DE1067787B - Verfahren zur Herstellung und zum Umschmelzen von Verbindungen und Legierungen mit hohem Dampfdruck am Schmelzpunkt - Google Patents

Verfahren zur Herstellung und zum Umschmelzen von Verbindungen und Legierungen mit hohem Dampfdruck am Schmelzpunkt

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DE1067787B
DE1067787B DES45545A DES0045545A DE1067787B DE 1067787 B DE1067787 B DE 1067787B DE S45545 A DES45545 A DE S45545A DE S0045545 A DES0045545 A DE S0045545A DE 1067787 B DE1067787 B DE 1067787B
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DES45545A
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Dr Otto Gert Folberth
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi

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Description

  • Verfahren zur Herstellung und zum Umschmelzen von Verbindungen und Legierungen mit hohem Dampfdruck am Schmelzpunkt Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung oder einer Verbindung in kristalliner Form durch Zusammenschmelzen der Komponenten in einem abgeschlossenen System, bei der im Gleichgewicht der Partialdampfdruck einer (oder mehrerer) Komponente (Komponenten) über der Schmelze wesentlich höher als der Partialdampfdruck der anderen Komponente (Komponenten) und wesentlich höher als der Partialdruck einer gasförmigen Verbindung aus diesen Komponenten ist.
  • Das Verfahren nach dem Hauptpatent stellt eine Verbesserung des bekannten »Faraday-Verfahrens« dar und unterscheidet sich von diesem dadurch, daß die Einwaage und die Temperaturführung so gewählt werden, daß einerseits die Schmelze den gewünschten Anteil an der (den) leichtflüchtigen Komponente (Komponenten) aus der Dampfphase aufnehmen kann und daß andererseits der Rest dieser Komponente (Komponenten) gerade ausreicht zur Bildung des Anteils dieser Komponente (Komponenten) an der Gleichgewichtsdampfphase über der Schmelze und so kein Bodenkörper der leichtflüchtigen Komponente (Komponenten) zurückbleibt. Dadurch wird erreicht, daß - im Gegensatz zum Faraday-Verfahren - die Temperatur der kältesten Stelle des Schmelzgefäßes nicht genau eingehalten werden muß und daß man außerdem von den komplizierten Dampfdruckverhältnissen bei polymorphen Umwandlungen des Bodenkörpers unabhängig ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Weiterbildung des Gegenstandes des Hauptpatentes; sie besteht in einer Ausdehnung der Lehren des I-Iauptpatentes auf das Homogenisieren und das Reinigen von gemäß dem Verfahren nach dem Hauptpatent hergestellten Verbindungen und Legierungen mit mehr als zwei Komponenten, insbesondere solcher mit breitem Konzentrationsexistenzgebiet. Unter die letzteren fallen vor illem Mischkristalle aus AjlBv-Verbindtingen (ver-,-leiche z. B. »Mischkristallbildung bei Ajj,Bv-Ver-)indungen«, Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 10a, 3. 502 und 503, 1955). Unter breitem Konzentrations-#X . istenzgebiet einer Legierung, insbesondere eines \lischkristalls, wird verstanden, daß das Existenz-"ebiet in bezug auf die Konzentration von mindestens ;wei der Komponenten breit ist. Im einzelnen besteht lie Weiterbildung darin, daß die Schmelze schnell ind ungerichtet zum Erstarren gebracht und der ertarrte Kristall mit schmaler Schmelzzone zonen--eschmolzen wird.
  • Unter ungerichtetern Erstarren wird - im Gegenatz zu dem »Normalfreezing«-#Terfahren nach ' f a n n (journal of Metals, 1952, S. 747 bis 753) - erstanden, daß die Erstarrung nicht von einem voregebenen Keim aus in einer vorgegebenen Richtung, sondern möglichst unregelmäßig und von vielen Keimen ausgehend durchgeführt wird. Das ungerichtete Erstarren wird so schnell durchgeführt, daß Verunreinigungen nicht Zeit haben, sich ins Gleichgewicht zu stellen mit der wandernden Erstarrungsfront. Dies hat zur Folge, daß sich keine nennenswerten Anreicherungen von Verunreinigungen bilden können. Man erreicht dabei, bezogen auf die Dimensionen der Schmelzzone, ein inhomogenes, feinkristallines Gefüge, das, über einen größeren Bereich gemittelt, jedoch als quasihomogen anzusprechen ist.
  • Die Weiterbildung des Hauptpatentes sei nachfolgend an einem Beispiel, und zwar an dem Mischkristall In(As0,8p0,2) noch näher erläutert.
  • Zur Herstellung eines Mischkristalls der Zusammensetzung In(Aso,sp0,2) wird in einer Anordnung, wie sie in der Zeichnung dargestellt, in eine Quar7-ampulle 1 von 60 cm' Rauminhalt eine Einwaage von 15,000 g In, 7,893 g As und 0,870 g P eingeschmolzen; das Indium befindet sich in einem karborierten Ouarzschiffchen 2 und die As- und P-Einwaage an einer beliebigen anderen Stelle der Onarzampulle 3. Die abgeschmolzene Quarzampulle wird in einen Zweitemperaturofen 4, 5, 6 gebracht und das Schiffchen durch Hochfrequenzheizung 4 auf etwa 960' C und die übrigen Teile der Ampulle auf etwa 700' C erhitzt, 5, 6. Hierbei stellt sich eine Schmelze von der ZusammensetzungIn(Aso,8P0,2) unddie entsprechende Darnpiphase ein, -ohne daß ein Bodenkörper von den eingewogenen leichtflüchtigen Komponenten As und P zurückbleibt. Würde man diese Schmelze langsam einseitig erstarren lassen, so würde ein Kristall entstehen, dessen zuerst erstarrtes Ende mehr Phosphor - etwa von der Zusammensetzung In(As.,7p.,1) - und am zuletzt erstarrten Ende mehr Arsen - etwa von der Zusammensetzung In(Aso-DPO.l) - enthält. Für die eine oder die andere Anwendung 'können solche Kristalle wünschenswert sein, im allgemeinen möchte man jedoch aus der Schmelze homogene Kristalle herstellen. Dies ],arm gemäß der Erfindung wie folgt erreicht werden: Die wie oben beschrieben hergestellte Schmelze wird zunächst schnell und ungerichtet zur Erstarrung gebracht. und zwar so schnell, daß ein im Kleinen zwar sehr inbomogenes, fein kristallines, im Großen jedoch ein quasihornogenes Gefüge entsteht. Ein homogenes Gefüge auch im Kleinen wird durch einen zweiten Schritt erreicht, der darin besteht, daß der erstarrte Kristall mit einer schmalen Schmelzzone, vorzugsweise in zwei aufeinanderfolgenden entgegengesetzten Richtungen, zonengeschmo17en wird. Hierbei entsteht ein horno gener Mischkristall - im vorliegenden Fall von der Zusammensetzung In(Aso"3P0.2) - bis auf einen sehr kleinen Rest, der etwa der zuletzt erstarrten Schmelzzonenbreite entspricht.
  • Ein auf die oben beschriebene Weise hergestellter und homogenisierter «-%fischkristall kann durch weiteres Zonenschnielzen noch weitergereinigt werden. Hierbei tritt, ähnlich wie beim vorher beschriebenen einseitigen Erstarren. eine Inhomogenisierung des Mischkristalls ein. Und zwar -wird am zuerst erstarrten Ende de-# Kristalls mehr P. am zuletzt erstarrten Ende mehr Arsen, als es der ursprünglichen Zusammensetzung de., Kristalls entspricht, eingebaut. Beim nächsten Zoiienseliine17,;cbritt entspricht daher die zuerst geschmolzene Zone in ihrer Zusammensetzung bezüglich des Verhältnisses As:P nicht der Dampfphase. die ja im Gleichgewicht mit der zuletzt erstarrten Zone stand. Da nun andererseits der Gesamtdampfdruck mit steigendern P-Gehalt der Schmelze ebenfalls ansteigt. so gibt die zuerst aufgeschmolzene Zone im zweiten Zonenschmelzschritt mehr P an die Dampfphase ab, als sie As aufnimmt. Somit enthält nun die Schmelze mehr In. als es der ursprünglichen Zusammensetzung entspricht. Dies hat zur Folge, daß am Anfang des zweiten Zonenschmelzschrittes Indium-Einschlüssu auftreten. Am Ende des Kristalls kehren sich die Verhältnisse um: die Schmelze nimmt mehr P und As aus der Dampfphase auf, als es der ursprünglichen Zusammensetzung entspricht, und es bilden sich in der Folge beim Erstarren Dampfeinschlüsse im Kristall. Ein auf diese Weise mehrfach zonengeschmolzener Mischkristall weist also am einen Ende Indium-Einschlüsse auf, am anderen Ende ist er porös. Nur der mittlere Teil des Kristalls besitzt die gewünschte, hornogene Zusammensetzung.
  • In gewissen Fällen ist das oben beschriebene Reinigungsverfahren nicht befriedigend. Einerseits ist nur ein Teil des Ausgangskristalls brauchbar, andererseits wird der Reinigungseffekt des Zonenschmelzens nicht voll ausgenutzt, weil dieser bekanntlich im einen - hier also unbrauchbaren - Kristallende am größten ist. In solchen Fällen kann man gemäß weiterer Erfindung wie folgt vorgehen: Um einen Mischkristall von der Form des vorliegenden Beispiels, allgemein also von der Form In, (As,P,-,) herzustellen, werden zuerst die Verbindungen InAs und InP nach dem Hauptpatent hergestellt und durch Zonenschmelzen gereinigt. Aus diesen beiden Verbindungen wird nach dein vorher beschriebenen Verfahren der Mischkristall hergestellt und bomogenisiert. Dabei ist es bei der Einwaage belanglos, daß die drei Komponenten in Verbindungen vorliegen. In dieser Weise kann bei allen nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Verbindungen oder Legierungen mit mehr als zwei Komponenten verfahren werden.
  • Wie das Verfahren nach dem Hauptpatent, so kann auch die vorliegende Weiterbildung zur Herstellung von Einkristallen mit und ohne Keim verwendet werden. Durch Beigabe von entsprechenden Mengen von Fremdsubstanzen kann eine gewünschte Dotierung der herzustellenden oder umzuschmelzenden Kristalle durchgeführt werden.
  • Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich allgemein zur Homogenisierung und Reinigung von Nfischkristallen ans AlllBv-Verbindungen anwenden. Neben dem angegebenen Beispiel In(Aso,.P.,2) eignen sich noch besonders Mischkristalle der Form Ga, (As, P, -,) und Al, (As, P, -,), Jeweils mit 0<-i,<1. Darüber hinaus läßt sich das Verfahren allgemein bei Mehrkornponentensystemen, also Systemen mit 4 und und noch mehr Komponenten mit breitem Konzentrationsexistelizgebiet zur Anwendung bringen, soweit die Komponenten die eingangs angegebenen Bedingungen erfüllen.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRCCHE: 1. Verfahren zur Herstellung oder zum Um-Z, schmelzen einer Verbindung oder einer Legierung mit mehr als zwei Komponenten in kristalliner Form durch Zusammenschrnelzen der Komponenten in einem abgeschlossenen System, bei der im Gleichgewicht der Partialdampfdruck mindestens einer Komponente über der Schmelze wesentlich höher als der Partialdarnpfdruck der anderen Komponenten und wesentlich höher als del Partialdruck einer gasförmigen Verbindung au5 diesen Komponenten ist, ohne Bodenkörper del leichtflüchtigen Komponenten gemäß Paterr 1029 803, dadurch gekennzeichnet, daß di( Schmelze schnell und ungerichtet zum Erstarrer gebracht und der erstarrte Kristall mit scbmalei Schmelzzone zonengeschmolzen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Zonenschrnelzen mit schmale-Schmelzzone aufeinanderfolgend in zwei entgegen gesetzten Richtungen durchgeführt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurcl gekennzeichnet, daß die nach Anspruch 1 oder # honlogenisierte Verbindung oder Legierung in ai sich bekannter Weise durch weiteres Zonen schmelzen gereinigt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurc'. gekennzeichnet, daß die Komponenten der her zustellenden oder urnzuschmelzenden Verbindung oder Legierung als binäre Verbindungen ode Legierungen dieser Komponenten zugefühi werden und daß diese binären Verbindungen odc Legierungen vorzugsweise nach Patent 1029 80 hergestellt und durch Zonenschmelzen gereinii worden sind.
DES45545A 1955-09-14 1955-09-14 Verfahren zur Herstellung und zum Umschmelzen von Verbindungen und Legierungen mit hohem Dampfdruck am Schmelzpunkt Pending DE1067787B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2414776A1 (de) * 1974-03-27 1975-10-09 Siemens Ag Vorrichtung zum herstellen einer verbindung oder legierung

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