehend von MPi5-Beschickungen oder Beschickungen in Form von Mischungen aus M und P mit vielfältigen Variationen des Konzen-trationsverhältnisses (M-P). Uberraschenderweise enthalten diese grossen monoklinen Phosphoreinkristalle beachtliche Anteile an Alkalimetallen (500 bis 2000 ppm wurden beobachtet). Dabei können unter gleichen Bedingungen diese Kristalle nicht gezüchtet werden, wenn kein Alkalimetall in der Beschickung vorliegt. In the context of the present invention, the applicant has for the first time also produced large monoclinic phosphor single crystals. These crystals are obtained using the vapor phase transport technology, starting with MPi5 feeds or feeds in the form of mixtures of M and P with various variations in the concentration ratio (M-P). Surprisingly, these large monoclinic single crystals of phosphorus contain considerable amounts of alkali metals (500 to 2000 ppm were observed). These crystals cannot be grown under the same conditions if there is no alkali metal in the feed.

Für diese grossen Phosphorkristalle werden zwei verschiedene Kristallhabitus beobachtet. Two different crystal habit are observed for these large phosphor crystals.

Die Kristalle des einen Habitus weisen pyramiden-stumpfförmige Kristallform auf. Diese Kristalle sind besonders schwer zu spalten. Der andere Habitus entspricht der plättchenförmigen Kristallausbildung, die leicht spaltbar ist. The crystals of one habit have a truncated pyramidal crystal shape. These crystals are particularly difficult to split. The other habit corresponds to the platelet-shaped crystal formation, which is easily split.

Die grössten Kristalle wiesen Abmessungen der Grössenordnung 4 mm • 3 mm • 2 mm (Höhe) auf. Die grössten Kristalle, die in dem in Fig. 40 gezeigten Habitus erhalten werden konnten, sind ungefähr quadratisch, haben eine Kantenlänge von ungefähr 4 mm und eine Stärke von 2 mm. The largest crystals had dimensions of the order of 4 mm • 3 mm • 2 mm (height). The largest crystals that could be obtained in the habit shown in Fig. 40 are approximately square, have an edge length of approximately 4 mm and a thickness of 2 mm.

Die Kristalle haben in der Reflexion metallisches Aussehen und sind in der Transmission dunkelrot. Die chemische Analyse zeigt, dass die Kristalle im Bereich von 500 bis 2000 ppm Alkalimetall enthalten. Die von polykristallinen Pulverproben erhaltenen Röntgenbeugungsdiagramme, die Raman-Spektren und die Differentialthermoanalyse weisen alle zumindest im wesentlichen übereinstimmende Strukturen und Daten wie der bekannte Hittorf sehe Phosphor auf. The crystals have a metallic appearance in the reflection and are dark red in transmission. Chemical analysis shows that the crystals contain in the range of 500 to 2000 ppm alkali metal. The X-ray diffraction diagrams obtained from polycrystalline powder samples, the Raman spectra and the differential thermal analysis all have at least essentially identical structures and data such as the known Hittorf see phosphorus.

Das Photolumineszenzspektrum der in Gegenwart von Cäsium gezüchteten Kristalle und der in Gegenwart von Rubidium gezüchteten Kristalle zeigen Lumineszenzmaxima bei 4019 cm-1 bzw. bei 3981 cm-1. Daraus berechnet sich ein Bandabstand von ca. 2,1 eV bei Raumtemperatur für diese monokline Form des Phosphors. The photoluminescence spectrum of the crystals grown in the presence of cesium and of the crystals grown in the presence of rubidium show luminescence maxima at 4019 cm-1 and 3981 cm-1, respectively. This results in a band gap of approx. 2.1 eV at room temperature for this monoclinic form of the phosphor.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Show it:

Fig. 1 in schematischer Darstellung und teilweise im Schnitt eine Vorrichtung zur Durchführung der Dampfpha-sentransportreaktion mit einer einzigen Verdampfungsquelle; 1 shows a schematic representation and partly in section of a device for carrying out the vapor phase transport reaction with a single evaporation source;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils des Dampfphasentransportreaktors nach Fig. 1; FIG. 2 shows a schematic illustration of part of the vapor phase transport reactor according to FIG. 1;

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine weitere einfache Vorrichtung zur Durchführung der Dampfphasentransport-reaktion; 3 shows a schematic representation of a further simple device for carrying out the vapor phase transport reaction;

Fig. 4 in schematischer Darstellung ein experimentellen Zwecken dienendes Reaktorrohr für die Dampfphasentrans-portreaktion mit zwei Verdampfungsquellen; 4 shows a schematic illustration of an experimental reactor tube for the vapor phase transport reaction with two evaporation sources;

Fig. 5 den Temperaturverlauf im Reaktor gemäss Fig. 4; 5 shows the temperature profile in the reactor according to FIG. 4;

Fig. 6 den Verlauf des Konzentrationsverhältnisses von Phosphor zu Kalium in dem in Fig. 4 gezeigten Versuchsreaktor; 6 shows the course of the concentration ratio of phosphorus to potassium in the experimental reactor shown in FIG. 4;

Fig. 7 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung der Dampfphasentransportreaktion unter Verwendung von zwei Verdampfungsquellen; 7 shows a schematic representation of a device for carrying out the vapor phase transport reaction using two evaporation sources;

Fig. 8 in schematischer Darstellung eines der Elemente der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung; FIG. 8 shows a schematic representation of one of the elements of the device shown in FIG. 7;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines weiteren Reaktionsrohres für die Durchführung der Dampfphasentransportreaktion unter Verwendung von zwei Verdampfungsquellen; 9 shows a schematic illustration of a further reaction tube for carrying out the vapor phase transport reaction using two evaporation sources;

Fig. 10 in schematischer Darstellung eine Kugelmühle, wie sie zur Realisierung der Erfindung vorteilhaft einsetzbar 5 ist; 10 shows a schematic illustration of a ball mill, as can advantageously be used 5 to implement the invention;

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer verschliessba-ren Ampulle zur Herstellung von monoklinem Phosphor; 11 shows a schematic illustration of a closable ampoule for producing monoclinic phosphorus;

Fig. 12 in Seitensicht und schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur sofortigen Substanzverdampfung; 10 Fig. 13 einen Schnitt nach 48-48 in Fig. 12; 12 is a side view and a schematic representation of a device for immediate substance evaporation; FIG. 13 shows a section according to 48-48 in FIG. 12;

Fig. 14 einen Querschnitt nach 49-49 in Fig. 13; und FIG. 14 shows a cross section according to 49-49 in FIG. 13; and

Fig. 15 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung von Synthesen durch Niederschlagen des Produktes nach chemischer Reaktion aus der Dampfphase. 15 Bei den Figuren sind soweit möglich für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. 15 shows a schematic representation of a device for carrying out syntheses by precipitating the product after a chemical reaction from the vapor phase. 15 Wherever possible, the same reference numbers are used for the same parts in the figures.

In der in Fig. 1 gezeigten Weise wird ein mit zwei Temperaturzonen betreibbarer Ofen 10 benutzt, dessen äusserer Eisenmantel 12 mit einer Wärmeisolation 14, beispielsweise 20 Asbest umwickelt ist. In the manner shown in FIG. 1, an oven 10 which can be operated with two temperature zones is used, the outer iron jacket 12 of which is wrapped with thermal insulation 14, for example 20 asbestos.

Als Ausgangssubstanz 36 wird ein Gemisch aus Phosphor und Kalium im Molverhältnis von 12 zu 1 eingesetzt. So werden beispielsweise 5,5 g roter Phosphor und 0,6 g Kalium unter Stickstoff in ein Glasrohr 32 eingebracht. Zuvor 25 wird der Phosphor wiederholt mit Aceton gewaschen und dann an der Luft getrocknet. Der Waschvorgang ist jedoch nicht obligatorisch, sondern kann wahlweise, gegebenenfalls auch mit einem anderen Lösungsmittel, durchgeführt werden. A mixture of phosphorus and potassium in a molar ratio of 12 to 1 is used as the starting substance 36. For example, 5.5 g of red phosphorus and 0.6 g of potassium are introduced into a glass tube 32 under nitrogen. Before that, the phosphorus is repeatedly washed with acetone and then air-dried. However, the washing process is not mandatory, but can be carried out optionally, if necessary also with another solvent.

30 Nach der Beschickung mit dem Ausgangsgemisch 36 wird das Reaktorrohr 32 evakuiert, in diesem Fall auf 10-4 mbar, abgeschmolzen und anschliessend in den Ofen 10 eingebracht. Dabei wird das Rohr 32 in der Weise leicht geneigt im Ofen angeordnet, dass die Beschickung mit den zu 35 verdampfenden Ausgangssubstanzen 36 tiefer als der in der Fig. 1 linksliegend gezeigte Kopf des Rohres liegen. Über Zuleitungen 24 und 26 werden die Zonen des Ofens mit elektrischer Energie beaufschlagt, und zwar in der Weise, dass der Temperaturgradient von der Heizzone 28 zur Heizzone 40 30 von beispielsweise 650 °C bis auf 300 °C abfallt. Dabei befindet sich der Teil des Reaktorrohres im Bereich der höheren Temperaturzone 28, in dem die Ausgangssubstanzen 36 angeordnet sind. 30 After the starting mixture 36 has been charged, the reactor tube 32 is evacuated, in this case to 10-4 mbar, melted and then introduced into the furnace 10. In this case, the tube 32 is arranged in the furnace at a slight incline in such a way that the feed with the starting substances 36 to be evaporated are lower than the tube head shown on the left in FIG. 1. The zones of the furnace are supplied with electrical energy via supply lines 24 and 26 in such a way that the temperature gradient from the heating zone 28 to the heating zone 40 30 drops from, for example, 650 ° C. to 300 ° C. The part of the reactor tube is in the region of the higher temperature zone 28, in which the starting substances 36 are arranged.

Wenn der Ofen 10 unter den genannten Bedingungen ei-45 ne ausreichend lange Zeit, beispielsweise ungefähr 42 Stunden, betrieben worden ist, wird die Zufuhr der elektrischen Energie über die Zuleitungen 24 und 26 unterbunden und kühlt das Rohr 32 allmählich ab. Nach dem Erreichen der Umgebungstemperatur wird das Rohr 32 unter Stickstoffat-50 mosphäre geöffnet und wird der Inhalt des Reaktorrohres 32 entnommen. Das Reaktionsprodukt wird mit CS2 gewaschen, um pyrophore Anteile zu extrahieren. Dabei bleiben ungefähr 2,0 g stabiles Endprodukt zurück. Dies entspricht einer Ausbeute von ungefähr 33%. If the furnace 10 has been operated under the conditions mentioned for a sufficiently long time, for example approximately 42 hours, the supply of electrical energy via the leads 24 and 26 is stopped and the pipe 32 gradually cools down. After reaching the ambient temperature, the tube 32 is opened under a nitrogenate atmosphere and the contents of the reactor tube 32 are removed. The reaction product is washed with CS2 to extract pyrophoric fractions. This leaves approximately 2.0 g of stable end product. This corresponds to a yield of approximately 33%.

55 Bei Verwendung dieser Art der Synthese werden verschiedene Produktphasen gebildet, die an genau definierten Stellen innerhalb des Reaktionsrohres 32 auftreten (Fig. 2). Ein dunkler grauschwarzer Niederschlag 40 in Verbindung mit einem gelb-braunen Film 42 tritt typischerweise am äusser-60 sten Ende der heissen Zone 28 auf, wo das Ausgangsgemisch 36 zunächst angeordnet ist. Beim Fortschreiten in Richtung niedrigerer Temperaturen innerhalb des Rohres 32 wird anschliessend an diese Bereiche 40 und 42 ein schwarzer bis purpurfarbener dünner Niederschlag 42 beobachtet, der sich 65 als polykristallines Material darstellt. Im Anschluss an diese Niederschlags Schicht 42 tritt ein scharf begrenzter dunkler Ring massierter Kristallite 44 auf. Unmittelbar angrenzend an die Kristallite 44 folgt eine helle Zone, in der Whisker 46 55 When using this type of synthesis, different product phases are formed, which occur at precisely defined locations within the reaction tube 32 (FIG. 2). A dark gray-black precipitate 40 in connection with a yellow-brown film 42 typically occurs at the extreme 60th end of the hot zone 28, where the starting mixture 36 is initially arranged. When advancing in the direction of lower temperatures within the tube 32, a black to purple thin precipitate 42, which is 65 as a polycrystalline material, is then observed at these areas 40 and 42. Following this precipitation layer 42, a sharply delimited dark ring of massaged crystallites 44 occurs. Immediately adjacent to crystallites 44 is a bright zone, in which whiskers 46

672 778 672 778

10 10th

gewachsen sind. Anschliessend folgt eine stark reflektierende Niederschlagsschicht 48, die am unteren Teil des Reaktionsrohres 32 zu Beginn der kälteren Zone 30 ausgebildet ist. Über der Niederschlagsschicht 48 tritt gelegentlich ein tiefroter Niederschlagsbelag 50 auf, wobei das Auftreten dieses Beschlags von der Temperatur abhängt, die in der kühleren Zone aufrechterhalten wird. Die Niederschläge 48 und 50 können polykristallin, amorph oder gemischt polykristallin und amorph ausgebildet sein, und zwar je nach Art der eingesetzten Substanzen und der im Einzelfall eingestellten Temperaturen. Am äusseren Ende der kühleren Temperaturzone 30 findet sich als Substanz oder Beschlag ein rein amorphes Material 42 niedergeschlagen. have grown. This is followed by a highly reflective precipitation layer 48, which is formed on the lower part of the reaction tube 32 at the beginning of the colder zone 30. A deep red precipitate 50 occasionally appears over the rainfall layer 48, the occurrence of this fog depending on the temperature maintained in the cooler zone. The precipitates 48 and 50 can be polycrystalline, amorphous or mixed polycrystalline and amorphous, depending on the type of substances used and the temperatures set in the individual case. At the outer end of the cooler temperature zone 30, a purely amorphous material 42 is deposited as substance or fitting.

Da bei der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Anordnung von der heissen zur kalten Zone im Reaktionsrohr ein kontinuierlicher Temperaturgradient auftritt, unterliegt die Art des niedergeschlagenen Materials ebenfalls einer kontinuierlichen Änderung vom qualitativ hochwertigen einkristallinen Whisker bis zu polykristallinem und amorphem Material. Zur besseren Steuerung der Reaktion und zur gezielten Schaffung bestimmter Niederschlagsbereiche mit grösseren und einheitlichen Flächen wird vorzugsweise statt des Zweizonenofens ein Dreizonenofen der in der Fig. 3 gezeigten Art benutzt. Dieser Dreizonenofen 54 gleicht im wesentlichen dem in der Fig. 1 gezeigten Ofen 10 und besteht aus einem äusseren Eisenmantel 56, einem feuerfesten Innenrohr 60 und dem Reaktionsrohr bzw. der Ampulle 58. Dabei sind in der Fig. 3 der besseren Übersichtlichkeit halber die Asbestisolation des äusseren Mantels 56 und die Isolation des Rohres 58 in der Fig. 3 nicht dargestellt. Der Ofen 54 unterscheidet sich vom Ofen 10 dadurch, dass das Rohr 58 im Vergleich zum Reaktionsrohr 32 wesentlich länger ist, in diesem Fall 48 cm lang. Zusätzlich weist der Ofen 54 drei voneinander getrennte Heizzonen 62, 64 und 66 auf, die einzeln steuerbar sind, so dass ein besser definierter Temperaturgradient über die Länge des Ofeninnenrohres 60 eingestellt werden kann. Das Ofeninnenrohr 60 kann auf Asbestblöcken 68 und 70 gelagert sein und zwar in der Weise, dass dem Ofeninnenrohr 60 und dem in ihm liegenden Reaktionsrohr 58 eine zur heissen Zone 62 hin abfallende Neigung erteilt wird, um eine ausreichend gute Lagerung der Beschickung 36 zu gewährleisten. Since a continuous temperature gradient occurs in the arrangement shown in FIGS. 1 and 2 from the hot to the cold zone in the reaction tube, the type of material deposited is also subject to a continuous change from high-quality single-crystal whiskers to polycrystalline and amorphous materials. For better control of the reaction and for the specific creation of certain precipitation areas with larger and uniform areas, a three-zone oven of the type shown in FIG. 3 is preferably used instead of the two-zone oven. This three-zone furnace 54 is essentially the same as the furnace 10 shown in FIG. 1 and consists of an outer iron jacket 56, a refractory inner tube 60 and the reaction tube or ampoule 58. For better clarity, the asbestos insulation of the Outer jacket 56 and the insulation of the tube 58 not shown in FIG. 3. The furnace 54 differs from the furnace 10 in that the tube 58 is significantly longer than the reaction tube 32, in this case 48 cm long. In addition, the furnace 54 has three separate heating zones 62, 64 and 66, which can be controlled individually, so that a better-defined temperature gradient can be set over the length of the furnace inner tube 60. The inner tube 60 of the furnace can be mounted on asbestos blocks 68 and 70 in such a way that the inner tube 60 and the reaction tube 58 located in it are given an incline which drops towards the hot zone 62 in order to ensure that the feed 36 is adequately stored.

Verfahren 1 ( vgl. Fig. 3 ) Method 1 (see FIG. 3)

Das 50 cm lange Reaktorrohr, das die Reaktanten enthält, ist innerhalb eines zweiten Quarzrohres in der 61 cm langen Heizkammer des Ofens gelagert. Durch entsprechendes Einstellen der Regelpunkte der drei Heizzonen des Ofens kann ein zumindest im wesentlichen linear fallender Temperaturgradient erzeugt werden. Es kann also ein Temperaturgradient A T/d erzeugt werden, wobei T die Temperatur und d der jeweilige axiale Abstand im Ofen ist, ist zumindest angenähert konstant zwischen den Zentren der beiden aus-senliegenden Heizelemente. Dieser lineare Temperaturgradient, der über die längere Dimension des Reaktionsrohres verteilt aufgebracht ist, dient dem Zweck, die verschiedensten während der Reaktion gebildeten Produktmaterialien voneinander zu trennen. Dabei treten die Produkte in einem ganz bestimmten Muster und in ganz bestimmter Folge mit abnehmender Abscheidungstemperatur auf: Zunächst dunkelpurpurrote bis schwarze polykristalline Filme, dann ein Ring massierter Kristallite; Einkristalle oder Whisker, rote Schichten mit kleiner Korngrösse und polykristalliner Morphologie; und, im kältesten Temperaturbereich des Reaktorrohres, ein dunkelgraues amorphes Material. The 50 cm long reactor tube, which contains the reactants, is stored within a second quartz tube in the 61 cm long heating chamber of the furnace. By setting the control points of the three heating zones of the furnace accordingly, an at least substantially linearly falling temperature gradient can be generated. A temperature gradient AT / d can thus be generated, where T is the temperature and d is the respective axial distance in the furnace, is at least approximately constant between the centers of the two outer heating elements. This linear temperature gradient, which is applied over the longer dimension of the reaction tube, serves the purpose of separating the various product materials formed during the reaction. The products appear in a very specific pattern and in a very specific sequence with decreasing deposition temperature: first dark purple to black polycrystalline films, then a ring of massaged crystallites; Single crystals or whiskers, red layers with small grain size and polycrystalline morphology; and, in the coldest temperature range of the reactor tube, a dark gray amorphous material.

Eine Versuchsserie hat gezeigt, dass dieses amorphe Material in den verschlossenen Reaktionsrohren nicht entsteht, wenn die kälteste Temperatur des Rohres grösser als ca. A series of experiments has shown that this amorphous material does not form in the sealed reaction tubes if the coldest temperature of the tube is greater than approx.

375 °C ist. In ähnlicher Weise kann das Auftreten des roten polykristallinen Materials deutlich unterdrückt werden, indem die niederigste Temperatur am Reaktorrohr bei oder über 450 °C gehalten wird. Weiterhin hat die Anmelderin festgestellt, dass polykristallines MP15 nicht in Vorrichtungen hergestellt werden kann, die mit einer einzigen Verdampfungsquelle betrieben werden. Die hierbei gebildeten polykristallinen und amorphen Substanzen sind insgesamt Substanzen mit hohen Werten von x, bei denen x sehr viel grösser als 15 ist. Is 375 ° C. Similarly, the occurrence of the red polycrystalline material can be significantly suppressed by maintaining the lowest temperature on the reactor tube at or above 450 ° C. Furthermore, the applicant has determined that polycrystalline MP15 cannot be manufactured in devices that operate with a single evaporation source. The polycrystalline and amorphous substances formed here are substances with high values of x, in which x is much larger than 15.

Verfahren 2 Procedure 2

Die aus dem gewebten Band gewickelten Halterungen dienen nicht nur der Ausrichtung des Reaktionsrohres, sondern zusätzlich als wirksame Schranken gegen den Wärmeübergang zwischen den drei Heizzonen. Diese Schranken bewirken einen steileren Temperaturabfall zwischen den Zonen, gleichzeitig jedoch einen flacher verlaufenden Gradienten innerhalb der mittleren Zone. Im Ergebnis wird dadurch ein gestuftes Temperaturprofil erhalten, das in der Weise eingestellt und manipuliert werden kann, dass selektiv bestimmte Zielprodukte durch Einstellen der entsprechenden Niederschlagstemperaturen erhalten werden können. The brackets wound from the woven tape not only serve to align the reaction tube, but also as effective barriers against the heat transfer between the three heating zones. These barriers cause a steeper temperature drop between the zones, but at the same time a flatter gradient within the central zone. As a result, a stepped temperature profile is obtained which can be set and manipulated in such a way that specific target products can be obtained selectively by setting the corresponding precipitation temperatures.

A) In von Schnering's Ankündigung der Herstellung von Einkristallen (Whiskern) von KPI5 beschrieb er die Herstellung aus den Elementen dahingehend, dass die Erhitzung der Elemente, nämlich Kalium und roten Phosphor, in einem «Temperaturgradienten» von «600/200 C» in einem ungefähr 20 cm langen Quarzrohr erfolge. Er führt ferner aus, dass sich die Kristalle im Temperaturbereich von «300 bis 320 °C» bildeten. Die benutzten Öfen waren offensichtlich Öfen mit einem einzigen Heizelement, bei denen der Temperaturgradient durch den Wärmeverlust hervorgerufen wird, der an einem Ende des Rohres auftritt, das aus dem Ofen herausragt. A) In von Schnering's announcement of the production of single crystals (whiskers) by KPI5, he described the production from the elements in that the heating of the elements, namely potassium and red phosphorus, in a «temperature gradient» of «600/200 C» in one about 20 cm long quartz tube. He further states that the crystals formed in the temperature range from “300 to 320 ° C”. The furnaces used were obviously single-heater furnaces where the temperature gradient is caused by the heat loss that occurs at one end of the tube that protrudes from the furnace.

Als erster Schritt zur Verbesserung dieses Verfahrens wird zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung ein Dreizonenofen der in Fig. 3 gezeigten Art verwendet, bei dem unabhängig voneinander die Erwärmung der Ausgangselemente überwacht und gesteuert werden kann. Darüberhinaus hat die Heizkammer des benutzten Dreizonenofens (Lindberg Modell 54 357) eine Länge von 61 cm, wodurch der aufgebrachte Temperaturgradient leichter zu überwachen und zu regeln war. Durch das Lagern des Reaktionsrohres, das jetzt eine Länge von ungefähr 52 cm aufwies, in einem zweiten beidseitig offenen Quarzrohr, das, gestützt auf Asbestblöcke, gelagert ist. In dieser Vorrichtung wird ein allgemein linearer Verlauf des Temperaturgradienten A T/d eingestellt, der zumindest angenähert konstant ist zwischen den beiden Zentren der beiden Aussenseiten der Heizelemente des Ofens. Die elektrische Leistungsbeaufschlagung des Ofens wird mit einem Lindberg-Regler (Modell 59 744/A) überwacht. Bei diesem Gerät werden drei voneinander unabhängige steuerbare Regler verwendet, die voneinander unabhängige steuerbare Siliciumgleichrichter und Bandregler enthält, die die Steuerung der Ofentemperatur nach Massgabe der manuellen Vorwahl bewirken. As a first step in improving this method, a three-zone furnace of the type shown in FIG. 3 is used to carry out the method according to the invention, in which the heating of the output elements can be monitored and controlled independently of one another. In addition, the heating chamber of the three-zone oven used (Lindberg model 54 357) has a length of 61 cm, making the temperature gradient applied easier to monitor and regulate. By storing the reaction tube, which now had a length of approximately 52 cm, in a second quartz tube open on both sides, which is supported on asbestos blocks. In this device, a generally linear profile of the temperature gradient AT / d is set, which is at least approximately constant between the two centers of the two outer sides of the heating elements of the furnace. The electrical power input to the furnace is monitored using a Lindberg controller (model 59 744 / A). This device uses three independent controllable controllers, which contain independent controllable silicon rectifiers and band controllers, which control the oven temperature according to the manual preselection.

Der linear abfallende Gradient, der über die langen Abmessungen des Reaktionsrohres eingehalten und aufgeprägt wird, dient der sauberen Abtrennung der verschiedenen Produkte voneinander, die im Verlauf der Reaktion gebildet werden. Diese Produkte treten in einer charakteristischen Folge von Niederschlägen mit abnehmender Temperatur auf: dunkelpurpurrote bis schwarze polykristalline Filme, ein Ring massierter Kristallite, Einkristalle oder «Whisker»; feinkörnige rote Filme mit polykristalliner Morphologie und, im kältesten Bereich des Reaktionsrohres, dunkelgraue amorphe Substanz. The linearly falling gradient, which is maintained and imprinted over the long dimensions of the reaction tube, serves to cleanly separate the various products that are formed in the course of the reaction. These products occur in a characteristic sequence of precipitation with decreasing temperature: dark purple to black polycrystalline films, a ring of massaged crystallites, single crystals or «whiskers»; fine-grained red films with polycrystalline morphology and, in the coldest area of the reaction tube, dark gray amorphous substance.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

11 11

672 778 672 778

Beispiel I Example I

Ein Dreizonenofen (Lindberg, Modell 54 357) wie er in der Fig. 3 gezeigt ist, mit Heizelementen, die in einem feuerfesten Material versenkt sind, und zwar in getrennten zylindrischen Abschnitten mit Längen von 15,3 cm, 30,6 cm und wiederum 15,3 cm (entsprechend 61 cm insgesamt) wird für die Durchführung dieses Beispiels eingesetzt. Der Durchmesser der Heizkammer beträgt 8 cm. Die Temperatur wird an in der Fig. nicht gezeigten Thermoelementen abgenommen, die, gemessen über die Länge von 61 cm des inneren Ofenrohres, angeordnet sind. A three zone oven (Lindberg, Model 54 357) as shown in Fig. 3 with heating elements buried in a refractory material, in separate cylindrical sections 15.3 cm, 30.6 cm and again in lengths 15.3 cm (corresponding to 61 cm in total) is used to carry out this example. The diameter of the heating chamber is 8 cm. The temperature is taken from thermocouples, not shown in the figure, which are arranged, measured over the length of 61 cm of the inner stovepipe.

Die Seiten der Heizkammer sind mit Glaswolle verstopft, um den Wärmeverlust des Ofens auf ein Minimum herabzudrücken. Ein Quarzrohr mit einer Länge von 60 cm und einem Durchmesser von 4,5 cm wird mit einem geringen Winkel geneigt und auf Asbestblöcken gelagert in der Heizkammer angeordnet. The sides of the heating chamber are clogged with glass wool to minimize heat loss from the stove. A quartz tube with a length of 60 cm and a diameter of 4.5 cm is inclined at a slight angle and placed on asbestos blocks in the heating chamber.

Das Reaktionsrohr aus Quarz weist einen im Axialschnitt runden Boden auf, ist 49 cm lang und hat einen Durchmesser von 2,5 cm. Das Reaktionsrohr weist anschliessend einen Abschnitt mit verengtem Querschnitt auf, der 10 cm lang ist und einen Durchmesser von 1,0 cm hat. Unter einer trockenen Stickstoffatmosphäre werden 6,51 g roter Phosphor und 0,62 g Kalium in das Rohr gebracht. Das atomare Verhältnis des Phosphors zum Metall beträgt 13,3 zu 1. Der Phosphor weist analytische Reinheit auf. Das Rohr wird auf einen Druck von 10~4 mbar evakuiert und durch Abschmelzen des Ansatzrohres fest verschlossen. Einige Zentimeter des Ansatzrohres bleiben dabei bestehen. Die Gesamtlänge des Rohres einschliesslich Ansatz beträgt nach dem Abschmelzen 51,5 cm. Das so verschlossene Reaktionsrohr wird in den oben beschriebenen Dreizonenofen eingelegt. Die Temperatur in den drei Heizzonen wird auf 650 °C, 450 °C und 300 C eingestellt. Mit dieser Temperaturverteilung wird 5 Stunden geheizt. Anschliessend wird die Temperatur für weitere 164 Stunden gehalten. Dann wird die Stromzufuhr abgeschaltet, so dass der Ofen auf Raumtemperatur abkühlen kann. Dies erfolgt mit der der Anordnung eigenen Abkühlgeschwindigkeit. Das Reaktorrohr wird dann aufgeschnitten, und zwar unter einer trockenen Stickstoffatmosphäre in einer Handschuhbox. Als Produkte werden kondensierte Phasen sowohl mit kristalliner als auch mit polykristalliner als auch mit amorpher Morphologie erhalten. The quartz reaction tube has a round base in axial section, is 49 cm long and has a diameter of 2.5 cm. The reaction tube then has a section with a narrow cross section, which is 10 cm long and has a diameter of 1.0 cm. 6.51 g of red phosphorus and 0.62 g of potassium are introduced into the tube under a dry nitrogen atmosphere. The atomic ratio of phosphorus to metal is 13.3 to 1. The phosphorus has analytical purity. The tube is evacuated to a pressure of 10 ~ 4 mbar and tightly closed by melting the extension tube. A few centimeters of the extension pipe remain. The total length of the pipe including the neck is 51.5 cm after melting. The reaction tube thus sealed is placed in the three-zone furnace described above. The temperature in the three heating zones is set to 650 ° C, 450 ° C and 300 ° C. This temperature distribution is used for heating for 5 hours. The temperature is then held for a further 164 hours. Then the power supply is switched off so that the furnace can cool down to room temperature. This takes place at the cooling rate inherent in the arrangement. The reactor tube is then cut open in a glove box under a dry nitrogen atmosphere. Condensed phases with crystalline, polycrystalline and amorphous morphology are obtained as products.

Polyphosphide sind in zwei grundsätzlich verschiedenen Typen von Anlagen hergestellt worden, die im Rahmen dieser Beschreibung beide als «Zweiquellenanlagen» unter Bezug auf das Herstellungsverfahren mit zwei voneinander unabhängigen Quellen, bezeichnet sind, weil in beiden Anlagetypen das Metall und der Phosphor getrennt voneinander erhitzt und unabhängig voneinander zu beiden Seiten der Niederschlagszone angeordnet werden. Alle hier beschriebenen Versuche wurden im K-P-System durchgeführt. Polyphosphides have been produced in two fundamentally different types of plants, both of which are referred to in this description as "two-source plants" with reference to the production process with two independent sources, because in both plant types the metal and the phosphorus are heated separately and independently from each other on both sides of the precipitation zone. All tests described here were carried out in the K-P system.

Nach dem ersten Verfahren, das in der Fig. 4 schematisch dargestellt ist, werden die Phosphorcharge und die Kaliumcharge an den beiden einander gegenüberliegenden Enden eines verschmolzenen Glasrohres 100 angeordnet. Das Rohr wird einem Temperaturprofil der in Fig. 5 gezeigten Art ausgesetzt, wobei dieses Temperaturprofil in einem Dreizonenofen erzeugt wird. Durch das Profil werden die unabhängigen und getrennt voneinander angeordneten Beschik-kungen auf eine erhöhte Temperatur gebracht, und zwar erhöht relativ zur mittleren Zone, die zwischen den beiden Zonen, die die Ausgangskomponenten enthalten, angeordnet ist. In dieser mittleren Zone werden die Bestandteile der Ausgangsprodukte unter Bildung des Produktniederschlages KP15 kombiniert, und zwar in Form von Beschichtungen auf den Wänden des Reaktorrohres. According to the first method, which is shown schematically in FIG. 4, the phosphorus batch and the potassium batch are arranged at the two opposite ends of a fused glass tube 100. The tube is exposed to a temperature profile of the type shown in FIG. 5, this temperature profile being generated in a three-zone furnace. The profile brings the independent and separately arranged feeds to an increased temperature, namely increased relative to the central zone, which is arranged between the two zones which contain the starting components. In this central zone, the components of the starting products are combined to form the product precipitate KP15, in the form of coatings on the walls of the reactor tube.

Der zweite Typ Anlage ist in der Fig. 7 schematisch dargestellt. Ein wesentlicher Teil 102 des Reaktorrohres 134 ragt aus dem Dreizonenofen 104 heraus und befindet sich auf Umgebungstemperatur. Dieser Abschnitt enthält ein Stellventil 106 und eine Kugelschliffverbindung 108 zur Leckeinstellung bestimmter Unterdrücke, bei denen die Reaktion durchgeführt werden soll. Bei dieser alternativen Technik des Verschliessens des Reaktorrohres braucht dieser Verschlussabschnitt nicht so hohen Temperaturen wie beim Abschmelzen ausgesetzt werden. Die weite Zugangsöffnung zum Rohr erlaubt weiterhin das Einbringen von Glasschiffchen, die den Phosphor bzw. das Metall enthalten, was durch den verjüngten Hals der abgeschmolzenen Reaktionsrohre nicht möglich ist. Das Schiffchen 112 (Fig. 8) ist ausserdem so konstruiert, dass auf einem Glassubstrat 114 (Fig. 7) aufgebrachte Metalle in die Kondensationszone gebracht werden können, auf denen die Produktschichten niedergeschlagen werden können und sollen. Diese Film/Substrat-Konfigurationen dienen als Ausgangspunkt für den Aufbau von Bauelementen, wie dies weiter unten näher erläutert ist. The second type of system is shown schematically in FIG. 7. An essential part 102 of the reactor tube 134 protrudes from the three-zone furnace 104 and is at ambient temperature. This section contains a control valve 106 and a spherical ground joint 108 for leak adjustment of certain negative pressures at which the reaction is to be carried out. With this alternative technique of closing the reactor tube, this closing section does not need to be exposed to the same high temperatures as during melting. The wide access opening to the tube also allows the introduction of glass boats that contain the phosphorus or the metal, which is not possible due to the tapered neck of the melted reaction tubes. The boat 112 (FIG. 8) is also constructed in such a way that metals deposited on a glass substrate 114 (FIG. 7) can be brought into the condensation zone, on which the product layers can and should be deposited. These film / substrate configurations serve as the starting point for the construction of components, as will be explained in more detail below.

Der ausserhalb des Ofens liegende Abschnitt des Reaktorrohres dient als Kühlfalle für die Dampfteilchen. Insbesondere der in der der Ausgangsseite nächstgelegenen Zone des Reaktorrohres angeordnete Phosphor wird in grösseren Mengen in diesem äusseren Abschnitt niedergeschlagen, und zwar im allgemeinen in der hochpyrophoren Form des weissen Phosphors. Durch das Vorhandensein dieser Kühlfalle liegen die Dampfdruckverhältnisse in dem System der Fig. 7 deutlich anders als in dem geschlossen erhitzten System, das oben beschrieben wurde. Daraus ist ohne weiteres verständlich, dass die zur Herstellung der Produkte in der zuvor beschriebenen Anlage gewählten Temperaturbedingungen keinesfalls erfolgreich auf die hier beschriebene Anlage übertragbar sind. So mussten die im einzelnen geeigneten Reaktionsparameter, insbesondere Temperaturparameter für die hier beschriebene Zweiquellenmethode erneut bestimmt werden. The section of the reactor tube outside the furnace serves as a cold trap for the vapor particles. In particular, the phosphorus located in the zone of the reactor tube closest to the outlet side is deposited in large quantities in this outer section, generally in the highly pyrophoric form of the white phosphorus. Due to the presence of this cold trap, the vapor pressure conditions in the system of FIG. 7 are significantly different than in the closed-heated system described above. From this it is readily understandable that the temperature conditions selected for the manufacture of the products in the system described above can in no way be successfully transferred to the system described here. The reaction parameters, in particular temperature parameters, suitable for the two-source method described here had to be determined again.

Beispiel V Example V

Ein 54 cm langes und im Durchmesser 2,5 cm messendes Quarzrohr 100 mit einem 10 cm langen und im Durchmesser 1,0 cm messendem Seitenstutzen 116 (Fig. 4) wird mit Phosphor und Kalium unter trockenem Stickstoff beschickt, wobei die Substanzen an einander gegenüberliegende Enden des Rohres eingefüllt werden. Das molare Atomverhältnis der Beschickung Phosphor zu Kalium beträgt 15 zu 1. Das Kalium (99,95% rein) wird zunächst in der Weise aufgegeben, dass ein kleines Kaliumstück, das 0,28 g wiegt, in einen Auffangbecher 118 eingebracht wird, dessen Längsachse koaxial zur Längsachse des Reaktorrohres gerichtet ist. Die in den Becher eingefüllten Kaliumstücke werden dann aufgeschmolzen und im Becher wieder erstarrt. Der Phosphor (Reinheitsgrad 99,9999%) wird dann stückig in einer Menge von 3,33 g in das Reaktorrohr eingebracht und zwar ohne Schwierigkeiten um den Becher 118 herum. Das Reaktorrohr wird dann unter vermindertem Druck am Hals 116 abgeschmolzen. Der Druck beim Abschmelzen beträgt 7 • 10~5mbar. A 54 cm long and 2.5 cm diameter quartz tube 100 with a 10 cm long and 1.0 cm diameter side nozzle 116 (FIG. 4) is charged with phosphorus and potassium under dry nitrogen, the substances lying opposite each other Ends of the tube are filled. The molar atomic ratio of the phosphorus to potassium feed is 15 to 1. The potassium (99.95% pure) is initially charged in such a way that a small piece of potassium, which weighs 0.28 g, is introduced into a collecting beaker 118, the longitudinal axis of which is directed coaxially to the longitudinal axis of the reactor tube. The potassium pieces filled into the cup are then melted and solidified again in the cup. The phosphorus (degree of purity 99.9999%) is then introduced in pieces in an amount of 3.33 g into the reactor tube and without difficulty around the cup 118. The reactor tube is then melted under reduced pressure on neck 116. The pressure during melting is 7 • 10 ~ 5mbar.

Das so beschickte und abgeschmolzene Reaktorrohr wird dann in einen Dreizonenofen vom Typ Lindberg Model 54 357-S in der Weise angeordnet, dass die drei Temperaturzonen zentralsymmetrisch zum Ofenrohr liegen. Im Gegensatz zu dem in den vorhergehenden Versuchen verwendeten Ofenmodell Nr. 54 357 das Zonenlängen von 15,2, 30,5 und The reactor tube, which has been charged and melted, is then placed in a three-zone furnace of the Lindberg Model 54 357-S type in such a way that the three temperature zones are centrally symmetrical to the furnace tube. In contrast to the oven model No. 54 357 used in the previous experiments, the zone lengths of 15.2, 30.5 and

15.2 cm hat, betragen die Zonenlängen in dem für diesen Versuch verwendeten S-Modell einheitlich 20,3, 20,3 und 15.2 cm, the zone lengths in the S model used for this experiment are 20.3, 20.3 and

20.3 cm. Zwei auf dem Reaktorrohr spiralig aufgewickelte Asbestgewebebänder tragen das Reaktorrohr in den Übergangsbereichen zwischen den Heizzonen 1 und 2 bzw. 2 und 20.3 cm. Two asbestos fabric tapes spirally wound on the reactor tube support the reactor tube in the transition areas between heating zones 1 and 2 or 2 and

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

672 778 672 778

12 12

3. Diese Asbestbänder tragen nicht nur das Reaktorrohr, sondern sie isolieren auch den Mittelbereich gegenüber den höheren Temperaturen der angrenzenden äusseren Zonen. Das auf diese Weise erhaltene und eingestellte Temperaturprofil ist schematisch in der Fig. 5 wiedergegeben. Die drei Heizzonen werden unter Führung durch einen Computer (Honeywell Modell DCP-7700) so beaufschlagt, dass sie nach dem Aufheizen in den drei Zonen Temperaturen von 450, 300 und 450 °C erzeugen, wobei diese Gradiententemperaturen 72 h eingehalten werden. Anschliessend an diese Verweilzeit wird im Verlauf von 15 h systematisch gesteuert und geregelt auf Raumtemperatur abgekühlt. 3. These asbestos tapes not only carry the reactor tube, but they also isolate the central area from the higher temperatures of the adjacent outer zones. The temperature profile obtained and set in this way is shown schematically in FIG. 5. The three heating zones are operated under the guidance of a computer (Honeywell model DCP-7700) in such a way that they generate temperatures of 450, 300 and 450 ° C in the three zones after heating, these gradient temperatures being maintained for 72 hours. Following this dwell time, the system is systematically controlled and regulated to room temperature over the course of 15 h.

Die im Reaktorrohr gewonnenen Produktsubstanzen werden analysiert. Zu diesem Zweck wird das Reaktorrohr zunächst in trockener Stickstoffatmosphäre in 7 gleichlange Abschnitte aufgeschnitten und zwar unter Verwendung einer Siliciumcarbid-Trennscheibe. Die in den Abschnitten an den Rohrwänden vorgefundenen Beschichtungen werden entfernt und einzeln röntgenographisch untersucht. Der Rest der Produktausbeute in jedem Bereich wird der nasschemischen Analyse unterzogen. The product substances obtained in the reactor tube are analyzed. For this purpose, the reactor tube is first cut into 7 sections of equal length in a dry nitrogen atmosphere, using a silicon carbide cutting disc. The coatings found in the sections on the pipe walls are removed and individually examined by X-ray. The rest of the product yield in each area is subjected to wet chemical analysis.

Die P/K-Verhältnisse der Niederschläge, die in den einzelnen in Fig. 6 identifizierten Abschnitten des Reaktorrohres ermittelt wurden, sind ebenfalls in der Fig. 6 dargestellt. Für den mittleren Bereich, in dem die Temperatur T bei ungefähr 300 °C liegt, weisen die Substanzenzusammensetzungen ein Verhältnis von ungefähr 14 auf 1 auf. Dieser analytische Wert fällt innerhalb der Genauigkeit der zur Analyse angewendeten Methoden in einen Bereich, der für die Substanz KP15 zu erwarten ist. Eindeutiger waren die an Pulverproben aufgenommenen Röntgenbeugungsdiagramme für die Substanzen, für die nasschemisch ein Verhältnis P zu K von ungefähr 14 ermittelt wurde, wobei die röntgenographi-schen Aufnahmen fraglos auf die Spektren von KPi5 pass-ten, und zwar sowohl in Form der Einkristallwhisker als auch für das polykristalline Material. Darüberhinaus Hessen die Röntgenbeugungsdiagramme eindeutig die Gegenwart sowohl von kristallinem als auch von amorphem Material erkennen, und zwar in einem Verhältnis von ungefähr 1 zu 1. Diese Abschätzung basiert auf der beobachteten Verbreiterung der Beugungsreflexe. The P / K ratios of the precipitates which were determined in the individual sections of the reactor tube identified in FIG. 6 are also shown in FIG. 6. For the medium range, in which the temperature T is approximately 300 ° C., the substance compositions have a ratio of approximately 14 to 1. Within the accuracy of the methods used for the analysis, this analytical value falls within a range that can be expected for the substance KP15. The X-ray diffraction diagrams recorded on powder samples were more unambiguous for the substances, for which a ratio P to K of approximately 14 was determined by wet chemistry, the X-ray recordings unquestionably matching the spectra of KPi5, both in the form of the single-crystal whiskers and for the polycrystalline material. Furthermore, the X-ray diffraction patterns clearly detect the presence of both crystalline and amorphous material, in a ratio of approximately 1 to 1. This estimate is based on the observed broadening of the diffraction reflections.

beispiel VI example VI

Es wird die auch im Beispiel V verwendete Anlage eingesetzt. Das Quarzrohr 119 ist mit zusätzlichen «Düsen» 120 und 122 versehen, die die beiden Seitenkammern von der Mittelkammer (Fig. 16) absondern. Unter trockenem Stickstoff werden 0,47 g geschmolzenen Kaliums mit einer Reinheit von 99,95% in die in Fig. 9 rechts dargestellte äussere und mit «K» gekennzeichnete Kammer des Reaktorrohres gegeben, wobei das geschmolzene KaHum dann dort verfestigt wird. Das Beschickungsrohr 124 wird dann durch Verschmelzen verschlossen. Anschliessend wird auf der anderen Seite der Kammer, in der Fig. 9 durch «P» gekennzeichnet, Phosphor in einer Menge von 5,58 g mit einer Reinheit von 99,9999% aufgegeben. Dann wird das gesamte Reaktorrohr auf 10"5 mbar evakuiert und durch Abschmelzen verschlossen. Nach dem Abschmelzen des Einzelstutzens 126 befinden sich in dem Reaktorrohr Phosphor und KaHum im molaren Atomverhältnis von 15 zu 1. The system also used in example V is used. The quartz tube 119 is provided with additional “nozzles” 120 and 122, which separate the two side chambers from the middle chamber (FIG. 16). Under dry nitrogen, 0.47 g of molten potassium with a purity of 99.95% is added to the outer chamber of the reactor tube shown on the right in FIG. 9 and marked with “K”, the melted KaHum then being solidified there. The feed pipe 124 is then sealed by fusing. Subsequently, on the other side of the chamber, identified by “P” in FIG. 9, phosphorus in a quantity of 5.58 g with a purity of 99.9999% is added. Then the entire reactor tube is evacuated to 10 -5 mbar and sealed by melting. After the individual nozzle 126 has melted, the reactor tube contains phosphorus and KaHum in a molar atomic ratio of 15 to 1.

Das verschlossene Reaktorrohr 119 ist insgesamt 41 cm lang und wird mittig in den drei aufeinanderfolgenden 20,3 cm langen Heizzonen des Dreizonenofens (Lindberg, Modell 54 357-S) angeordnet. Zwei Wärmeschranken (TB) aus gewebtem Asbestband, das in grösserwerdenden Spiralen um das Rohr herumgewickelt ist, haltern das Rohr an den Übergängen von der Zone 1 zur Zone 2 und von der Zone 2 zur Zone 3. Zusätzlich wird die mittlere Zone von den beiden äusseren Zonen durch die Asbesthalterungen thermisch isoliert. Zur Steuerung der drei Zeizzonen des Ofens wird ein Computer eingesetzt (Honeywell, Modell DCP 770). Unter Computersteuerung werden die drei Zonen des Ofens auf 500, 355 und 700 °C aufgeheizt. Dabei wird der Phosphor auf 500 °C, das KaHum auf 700 "C erwärmt. Die mittlere Zone wird durch die Tempera tur Vorwahl auf nur 300 C aufgeheizt, jedoch durch die nicht vollständige Isolation durch das Gewebeband tritt ein Wärmeübergang aus den seitlichen heissen Zonen in die innere kältere Zone auf, so dass die tatsächliche Temperatur in dieser mittleren Niederschlagszone 355 °C beträgt. Dieses Temperaturprofil wird für 80 h aufrechterhalten. Anschliessend wird der Ofen im Verlauf von 24 h abgekühlt. The sealed reactor tube 119 is a total of 41 cm long and is arranged centrally in the three successive 20.3 cm long heating zones of the three-zone furnace (Lindberg, model 54 357-S). Two heat barriers (TB) made of woven asbestos tape, which is wound around the pipe in increasing spirals, hold the pipe at the transitions from Zone 1 to Zone 2 and from Zone 2 to Zone 3. In addition, the middle zone is separated from the two outer ones Zones thermally insulated by the asbestos holders. A computer is used to control the three time zones of the furnace (Honeywell, model DCP 770). The three zones of the furnace are heated to 500, 355 and 700 ° C under computer control. The phosphor is heated to 500 ° C, the KaHum to 700 "C. The middle zone is heated up to only 300 C by the temperature preselection, but due to the incomplete insulation by the fabric band, heat transfer from the side hot zones occurs the inner colder zone so that the actual temperature in this central precipitation zone is 355 ° C. This temperature profile is maintained for 80 h and then the furnace is cooled in the course of 24 h.

Anschliessend wird das Reaktorrohr 119 unter trockenem Stickstoff aufgesägt, und zwar unter Verwendung einer Siliciumcarbidtrennscheibe. Dabei zeigt sich, dass die Düse 122 zwischen der Kaliumzone und der mittleren Zone mit einer Substanz verstopft war, die nach optischer Begutachtung einem vielfasrigen KPI5 glich. In der mittleren Zone wurden dünne rote Beschläge, ein dickerer dunkelroter Beschlag und eine Reihe relativ grosser monolitischer Substanzstücke festgestellt. Die beiden grössten Stücke hatten je eine Länge von rund 4 cm, eine Breite von 1 cm und eine maximale Stärke von ungefähr 4 mm. Jeweils eine Seite jedes dieser Stücke war relativ eben, während die gegenüberliegende Seite konvex war, da diese Seite aufliegend auf den runden Wänden des Reaktionsrohres gewachsen ist. The reactor tube 119 is then sawn open under dry nitrogen, using a silicon carbide cutting disc. This shows that the nozzle 122 between the potassium zone and the central zone was blocked with a substance which, according to optical assessment, resembled a multi-fiber KPI5. Thin red fittings, thicker dark red fittings and a number of relatively large pieces of monolithic substance were found in the central zone. The two largest pieces each had a length of around 4 cm, a width of 1 cm and a maximum thickness of about 4 mm. One side of each of these pieces was relatively flat, while the opposite side was convex, since this side grew on the round walls of the reaction tube.

Die Nassanalyse dieses Materials zeigte, dass die Substanz einen extrem niedrigen Kaliumgehalt aufweist, und zwar nach einer Analyse der Substanz weniger als 60 ppm. Die elektronenspektroskopische Untersuchung und Analyse (ESCA) zeigt, dass der Kaliumgehalt dieser Substanz mit zunehmender Entfernung von den Reaktorrohrwänden, auf denen der Niederschlag sich zunächst zu bilden begann, Wet analysis of this material showed that the substance has an extremely low potassium content, after analysis of the substance less than 60 ppm. Electron spectroscopic examination and analysis (ESCA) shows that the potassium content of this substance increases with distance from the reactor tube walls on which the precipitate initially began to form

rasch abnimmt. Bei 10 nm Entfernung beträgt das Verhältnis P/K bereits ungefähr 50. Die ESCA-Messungen des P-K-Verhältnisses auf der abschliessenden Oberfläche des niedergeschlagenen Materials zeigt einen Wert in der Grössenordnung von 1000. Die röntgenographischen Untersuchungen zeigen, dass die Substanz amorph ist. decreases rapidly. At a distance of 10 nm, the P / K ratio is already approximately 50. The ESCA measurements of the P-K ratio on the final surface of the deposited material show a value of the order of 1000. The X-ray studies show that the substance is amorphous.

Beispiel VII Example VII

Unter trockenem Stickstoff werden 0,19 g Kalium-schmelze (99,95% rein) in einen der äusseren Abschnitte 128 (5 cm lang) eines Pyrex-Schiffchens 112 (Fig. 15) gegeben. Das Metall wird dort zum Erstarren gebracht. Zwei ebene Glassubstrate 114 (vgl. Fig. 7) von je ungefähr 7,5 cm Länge und 1 cm Breite werden Seite an Seite so in das Schiffchen gelegt, dass sie den 15,3 cm langen Mittelabschnitt 130 füllen. Dann werden 1,36 g Phorphor (99,9999% rein; erhalten von Johnson Matthey) auf der gegenüberliegenden Seite 132 des Schiffchens eingetragen. Der Phosphor ist körnig, und zwar mit gemischter Korngrösse. Der körnige Phosphor ist fliessfähig und füllt den Boden des Abschnitts 132 des Schiffchens ohne weiteres aus. Die ebenfalls aus Pyrex-Glas bestehenden Querteiler 113 verhindern, dass der Phosphor und das Kalium sowie die Substrate im Schiffchen 112 ineinan-derrutschen. Das insgesamt 35 cm lange Schiffchen 112 wird dann vorsichtig in ein als Reaktorkammer 134 dienendes Py-rex-Rohr geschoben, das 60 cm lang ist und einen Durchmesser von 2,5 cm hat (Fig. 7). Das Schiffchen wird soweit in das Reaktorrohr eingeschoben, bis der Abschnitt 128 des Schiffchens, das mit dem KaHum gefüllt ist, an dem runden Boden 136 des einseitig geschlossenen Pyrex-Rohrs 134 an-stösst. Ein aus Butadyennitrilkautschuk bestehender O-Ring der Grösse 124 wird dann in die O-Ring-Kupplung 102 eingelegt. Das Teflon-Stellventil 106 (ChemVac, Ine) wird dann Under dry nitrogen, 0.19 g of potassium melt (99.95% pure) are placed in one of the outer sections 128 (5 cm long) of a Pyrex boat 112 (FIG. 15). The metal is solidified there. Two flat glass substrates 114 (see FIG. 7), each about 7.5 cm long and 1 cm wide, are placed side by side in the boat so that they fill the 15.3 cm long central section 130. Then 1.36 g of phorphor (99.9999% pure; obtained from Johnson Matthey) are introduced on the opposite side 132 of the boat. The phosphorus is granular, with a mixed grain size. The granular phosphorus is flowable and easily fills the bottom of section 132 of the boat. The cross dividers 113, which are also made of Pyrex glass, prevent the phosphorus and the potassium as well as the substrates in the boat 112 from slipping into one another. The boat 112, which is a total of 35 cm long, is then carefully pushed into a Pyrex tube which serves as the reactor chamber 134 and is 60 cm long and 2.5 cm in diameter (FIG. 7). The boat is pushed into the reactor tube until the section 128 of the boat, which is filled with the KaHum, abuts the round bottom 136 of the Pyrex tube 134, which is closed on one side. An size 124 O-ring made from butadiene nitrile rubber is then inserted into the O-ring coupling 102. The Teflon control valve 106 (ChemVac, Ine) is then

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

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55 55

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65 65

13 13

672 778 672 778

fest verschlossen. Nach Anschluss an eine Vakuumleitung wird dann das Stellventil 106 wieder geöffnet und die Kammer auf einen Druck von 10~3 mbar abgepumpt. Nach Erreichen dieses Drucks wird das Ventil wieder geschlossen und die Reaktorkammer dadurch hermetisch abgeschlossen. tightly closed. After connecting to a vacuum line, the control valve 106 is then opened again and the chamber is pumped down to a pressure of 10-3 mbar. After reaching this pressure, the valve is closed again and the reactor chamber is hermetically sealed.

Die Reaktorkammer ist in einem Dreizonenofen (Lindberg, Modell 54357-S) angeordnet. In der in Fig. 7 gezeigten Weise sind zwei Bänder 137 und 139 aus Glasfasergewebe spiralig um das Rohr herumgewunden und tragen das Reaktorrohr an den Übergängen von der Zone 1 zur Zone 2 und von der Zone 2 zur Zone 3. Diese Bandwickel bilden Wärmeschranken (TB) und sind so angeordnet, dass sie gerade vollständig innerhalb der mittleren Zone des Ofens liegen. Ein dritter spiralig aufgewickelter Bandwickel 138 dient als Träger und Wärmeisolation an der Stelle, an der das Reaktorrohr aus der Heizkammer des Ofens austritt. Ein zylindrischer Stopfen 140 aus einem keramikähnlichen Werkstoff dient der Verminderung von Wärmeverlusten aus der gegenüberliegenden Ofenöffnung. The reactor chamber is arranged in a three-zone furnace (Lindberg, model 54357-S). In the manner shown in FIG. 7, two ribbons 137 and 139 made of glass fiber fabric are spirally wound around the tube and carry the reactor tube at the transitions from zone 1 to zone 2 and from zone 2 to zone 3. These ribbon windings form thermal barriers (TB ) and are arranged so that they are completely within the central zone of the furnace. A third spirally wound tape roll 138 serves as a support and thermal insulation at the point where the reactor tube exits the furnace heating chamber. A cylindrical plug 140 made of a ceramic-like material serves to reduce heat losses from the opposite furnace opening.

Die Anordnung ist dabei so bemessen, dass der Abschnitt 128 des Schiffchens 112, der das Kalium enthält, im Bereich der dritten Ofenzone liegt, während der Abschnitt 130, der die Substrate enthält, im mittleren Bereich, d.h. in der zweiten Heizzone des Ofens liegt, und der Abschnitt 132 des Schiffchens, der den Phosphor enthält, in der ersten Heizzone des Ofens liegt. Ausserdem ragt ein relativ grosser Abschnitt der Reaktoranlage aus dem Ofen heraus und befindet sich auf Raumtemperatur. The arrangement is dimensioned such that section 128 of boat 112, which contains the potassium, lies in the region of the third furnace zone, while section 130, which contains the substrates, lies in the central region, i.e. lies in the second heating zone of the furnace, and the section 132 of the boat containing the phosphorus lies in the first heating zone of the furnace. In addition, a relatively large section of the reactor plant protrudes from the furnace and is at room temperature.

Die drei Heizzonen des Ofens werden computergesteuert (Honeywell, Modell DCT 7700). Während einer Aufwärmperiode wird die Temperatur in den drei Heizzonen auf 100, 150 und 100 °C in der Phosphorzone, der Substratzone und der Kaliumzone gebracht. Anschliessend wird so schnell wie möglich, und zwar angenähert in 18 min, auf das Solltemperaturprofil von 500, 300, 400 °C aufgeheizt. Das Solltemperaturprofil wird für ungefähr 8 h aufrechterhalten. Der Ofen kühlt anschliessend mit Eigencharakteristik ab, bis das Temperaturprofil 100, 100, 100 °C nach ungefähr 10 h erreicht wird. Man lässt den Ofen dann weiter bis auf Raumtemperatur auskühlen. The three heating zones of the oven are computer controlled (Honeywell, model DCT 7700). During a warm-up period, the temperature in the three heating zones is brought to 100, 150 and 100 ° C. in the phosphor zone, the substrate zone and the potassium zone. The mixture is then heated to the target temperature profile of 500, 300, 400 ° C as quickly as possible, approximately in 18 minutes. The set temperature profile is maintained for approximately 8 hours. The furnace then cools down with its own characteristics until the temperature profile 100, 100, 100 ° C is reached after about 10 hours. The oven is then allowed to cool further to room temperature.

Nach Erreichen von Raumtemperatur wird das Reaktorrohr 134 aus dem Ofen genommen. Der ausserhalb des Ofens liegende Rohrabschnitt enthält Ablagerungen von weissen, gelben und gelb-roten Substanzen, bei denen es sich mit grosser Wahrscheinlichkeit um Phosphor in verschiedenen Polymerisationsgraden handelt. Die Heizzone, die ursprünglich den Phosphor enthielt, war zu diesem Zeitpunkt frei von Substanz. Dagegen enthielt die Kaliumzone die verschiedensten Substanzen, deren Farben von dunkelbraun über gelb bis orange variierten. After reaching room temperature, the reactor tube 134 is removed from the furnace. The pipe section outside the furnace contains deposits of white, yellow and yellow-red substances, which are most likely phosphorus in various degrees of polymerization. The heating zone, which originally contained the phosphorus, was free of substance at this point. In contrast, the potassium zone contained a wide variety of substances, the colors of which varied from dark brown to yellow to orange.

Die Substanzen der Kaliumzone erstreckten sich auch geringfügig in den Bereich der Mittelzone hinein, die im übrigen über ihre halbe Länge, angrenzend an die Kaliumzone, mit einem dunklen Belag bedeckt war, der für Rotlicht durchlässig ist, wenn eine entsprechende Lichtquelle in Durchsicht betrachtet wurde. Der verbleibende Rest der Mittelzone des Schiffchens war frei von Substanz. Das Reaktorrohr wird unter trockenem Stickstoff geöffnet, das Schiffchen 112 herausgezogen und die mit dem roten Belag bedeckten Substrate aus dem Schiffchen herausgenommen und zur späteren Analyse in ein festverschlossenes Gefäss gegeben. Wenn das im Reaktorrohr verbleibende Material der Umgebungsluft ausgesetzt wird, verbrennen die Phosphorablagerungen in den freigegebenen Bereichen des Rohres relativ heftig, selbst wenn jene Bereiche, die der Phosphorquelle am nächsten lagen, keine so starke Reaktionsfähigkeit zeigten. Die in der Kaliumzone bzw. im Bereich der Kaliumquelle verbliebenen Substanzen reagierten heftig, wenn sie dem The substances in the potassium zone also extended slightly into the area of the central zone, which was otherwise covered over its half length, adjacent to the potassium zone, with a dark coating which is transparent to red light when a corresponding light source was viewed in a transparent manner. The rest of the center of the boat was substance-free. The reactor tube is opened under dry nitrogen, the boat 112 is pulled out and the substrates covered with the red coating are removed from the boat and placed in a tightly closed vessel for later analysis. When the material remaining in the reactor tube is exposed to the ambient air, the phosphor deposits in the released areas of the tube burn relatively violently, even if those areas closest to the phosphorus source did not show as much reactivity. The substances remaining in the potassium zone or in the area of the potassium source reacted violently if they did so

Einfluss von Feuchtigkeit ausgesetzt wurden. Meistens brannten sie heftig ab, was offensichtlich auf die Bildung von Wasserstoff durch Wasserreduktion zurückzuführen ist. Exposure to moisture. Most of them burned down violently, which is obviously due to the formation of hydrogen through water reduction.

Für die Herstellung der dunklen, rotlichtdurchlässigen Schichten sind Grenzbedingungen gesetzt. Wenn die Temperaturen in den beiden Quellenzonen geringfügig abgesenkt werden wie beispielsweise im Versuch Nr. 49 in der Tabelle XII, nimmt die Menge des gebildeten Produktmaterials drastisch ab, was sich in einer Verkürzung der Länge des Belags bzw. des Niederschlags in der Mittelzone äussert. In gleicher Weise sind die feinen Unterschiede in den Leistungskenndaten der beiden ansonsten identischen Modelle der Dreizonenöfen, die für diese Versuche eingesetzt werden, zu beachten. So musste beispielsweise im zweiten Ofen (B) die Temperatur der Phosphorquelle höher gehalten werden (vgl. Versuche Nr. 50, 51 und 52). Die Erhöhung der Temperatur der Phosphorquelle auf 550 °C führt zu guten Ergebnissen, während eine Erhöhung auf lediglich 225 °C zu wesentlich besseren Ergebnissen führt. Boundary conditions are set for the production of the dark, red-translucent layers. If the temperatures in the two source zones are slightly reduced, for example in Experiment No. 49 in Table XII, the amount of product material formed decreases drastically, which is reflected in a reduction in the length of the deposit or the precipitation in the central zone. In the same way, the subtle differences in the performance characteristics of the two otherwise identical models of the three-zone furnaces used for these tests must be taken into account. For example, the temperature of the phosphorus source had to be kept higher in the second oven (B) (cf. Experiments No. 50, 51 and 52). Increasing the temperature of the phosphorus source to 550 ° C leads to good results, while increasing to only 225 ° C leads to much better results.

Die Analyse der in den Versuchen Nr. 46, 47 und 48 erhaltenen Substanzen wird mit einem Rasterelektronenmikroskop unter Ausnutzung der Elektronenbeugungsanalyse (SEM-EDAX) durchgeführt. Die Analyse zeigte, dass es sich bei den Schichten um KP15-Schichten mit einer Stärke in der Grössenordnung von 6 bis 7 ^m handelt. Die Schichten sind amorph, ohne dass sich in den rasterelektronischen Mikroaufnahmen irgendwelche Strukturelemente erkennen lassen. The analysis of the substances obtained in experiments No. 46, 47 and 48 is carried out with a scanning electron microscope using the electron diffraction analysis (SEM-EDAX). The analysis showed that the layers are KP15 layers with a thickness of the order of 6 to 7 ^ m. The layers are amorphous without any structural elements being recognizable in the scanning electronic micrographs.

(3) Die Verwendung von Wärmeschranken zur verbesserten Gestaltung der Temperaturgradienten; (3) The use of thermal barriers to improve temperature gradient design;

(4) Verwendung von Wärmestopfen an den Stirnseiten des Ofenrohrs; und (4) using heat plugs on the face of the stovepipe; and

(5) Verwendung von Rohrverlängerungsabschnitten mit engerem Querschnitt zur Herstellung zylindrischer Substanzstücke. (5) Use of tube extension sections with a narrower cross section for the production of cylindrical substance pieces.

Für das Einquellen-Dampfphasen-Transportverfahren sind die folgenden Verfahrensparameter zu beachten: The following process parameters must be observed for the single-source vapor phase transport process:

(1) Reaktionszonentemperaturen im Bereich von 650 bis 550 °C; die kalte Niederschlagszone soll Temperaturen im Bereich von 450 bis 300 °C haben; (1) reaction zone temperatures in the range of 650 to 550 ° C; the cold precipitation zone should have temperatures in the range of 450 to 300 ° C;

(2) Die Niederschlagstemperatur für KP15-Einkristalle liegt in einem Bereich von ± 25 °C um einen Zentralwert von 465 bis 475 °C herum. (2) The precipitation temperature for KP15 single crystals is in a range of ± 25 ° C around a central value of 465 to 475 ° C.

(3) Die Niederschlagstemperatur für polykristalline Schichten liegt im Bereich von 455 °C bis herab zu 375 °C; (3) The precipitation temperature for polycrystalline layers is in the range from 455 ° C down to 375 ° C;

(5) Die Niederschlagstemperatur für die amorphen Formen der neuen Phosphorformen liegen im Bereich von ungefähr 375 °C bis herunter zu mindestens 300 °C (noch tiefere Temperaturen hat die Anmelderin bislang noch nicht geprüft). (5) The precipitation temperature for the amorphous forms of the new phosphor forms are in the range from approximately 375 ° C down to at least 300 ° C (the applicant has not yet tested any lower temperatures).

Der Rahmen für die Verfahrensparameter für das Zwei-quellen-Dampfphasen-Transportverfahren zur Herstellung von massiven KP, 5-Substanzstücken in einer Vorrichtung gemäss Fig. 4 können wie folgt angegeben werden: Phosphor-Quellentemperatur bei 450 °C, Kalium-Quellentemperatur bei 450 °C und Niederschlagszone bei 300 °C. Die Niederschläge sind relativ dicke Schichten aus Mischungen von polykristallinem und amorphem KPI5. Zur Herstellung von stückigem amorphem KPX (x sehr viel grösser als 15; eine neue Form des Phosphors; Vorrichtung gemäss Fig. 9) Phosphor bei 500 °C, Kalium bei 700 °C und Niederschlagszone bei 355 °C. Die Kaliumquelle neigt zum Verstopfen, der Niederschlag ist massives amorphes KPX. Für dünne amorphe KP15-Schichten (Vorrichtung gemäss Fig. 7): Phosphor bei 500 °C, Kalium bei 400 °C und Substrat bei 300 °C. The framework for the process parameters for the two-source vapor phase transport process for the production of solid KP, 5-substance pieces in a device according to FIG. 4 can be specified as follows: phosphorus source temperature at 450 ° C., potassium source temperature at 450 ° C and precipitation zone at 300 ° C. The precipitates are relatively thick layers of mixtures of polycrystalline and amorphous KPI5. For the production of lumpy amorphous KPX (x much larger than 15; a new form of phosphor; device according to FIG. 9) phosphor at 500 ° C, potassium at 700 ° C and precipitation zone at 355 ° C. The potassium source tends to clog, the precipitate is massive amorphous KPX. For thin amorphous KP15 layers (device according to FIG. 7): phosphorus at 500 ° C, potassium at 400 ° C and substrate at 300 ° C.

Für dünne Schichten von KP15, kann die Temperatur der Phosphorquelle bis auf 525 °C angehoben werden, wobei noch immer amorphes KP15 gebildet wird. Wenn die Temperatur der Phosphorquelle unter 475 °C abfällt, wird in dem For thin layers of KP15, the temperature of the phosphorus source can be raised up to 525 ° C, whereby amorphous KP15 is still formed. If the temperature of the phosphorus source drops below 475 ° C, in the

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

672 778 672 778

14 14

System kein KP]5 mehr erhalten. Wenn die Temperatur der Kaliumquelle unter 375 °C abfällt, wird im System ebenfalls kein KP15 mehr erhalten. Die Substrattemperatur kann bis auf 315 °C angehoben werden, wobei auch bei dieser Temperatur noch gute Ausbeuten an KP15 erhalten werden. KP15 wird nicht mehr erhalten, wenn die Substrattemperatur auf über 325 °C angehoben wird. System no KP] 5 received. If the temperature of the potassium source drops below 375 ° C, the KP15 will also no longer be retained in the system. The substrate temperature can be raised to 315 ° C, with good yields of KP15 being obtained even at this temperature. KP15 will no longer be obtained if the substrate temperature is raised above 325 ° C.

Herstellung von polykristallinen Metallphosphiden in grossen Mengen nach dem Verfahren der Festkörperreaktion Production of polycrystalline metal phosphides in large quantities by the solid-state reaction process

Selbst wenn die Alkalimetallpolyphosphide vom Typ MP15, MP7 und MPn nicht in einem physikalischen Zustand hergestellt werden können, der ein direktes Ausnutzen der in günstigem Bereich liegenden Halbleitereigenschaften ermöglicht, so können diese Substanzen jedoch in Gramm-Mengen und grösseren Mengen durch das als Festkörperreaktion bekannte Verfahren hergestellt werden. Vor Durchführung des Verfahrens werden die Reaktionskomponenten gut in einer Kugelmühle miteinander vermischt. Mengen in der Grössenordnung von 10 und mehr Gramm der Elemente werden in dem benötigten molaren Atomverhältnis von Phosphor zu Metall, beispielsweise P/M 15 zu 1 für MP15, unter Stickstoff in eine Kugelmühle gegeben. Nach dem festen Verschliessen der Kugelmühle wird mindestens 14 h gemahlen, um die aufgegebenen Ausgangselemente zu zerkleinern, zu homogenisieren und in ein freifliessendes Pulver zu überführen. Dabei werden die Kugelmühlen während des Mahlens vorzugsweise ungefähr 20 h auf ungefähr 100 °C erwärmt. Durch diese Massnahme kann die Fliessfähigkeit der Metallkomponente während des Mahlens verbessert werden. Even if the alkali metal polyphosphides of the types MP15, MP7 and MPn cannot be produced in a physical state that enables direct exploitation of the semiconductor properties, which are in a favorable range, these substances can, however, in gram quantities and larger quantities by the process known as the solid-state reaction getting produced. Before the process is carried out, the reaction components are mixed well with one another in a ball mill. Amounts of the order of 10 and more grams of the elements are placed in a ball mill under nitrogen in the required molar atomic ratio of phosphorus to metal, for example P / M 15 to 1 for MP15. After the ball mill has been firmly closed, milling is carried out for at least 14 hours in order to comminute, homogenize and convert the starting elements into a free-flowing powder. The ball mills are preferably heated to approximately 100 ° C. for approximately 20 hours during milling. This measure can improve the flowability of the metal component during milling.

Ein Teil des gemahlenen Gemischs, im allgemeinen mindestens 10 g, wird in eine Quarzampulle überführt und unter trockenem Stickstoff verschlossen. Die Quarzampulle hat üblicherweise einen Durchmesser von ungefähr 2,5 cm und eine Länge im Bereich von 6,5 bis 25 cm, je nach der Grösse der zu verarbeitenden Beschickung. Die Ampulle wird unter vermindertem Druck, im allgemeinen bei Drücken von kleiner als 10~4 mbar, verschlossen. A portion of the milled mixture, generally at least 10 g, is transferred to a quartz vial and sealed under dry nitrogen. The quartz ampoule usually has a diameter of approximately 2.5 cm and a length in the range from 6.5 to 25 cm, depending on the size of the feed to be processed. The ampoule is closed under reduced pressure, generally at pressures of less than 10 -4 mbar.

Die Reaktion wird dabei in der Weise durchgeführt, dass die verschlossene Ampulle unter isothermen Bedingungen erwärmt wird, bis eine Temperatur im Bereich von 500 bis 525 °C erreicht ist. Unter «isothermen Bedingungen» ist dabei im Rahmen der Beschreibung gemeint, dass die gesamte Masse des Materials, soweit dies möglich und durchführbar ist, stets die gleiche Temperatur hat, um einen Dampftransport von heissen zu kalten Bereichen in der Beschickung zu unterdrücken, die Anlass zur Bildung nicht homogener Reaktionsprodukte geben würde. Die höchste Temperatur, bei der die Beschickung getempert wird, wird längere Zeit aufrechterhalten, wobei sich während dieser Verweilzeit bei der Tempertemperatur das pulvrige polykristalline oder das grobkristalline Produkt bildet. Die Verweilzeit beim Tempern beträgt in der Regel 72 h. Je länger die Reaktion bei der Tempertemperatur durchgeführt wird, desto kristalliner wird das Produkt, was sich in einer Vergrösserung der Korngrös-se, einem Schärferwerden der Röntgenbeugungsreflexe und in anderen entsprechenden Kenndaten äussert. Das Abkühlen des heissen Reaktionsrohres bzw. der Ampulle auf Raumtemperatur erfolgt üblicherweise über eine längere Abkühlperiode, die vorzugsweise im Bereich von grösser als 10 h liegt. Dabei ist das langsame Abkühlen nicht für die Reaktion von Bedeutung, sondern verhindert ein Springen der Quarzampulle aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des gebildeten Produkts und des Werkstoffs der Ampulle, nämlich des Quarzes. The reaction is carried out in such a way that the sealed ampoule is heated under isothermal conditions until a temperature in the range from 500 to 525 ° C. is reached. In the context of the description, “isothermal conditions” means that the entire mass of the material, as far as this is possible and feasible, is always at the same temperature in order to suppress the transport of steam from hot to cold areas in the feed, which is the reason for this Formation of non-homogeneous reaction products would give. The highest temperature at which the feed is annealed is maintained for a long time, during which time the powdery polycrystalline or the coarse crystalline product forms at the annealing temperature. The dwell time for annealing is usually 72 hours. The longer the reaction is carried out at the annealing temperature, the more crystalline the product becomes, which results in an increase in the grain size, a sharpening of the X-ray diffraction reflections and other corresponding characteristic data. The cooling of the hot reaction tube or the ampoule to room temperature usually takes place over a longer cooling period, which is preferably in the range of greater than 10 h. The slow cooling is not important for the reaction, but prevents cracking of the quartz ampoule due to different coefficients of thermal expansion of the product formed and the material of the ampoule, namely the quartz.

Sowohl die Aufheizperiode als auch die Abkühlperiode sollten nach Möglichkeit relativ lang, vorzugsweise mindestens 10 h, ausgelegt werden mit einer Temperphase bei Zwischentemperaturen von beispielsweise 200, 300, 400, 450 °C für 4 bis 6 h. Wenn diese Regeln nicht beachtet werden, neigen die verschlossenen Ampullen zum Explodieren. Die Produkte der Festkörperreaktionen sind jedoch die gleichen wie 5 beim langsamen Abkühlen mit der Ausnahme, dass die geringen Mengen Restphosphor weiss statt rot sind. Both the heating period and the cooling period should, if possible, be designed to be relatively long, preferably at least 10 hours, with a tempering phase at intermediate temperatures of, for example, 200, 300, 400, 450 ° C. for 4 to 6 hours. If these rules are not followed, the sealed ampoules tend to explode. However, the products of the solid state reactions are the same as 5 for slow cooling, with the exception that the small amounts of residual phosphorus are white instead of red.

Beispiel VIII Example VIII

19,5 g eines in der Kugelmühle vermahlenen Gemisches 10 von analysenreinem Phosphor und Kalium in einem molaren Atomverhältnis von 15 zu 1 werden in eine Quarzampulle mit einer Länge von 6,5 cm und einem Durchmesser von 2,5 cm gegeben. Die Ampulle läuft in einen 8 cm langen Ansatz aus, der einen Durchmesser von 1,0 cm aufweist. Die 15 Beschickung erfolgt in einer trockenen Stickstoffatmosphäre. Die Ampulle wird dann unter vermindertem Druck (10—4 mbar) abgeschmolzen, wobei ungefähr 1 cm des verengten Bereichs stehenbleibt. 19.5 g of a mixture 10 of analytically pure phosphorus and potassium ground in a ball mill in a molar atomic ratio of 15 to 1 are placed in a quartz ampoule with a length of 6.5 cm and a diameter of 2.5 cm. The ampoule ends in an 8 cm long neck, which has a diameter of 1.0 cm. The feed is carried out in a dry nitrogen atmosphere. The ampoule is then melted under reduced pressure (10-4 mbar), leaving about 1 cm of the narrowed area.

Die verschlossene rohrförmige Ampulle wird in der Mit-20 telzone eines Dreizonenofens (Lindberg, Modell 54357) in einem zweiten Quarzrohr bzw. einer Auskleidung gehaltert, die ihrerseits auf der Mittelachse des Ofenrohrs auf Asbestblöcken gelagert ist. Die Heizelemente des Dreizonenofens werden von einem Computer gesteuert (Honeywell, Modell 25 DCP 7700), durch den ein vorprogrammiertes Heizprogramm reproduzierbar gesteuert werden kann. Das Reaktionsrohr bzw. die Ampulle werden dabei reproduzierbar dem folgenden Temperaturverlauf unterworfen: 100 DC, lh; 450 °C, 6h; 500 °C, 18h; 525 °C, 72h; 300 °C, 2h und 200 °C, 30 4h. Wenn alle drei Zonen des Ofens auf die gleiche Temperatur eingerichtet werden, ist die Mittelzone des Ofens ausserordentlich gut isotherm, und zwar mit einer Temperaturvarianz von kleiner als 1 °C über die gesamte Zone. The sealed tubular ampoule is held in the middle zone of a three-zone oven (Lindberg, model 54357) in a second quartz tube or lining, which in turn is mounted on asbestos blocks on the central axis of the oven tube. The heating elements of the three-zone oven are controlled by a computer (Honeywell, model 25 DCP 7700), which can be used to reproducibly control a pre-programmed heating program. The reaction tube or the ampoule are reproducibly subjected to the following temperature profile: 100 DC, 1h; 450 ° C, 6h; 500 ° C, 18h; 525 ° C, 72h; 300 ° C, 2h and 200 ° C, 30 4h. If all three zones of the furnace are set to the same temperature, the central zone of the furnace is extremely isothermal, with a temperature variance of less than 1 ° C over the entire zone.

Nach dem Wiederabkühlen des Ofens auf Umgebungs-35 temperato mit Eigencharakteristik wird die Ampulle aus dem Ofen genommen und unter trockenem Stickstoff mit einer Siliciumcarbidsäge geöffnet. Aus der Ampulle wird eine dunkelpurpurrote polykristalline Masse entnommen. Die Nassanalyse des Produktes zeigt ein P/K-Verhältnis von un-40 gefähr 14,2 zu 1, wobei dieser Wert innerhalb einer Genauigkeit von ungefähr 6% dem theoretischen Wert von 15 zu 1 entspricht. After the furnace has cooled down again to ambient temperature 35 with its own characteristics, the ampoule is removed from the furnace and opened under dry nitrogen with a silicon carbide saw. A dark purple polycrystalline mass is removed from the ampoule. The wet analysis of the product shows a P / K ratio of around 40.2 to 14.2 to 1, this value corresponding to the theoretical value of 15 to 1 within an accuracy of approximately 6%.

Während für diese Kristallzüchtung die Art des eingesetzten Alkalimetalls nichts besonders kritisch zu sein 45 scheint, ist die Temperatur auf der die Beschickung gehalten wird, offensichtlich von grösserer Bedeutung für das Kristallwachstum. Im Fall der Beschickung Cs/Pu, wobei die Beschickung zuvor in der Kugelmühle gemahlen und vermischt worden ist, werden grosse Einkristalle dann erhalten, 50 wenn die Beschickung auf einer Temperatur im Bereich von 555 °C bis 554 °C gehalten wird. Wenn die Beschickung jedoch auf Temperaturen um 565 °C oder um 554 °C gehalten wird, können keine grossen monoklinen Phosphoreinkristalle mehr hergestellt werden. While the type of alkali metal used does not appear to be particularly critical for this crystal growth 45, the temperature at which the feed is kept is obviously of greater importance for crystal growth. In the case of the Cs / Pu feed, where the feed was previously ball milled and mixed, large single crystals are obtained when the feed is kept at a temperature in the range of 555 ° C to 554 ° C. However, if the feed is kept at temperatures around 565 ° C or around 554 ° C, large monoclinic phosphor single crystals can no longer be produced.

55 In der Fig. 11 ist die vorzugsweise eingesetzte Apparatur abgebildet, mit der die Versuche durchgeführt werden. 55 FIG. 11 shows the preferably used apparatus with which the tests are carried out.

Durch Festkörperreaktion hergestelltes RbPi5 in einer Menge von 0,6 g wird im Vakuum in ein Glasroh 270 eingeschmolzen, das einen Aussendurchmesser von 12 mm, einen 60 Innendurchmesser von 6 mm und eine Länge von 8 cm hat. Die Glasampulle wird an ihrer Oberseite in der Weise abgeschmolzen, dass eine im Durchmesser 16 mm messende flache Glasoberfläche 272 erhalten wird. Ein Einzelstutzen 274 ist mit einer Verengung 276 versehen, an der die Ampulle 65 nach der Beschickung abgeschmolzen wird. RbPi5 produced by solid-state reaction in an amount of 0.6 g is melted in a vacuum into a glass tube 270 which has an outer diameter of 12 mm, a 60 inner diameter of 6 mm and a length of 8 cm. The top of the glass ampoule is melted in such a way that a flat glass surface 272 measuring 16 mm in diameter is obtained. A single nozzle 274 is provided with a constriction 276, on which the ampoule 65 is melted off after loading.

Die so gefüllte und abgeschmolzene Ampulle wird in der Weise einem Temperaturgradienten ausgesetzt, dass die flache Oberfläche 272 am oberen Abschnitt der Ampulle bzw. The ampoule filled and melted in this way is exposed to a temperature gradient in such a way that the flat surface 272 at the upper section of the ampoule or

15 15

672 778 672 778

des Reaktorrohres auf einer Temperatur von 462 °C gehalten wird, während die Beschickung am Boden des Rohres auf einer Temperatur von 550 C gehalten wird. Nach einer Verweilzeit von 140 h bei dieser Temperatur ist ungefähr die Hälfte der ursprünglich aufgegebenen Beschickung vom Boden zur flachen oberen Oberfläche transportiert worden. of the reactor tube is kept at a temperature of 462 ° C, while the feed at the bottom of the tube is kept at a temperature of 550 ° C. After a dwell time of 140 hours at this temperature, approximately half of the feed originally abandoned has been transported from the floor to the flat upper surface.

Als Produkt wird ein knopfartiges Substanzstück erhalten, das gespalten und geprüft wird. Dieses Substanzstück besteht praktisch ausschliesslich aus homogenen hellroten Fasern und nicht den eigentlich erwarteten grossen monokli-nen Phosphoreinkristallen. A button-like piece of substance is obtained as the product, which is split and tested. This piece of substance consists practically exclusively of homogeneous light red fibers and not the large monoclinic phosphor single crystals actually expected.

Die differential-thermoanalytischen Daten sind ähnlich den Daten, die für polykristallines Material mit hohen x-Werten im System MPX erhalten wurden. Die DTA-Untersu-chungen zeigten ein erstes Wärmeplateau in Form eines einzelnen endothermen Niveaus bei 622 °C (im Mittel). Ein zweites Wärmeplateau besteht aus einem einzigen endothermen Niveau in beiden Fällen bei 599 °C. Die früher an polykristallinem Material mit grossen X-Werten aufgenommenen DTA-Daten sicherten für dieses Material ein erstes nicht aufgespaltenes endothermes Plateau bei 614 °C und ein zweites, ebenfalls nicht aufgespaltenes endothermes Wärmeplateau bei 590 °C. Mit anderen Worten, die DTA-Untersu-chungen an den verdrillten Fasern zeigten im wesentlichen gleiche Ergebnisse wie sie für faserigen Phosphor erhalten werden, der aus 99,9999% reinem roten Phosphor und polykristallinem phosphorreichen Material des Systems MPX erhalten werden. Stabile dünne Schichten in Form amorpher Beschichtungen auf Glas und nickelbeschichtetem Glas als Substratmaterial können nach dem Verfahren der raschen Verdampfung hergestellt werden («Blitzverdampfung»). Eine Vorrichtung, mit der solche rasche Verdampfung durchgeführt werden kann, ist in der Fig. 12 dargestellt. Die Verdampfungsvorrichtung 302 besteht im wesentlichen aus einem Glaszylinder 304, der über eine Leitung 306 an ein in der Fig. nicht dargestelltes Vakuumsystem angeschlossen werden kann. Der Einlassstutzen 308 wird mit Argon über eine Zuleitung 310 beaufschlagt. Ein Reservoir 312 wird mit pulverigem KP15 beschickt, das zuvor durch Festkörperreaktion hergestellt worden ist. Mit einem Vibrator 314 wird die Beschickung bewegt. Die aufgerüttelte Beschickung wird dann durch den Argonstrom über die Venturi-Düse 316 mitgenommen. Die mitgenommene Beschickungssubstanz gelangt dann in den Reaktor 304, und zwar über die Zuleitung The differential thermoanalytical data are similar to the data obtained for polycrystalline material with high x values in the MPX system. The DTA examinations showed a first heat plateau in the form of a single endothermic level at 622 ° C (on average). A second heat plateau consists of a single endothermic level in both cases at 599 ° C. The DTA data previously recorded on polycrystalline material with large X values secured for this material a first, non-split endothermic plateau at 614 ° C and a second, also non-split endothermic heat plateau at 590 ° C. In other words, the DTA studies on the twisted fibers showed essentially the same results as those obtained for fibrous phosphorus obtained from 99.9999% pure red phosphorus and polycrystalline phosphorus-rich material of the MPX system. Stable thin layers in the form of amorphous coatings on glass and nickel-coated glass as substrate material can be produced using the rapid evaporation method («flash evaporation»). A device with which such rapid evaporation can be carried out is shown in FIG. 12. The evaporation device 302 essentially consists of a glass cylinder 304 which can be connected via a line 306 to a vacuum system, not shown in the figure. The inlet connection 308 is supplied with argon via a feed line 310. A reservoir 312 is charged with powdery KP15, which has previously been produced by a solid-state reaction. The feed is moved with a vibrator 314. The shaken feed is then carried along by the argon stream through the venturi 316. The entrained feed substance then enters reactor 304 via the feed line

317 in ein Stahlgefass 318. Das stählerne Aufnahmegeflss 317 in a steel vessel 318. The steel receptacle

318 wird durch eine Hochfrequenzspule 319 auf eine Temperatur von mindestens 900 °C aufgeheizt, wobei das im Argonstrom mitgeführte KP1S augenblicklich verdampft. Am Ende der Leitung 317 sind durch Einsetzen mehrerer eng-mensurierter Röhrchen Düsen 320 mit mehreren kleinen Öffnungen 321 angeordnet. Die Leitung 317 und die Röhrchen 320 bestehen auf Aluminiumoxid, wobei die Röhrchen 320 mit Magnesiumoxidzement 322 im Rohr 317 verankert sind. 318 is heated to a temperature of at least 900 ° C. by a high-frequency coil 319, the KP1S carried in the argon stream evaporating immediately. At the end of the line 317, nozzles 320 with a plurality of small openings 321 are arranged by inserting a plurality of narrow-sized tubes. The line 317 and the tubes 320 are made of aluminum oxide, the tubes 320 being anchored in the tube 317 with magnesium oxide cement 322.

Bei der Verdampfung dissoziiert das KPI5 in seine Bestandteile. Der so gebildete Dampf wird vom Argon durch die düsenartigen Öffnungen 321 ausgetragen. Auf einem vor den Düsen angeordneten kühleren Substrat 324 wird dann die Produktschicht niedergeschlagen. Das Substrat kann mit Hilfe von Heizdrähten 326, die über elektrische Anschlussdrähte 328 gespeist werden, aufgeheizt werden. Das Alumi-niumoxidröhrchen 317 hat einen Aussendurchmesser von ungefähr 0,64 cm und einen Innendurchmesser von ungefähr 0,32 cm. Die Röhrchen 320 haben jeweils einen Aussendurchmesser von ungefähr 0,16 cm und sind ungefähr 0,64 cm lang. Sie haben kleine durchgehende Bohrungen. The KPI5 dissociates into its components during evaporation. The vapor thus formed is discharged from the argon through the nozzle-like openings 321. The product layer is then deposited on a cooler substrate 324 arranged in front of the nozzles. The substrate can be heated with the aid of heating wires 326, which are fed via electrical connecting wires 328. The alumina tube 317 has an outer diameter of approximately 0.64 cm and an inner diameter of approximately 0.32 cm. The tubes 320 each have an outer diameter of approximately 0.16 cm and are approximately 0.64 cm long. They have small through holes.

Die Anlage wird im Vakuum bei Drücken von 0,1 bis 0,9 mbar betrieben. Amorphe Schichten von Stärken mit bis zum 1 |jm können bei einem Betrieb der Anlage von bis zu höchstens 15 min erhalten werden. Am Ende jedes Laufes erreicht das Substrat 324 eine Temperatur von 200 bis 300 °C, und zwar in Abhängigkeit davon, auf welche Temperatur sich das Substrat zu Beginn des Niederschlagens befindet, bei Raumtemperatur oder ob es auf 200 °C vorgeheizt ist. The system is operated in a vacuum at pressures from 0.1 to 0.9 mbar. Amorphous layers of thickness up to 1 | jm can be obtained when the system is operated for up to 15 minutes. At the end of each run, the substrate 324 reaches a temperature of 200 to 300 ° C, depending on what temperature the substrate is at the beginning of the precipitation, at room temperature, or whether it is preheated to 200 ° C.

Dünne KP 15-Schichten werden auch durch chemische Reaktion in der Dampfphase mit anschliessendem Niederschlagen des Produktes (CVD) hergestellt. Thin KP 15 layers are also produced by chemical reaction in the vapor phase with subsequent precipitation of the product (CVD).

Ein typischer CVD-Reaktor ist in der Fig. 15 gezeigt. Der Reaktor besteht aus Pyrex-Glas. Die Reaktorkammer 401 hat einen Aussendurchmesser von 26 mm und ist 27,0 cm lang. Im Inneren des Reaktors ist ein langes Rohr angeordnet, und zwar auf der Mittelachse des Reaktors, das einen Innendurchmesser von 6,0 mm hat und 30,0 cm lang ist. Dieses lange Röhrchen 402 dient sowohl als Wärmequelle als auch als Substrathalter. Die Wärmequelle wird durch einen justierbaren O-Ringkragen 403 in Position gehalten. Ein Belüftungsrohr 404 ermöglicht das kontinuierliche Abziehen eines Abzugsgases. Es ist mit einer in der Figur nicht dargestellten Kühlfalle verbunden, in der der nicht umgesetzte Phosphor niedergeschlagen wird, bevor der abgesaugte Gasstrom der umgebenden Atmosphäre zugeführt wird. Der Belüftungsstutzen 404 und der O-Ringkragen 403 sind über eine Flanschverbindung 405 mit einem zwischengelegten O-Ring und einem Innendurchmesser von 2,0 cm mit der Reaktorkammer 401 verbunden. Die Reaktorkammer 401 wird in einen elektrischen Widerstandsheizofen 406 eingebracht. A typical CVD reactor is shown in FIG. 15. The reactor is made of Pyrex glass. The reactor chamber 401 has an outer diameter of 26 mm and is 27.0 cm long. A long tube is arranged inside the reactor, on the central axis of the reactor, which has an inner diameter of 6.0 mm and is 30.0 cm long. This long tube 402 serves both as a heat source and as a substrate holder. The heat source is held in place by an adjustable O-ring collar 403. A vent pipe 404 allows an exhaust gas to be continuously withdrawn. It is connected to a cold trap, not shown in the figure, in which the unreacted phosphorus is precipitated before the extracted gas stream is supplied to the surrounding atmosphere. The vent pipe 404 and the O-ring collar 403 are connected to the reactor chamber 401 via a flange connection 405 with an interposed O-ring and an inner diameter of 2.0 cm. The reactor chamber 401 is placed in an electrical resistance heating furnace 406.

Geschmolzener Phosphor wird mit einer in den Figuren nicht dargestellten Kolbenpumpe über eine Kapillare 407, die einen Innendurchmesser von 1,0 mm hat, in die Verdampfungskammer 408 eingemessen. Der geschmolzene Phosphor wird dabei in der Verdampfungskammer 408 durch einen eingestrahlten Argonstrom verdampft, der über einen Einlassstutzen 409 mit einem Innendurchmesser von 6,0 mm eingestrahlt wird. Der gasförmige Phosphor/Argon-Strom tritt in die Reaktorkammer über eine Düse 410 ein. Die Düse 410 hat eine Öffnung von 4,0 mm. Die Verdampfungskammer 408 ist in einem Widerstandsheizofen 411 untergebracht. Molten phosphorus is measured into the evaporation chamber 408 by means of a piston pump, not shown in the figures, via a capillary 407, which has an inner diameter of 1.0 mm. The molten phosphorus is evaporated in the evaporation chamber 408 by a jet of argon which is blasted in via an inlet connector 409 with an inner diameter of 6.0 mm. The gaseous phosphorus / argon stream enters the reactor chamber through a nozzle 410. The nozzle 410 has an opening of 4.0 mm. The evaporation chamber 408 is housed in a resistance heating furnace 411.

Ein gasförmiges Gemisch von Kalium und Argon wird dosiert in die Reaktorkammer 401 über einen Aufgabestutzen 412 mit einem Innendurchmesser von 6,0 mm aufgegeben. Reines Argon, das als Trägergas für den Kalium/Argon-Strom dient, tritt über den Stutzen 413, der einen Innendurchmesser von 6,0 mm hat, in das System ein. Sowohl der Kalium/Argon-Strom als auch der reine Argon-Strom treten am Einlasstutzen 414 in die Reaktorkammer 401 ein. Die Kalium/Argon-Leitung 412 und die das reine Argon führende Leitung 413 sind in einem elektrischen Widerstandsofen 415 untergebracht. A gaseous mixture of potassium and argon is metered into the reactor chamber 401 via a feed nozzle 412 with an inner diameter of 6.0 mm. Pure argon, which serves as the carrier gas for the potassium / argon flow, enters the system via the nozzle 413, which has an inner diameter of 6.0 mm. Both the potassium / argon flow and the pure argon flow enter the reactor chamber 401 at the inlet port 414. The potassium / argon line 412 and the line 413 carrying pure argon are accommodated in an electrical resistance furnace 415.

Das Substrat 416 wird auf der Thermoquelle 402 gehalten. Die Temperatur des Substrats 416 wird mit Hilfe eines Thermoelementes 417 gemessen, das direkt unterhalb des Substrats 416 auf der Thermoquelle 402 angeordnet ist. The substrate 416 is held on the thermal source 402. The temperature of the substrate 416 is measured with the aid of a thermocouple 417, which is arranged directly below the substrate 416 on the thermal source 402.

Während des Betriebes sind die Öfen 406, 411 und 415 getrennt auf die entsprechenden Temperaturen geregelt. Die gasförmigen Reaktantenströme gelangen an den Einlassstutzen 410 und 414 in die Reaktorkammer. Das Abgasgemisch verlässt die Reaktorkammer über den Belüftungsstutzen 404. Die Produktschichten, die im Reaktor hergestellt werden, schlagen sich auf dem Substrat 416 nieder. During operation, the furnaces 406, 411 and 415 are regulated separately to the corresponding temperatures. The gaseous reactant streams arrive at the inlet ports 410 and 414 in the reactor chamber. The exhaust gas mixture leaves the reactor chamber via the vent pipe 404. The product layers that are produced in the reactor are deposited on the substrate 416.

Die Substrate werden auf einer Temperatur im Bereich von 310 bis 350 °C gehalten. Dabei wird diese Temperatur mit einer Genauigkeit im Bereich von ± 2 °C eingehalten. The substrates are kept at a temperature in the range of 310 to 350 ° C. This temperature is maintained with an accuracy in the range of ± 2 ° C.

Für einen typischen Durchgang werden 1,24 g weisser Phosphor und 0,13 g Kalium in den Reaktor im Verlauf von 2 h aufgegeben. Der Gesamtargonfluss wird auf einen Volumenstrom von 250 ml/min eingestellt. For a typical run, 1.24 g of white phosphorus and 0.13 g of potassium are added to the reactor over 2 hours. The total argon flow is adjusted to a volume flow of 250 ml / min.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

672778 672778

16 16

Eine Reihe von Versuchen werden durchgeführt, bei denen Phosphor/Argon und Kalium/Argon gleichzeitig in den Reaktor gegeben werden. Dabei wird der Phosphor/Argon-Strom auf einer Temperatur von ungefähr 290 °C gehalten, während der Kalium/Argon-Strom auf ungefähr 410 °C eingestellt wird. Das berechnete molare Atomverhältnis der Re-aktanden im Reaktor wird so eingestellt, dass P/K ungefähr gleich 15 ist. Der Reaktor wird insgesamt auf einer Temperatur von 300 bis 310 °C gehalten. In einem typischen Experimentverlauf wird der flüssige Phosphor mit einer Zulaufrate von 0,34 mg/h aufgegeben. A number of experiments are carried out in which phosphorus / argon and potassium / argon are added to the reactor simultaneously. The phosphor / argon flow is maintained at a temperature of approximately 290 ° C while the potassium / argon flow is set at approximately 410 ° C. The calculated molar atomic ratio of the reactants in the reactor is adjusted so that P / K is approximately equal to 15. The reactor is kept at a temperature of 300 to 310 ° C in total. In a typical course of the experiment, the liquid phosphorus is added at a rate of 0.34 mg / h.

Amorphe KP15-Schichten werden unter Verwendung von nickelbedampften Glassubstraten hergestellt. Die unter diesen Bedingungen erhaltenen KP]5-Schichten sind ungefähr 0,3 mm dick. KP15 amorphous layers are produced using nickel-coated glass substrates. The KP] 5 layers obtained under these conditions are approximately 0.3 mm thick.

Mit einem 1 h dauernden Versuchslauf wird eine dünne Schicht erhalten, für die die nominelle Zusammensetzung KPI5 bestätigt wird. Die Dicke der Schicht hängt von der Anordnung und Stellung des Substrats im Reaktor ab. Die rasterelektronenmikroskopische Untersuchung zeigt, dass die Schichten ausserordentlich gut homogen sind. With a test run lasting 1 h, a thin layer is obtained, for which the nominal composition KPI5 is confirmed. The thickness of the layer depends on the arrangement and position of the substrate in the reactor. The scanning electron microscopic examination shows that the layers are extremely well homogeneous.

Reinigung des Phosphors: Cleaning the phosphor:

50 g «99,95% reiner» Phosphor wird 75 d einem Temperaturprofil im Bereich von 450-300 °C ausgesetzt. Nach dieser relativ langen Verweilzeit bleiben in der Beschickung 21% des aufgegebenen Materials zurück und werden 60% der Beschickung als massive amorphe Niederschläge erhalten. 50 g of "99.95% pure" phosphorus is exposed to a temperature profile in the range of 450-300 ° C for 75 days. After this relatively long residence time, 21% of the material left behind remains in the feed and 60% of the feed is obtained as massive amorphous precipitates.

Mit dem Eingangsmaterial durchgeführte Analysen zeigten, dass der Phosphor nicht einmal 99,90% Reinheitsgrad aufweist, sondern viel eher im Bereich einer Reinheit von 99,80% liegt, wobei dieser Phosphor mit Aluminium, Calcium, Eisen, Magnesium, Natrium und Silicium als Hauptverunreinigungen, die alle in einer Menge von grösser als 0,01 Gew.-%, einige sogar in Konzentrationen von grösser als 0,05 Gew.-% vorlagen, beaufschlagt war. Dieses Material hat einen Einkaufspreis von ungefähr 220 US $ pro kg. Im 5 Vergleich dazu hat ein lediglich mit der Reinheitsstufe «99%» verkaufter Phosphor einen Einkaufspreis von nur 37,5 US $ pro kg. Analyzes carried out on the input material showed that the phosphorus is not even 99.90% pure, but much closer to a purity of 99.80%, this phosphorus with aluminum, calcium, iron, magnesium, sodium and silicon as main impurities which were all present in an amount of greater than 0.01% by weight, some even in concentrations of greater than 0.05% by weight. This material has a purchase price of approximately $ 220 per kg. In comparison, a phosphor sold only with the "99%" purity level has a purchase price of only US $ 37.5 per kg.

Die Verwendung der Phosphorsubstanzen als Flammhemmer ist bekannt. Aufgrund der hohen Stabilität der Al-10 kalimetalle enthaltenden phosphorreichen Substanzen, die in der vorliegenden Beschreibung beschrieben sind, empfehlen sich die hier beschriebenen Substanzen zu diesem Zweck. Form festhaftender dünner Filme niedergeschlagen werden kann. Diese Filme sind duktil, nicht porös, polymer und 15 nicht spröde. The use of the phosphorus substances as flame retardants is known. Due to the high stability of the phosphorus-rich substances containing Al-10 potassium metals, which are described in the present description, the substances described here are recommended for this purpose. Form of adherent thin films can be deposited. These films are ductile, non-porous, polymeric and 15 non-brittle.

Die in der vorstehenden Beschreibung offenbarten Werkstoffe sind also bestens geeignet, in Form von Beschichtun-gen und dünner Filme eingesetzt zu werden. 20 Die Beschreibung offenbart also eine vollständig neue Klasse von Halbleiterwerkstoffen mit hohem Phosphorgehalt. Diese Halbleiterwerkstoffe enthalten in Ketten kovalent gebundene Atome, wobei diese Ketten bildenden kovalenten Bindungen den primären elektrischen Leitungspfad 25 im Werkstoff bilden. Die zu Ketten verknüpften Atome bilden zueinander parallele Säulen als vorherrschendes Nah-ordnungsmerkmal. Die Atome in diesen Ketten sind vorzugsweise dreiwertig mit Bindungswinkeln, die die Bildung von rohrförmigen spiraligen oder hohlkanalartigen Säulen 30 ermöglichen. Die Säulen können sowohl durch Atome eines oder mehrerer verschiedener Elemente paarweise oder in grösserer Zahl zu kettig verknüpften Säulen zusammengefügt werden. The materials disclosed in the above description are therefore ideally suited to be used in the form of coatings and thin films. 20 The description therefore discloses a completely new class of semiconductor materials with a high phosphorus content. These semiconductor materials contain covalently bonded atoms in chains, these covalent bonds forming chains forming the primary electrical conduction path 25 in the material. The atoms linked into chains form parallel columns as the predominant near-order feature. The atoms in these chains are preferably trivalent with bond angles that enable the formation of tubular spiral or hollow channel-like columns 30. The columns can be joined together by atoms of one or more different elements in pairs or in large numbers to form linked chains.

C C.

3 Blatt Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims (17)

672778672778 1. Verfahren zur Herstellung einer hoch phosphorhalti-gen Polyphosphid-Beschichtung mittels Flash-Verdampfung, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: 1. Process for producing a high phosphorus-containing polyphosphide coating by means of flash evaporation, characterized by the following process steps: - Durchleiten von Material durch ein geheiztes Gefäss, um das Material zu verdampfen, wobei das genannte durchströmende Material Phosphor und ein Alkalimetall umfasst. Passing material through a heated vessel to evaporate the material, said flowing material comprising phosphorus and an alkali metal. 2. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, bei dem das Durchströmenlassen des Materials mittels Transportieren von pulverförmigem Material in einem Gasstrom ausgeführt ist. 2. The method according to claim 1, wherein the flow through the material is carried out by transporting powdered material in a gas stream. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Apparat zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1, umfassend 3. Apparatus for performing the method according to claim 1, comprising - ein heizbares Gefäss und Vorrichtungen, um Material durch das Gefäss durchströmen zu lassen, wobei die genannten Vorrichtungen zum Durchströmenlassen von Material Mittel zum Einführen von pulverförmigem Material in den genannten Gasstrom umfassen, a heatable vessel and devices for allowing material to flow through the vessel, said devices for flowing material comprising means for introducing powdered material into said gas stream, - eine elektrische Windungsheizung um das genannte Gefäss, um dieses mittels Induktion zu erhitzen, und - An electric winding heater around the said vessel to heat it by induction, and - eine Leitung durch das genannte Gefäss, welche Leitung in einer Mehrfachdüse endet. - A line through said vessel, which line ends in a multiple nozzle. 4. Hoch phosphorhaltige Polyphosphid-Beschichtungen, hergestellt mittels des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1. 4. Highly phosphorus-containing polyphosphide coatings, produced by means of the method according to claim 1. 5. Verfahren zur Dampfablagerung von hoch phosphor-haltigen Polyphosphiden, umfassend das Fahren von getrennten Strömen von verdampftem Phsophor und Alkalimetall über einem Kondensierungs-Substrat. 5. A method of vapor deposition of high phosphorus polyphosphides comprising driving separate streams of vaporized phosphorus and alkali metal over a condensation substrate. 6. Apparat zur Durchführung der chemischen Dampf-Ablagerung gemäss Patentanspruch 5, umfassend: 6. Apparatus for carrying out the chemical vapor deposition according to claim 5, comprising: A. eine heizbare Kammer, A. a heated chamber, B. ein Substrat in der genannten Kammer, B. a substrate in said chamber, C. Mittel für den Gasaustritt aus der genannten Kammer, wobei ein Gasstrom einer ersten Dampfkomponente, welche in die Kammer eintritt, von einem Strom von Gas umgeben ist und wobei ein zweiter Gasstrom einer zweiten Dampf-Komponente ebenfalls in die genannte Kammer eintritt. C. Means for the gas exit from said chamber, a gas stream of a first steam component entering the chamber being surrounded by a stream of gas and a second gas stream of a second steam component also entering said chamber. 7. BeSchichtung, hergestellt mittels des Dampfablage-rungs-Verfahrens gemäss Patentanspruch 5. 7. Coating, produced by means of the vapor deposition method according to claim 5. 8. Beschichtung gemäss Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schutzbeschichtung ist. 8. Coating according to claim 7, characterized in that it is a protective coating. 9. Beschichtung gemäss Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine optische Beschichtung ist. 9. Coating according to claim 7, characterized in that it is an optical coating. 10. Beschichtung gemäss Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Antireflexions-Beschichtung ist. 10. Coating according to claim 7, characterized in that it is an anti-reflective coating. 11. Beschichtung gemäss einem der Patentansprüche 8 bis 10, aufgebracht auf einem Glas- oder auf einem Metall-Substrat. 11. Coating according to one of claims 8 to 10, applied to a glass or on a metal substrate. 12. Beschichtung gemäss einem der Patentansprüche 8 bis 10, worin die genannte Beschichtung amorph ist. 12. Coating according to one of claims 8 to 10, wherein said coating is amorphous. 13. Flammhemmendes Material, erhalten nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch 5. 13. Flame retardant material obtained by the process according to claim 5. 14. Füllstoff, erhalten nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch 5. 14. filler obtained by the process according to claim 5. 15. Halbleitermaterial, erhalten nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch 5. 15. Semiconductor material obtained by the method according to claim 5. 16. Kristallines Polyphosphid in Form von sternförmig angeordneten Stäben, erhalten nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch 5. 16. Crystalline polyphosphide in the form of rods arranged in a star shape, obtained by the process according to claim 5. 17. Verwendung von einkristallinem Polyphosphid gemäss Patentanspruch 16 zum Einbetten in eine Glas- oder in eine Kunststoff-Matrix. 17. Use of single-crystalline polyphosphide according to claim 16 for embedding in a glass or in a plastic matrix.
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