DE1667709A1 - Process for making gallium arsenide - Google Patents
Process for making gallium arsenideInfo
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Description
Verfahren zum Herstellen von GalliumarsenidProcess for making gallium arsenide
Einige optische Geräte, bei denen als optisch wirksame Teile Halbleiterkörper verwendet sind, und deren Wirkungsweise auf den durch die spezifischen Halbleitereigenschaften bedingten optischen Eigenschaften der verwendeten Halbleiterkörper beruht, sind bereits bekannt (siehe z.B. die am 24.Mai 1956 bekanntgemaohte deutsche Patentanmeldung S 40 619 IX/42h). Der Halbleiterkörper kann hierbei, z.B. als Linse oder Linsensystem, als Prisma, Filter, Fenster, Gefäß oder Spiegel ausgebildet sein.Some optical devices in which semiconductor bodies are used as optically effective parts, and their mode of action on the optical properties of the semiconductor bodies used due to the specific semiconductor properties are based already known (see e.g. the one announced on May 24, 1956 German patent application S 40 619 IX / 42h). The semiconductor body can be used, e.g. as a lens or lens system, as a prism, Filter, window, vessel or mirror can be designed.
Die Halbleiterkörper sollen dabei im allgemeinen - in einem ihnen eigentümlichen Wellenlängenbereich - eine möglichst große Lichtdurchlässigkeit aufweisen. Letztere steigt unter anderem mit der Abnahme der Zahl der freien Ladungsträger pro "Volumeneinheit des Halbleiterkörpers (Ladungsträgerkonzentration im onr). Halbleiterkörper, die Durchlässigkeitsbereiche im Infraroten besitzen, sind für viele der obengenannten Anwendungsbeispiele gut brauchbar, wenn ihre Ladungsträgerkonzentration unter 10 cm J liegt.The semiconductor bodies should generally have the greatest possible light permeability - in a wavelength range peculiar to them. The latter increases, inter alia, with the decrease in the number of free charge carriers per "volume unit of the semiconductor body (charge carrier concentration in the onr). Semiconductor bodies that have transmission ranges in the infrared are useful for many of the above-mentioned application examples if their charge carrier concentration is below 10 cm J.
Ein Halbleitermaterial mit einem großen Durohlässigkeitsbereich ist das Galliumarsenid (GaAs). Wenn dieser Stoff eine Ladungsträ-A semiconductor material with a large permeability range is gallium arsenide (GaAs). If this substance carries a charge
16 -1^ gerkonzentration von weniger als 10 cm hat, besitzt er von 0,9 bis 18 μ eine praktisch geradlinige optische Durchlässigkeit von etwa 55$. Letztere läßt sich durch Vergüten mit einer reflexionsmindernden Schicht noch erheblich steigern.16 - 1 ^ ger concentration of less than 10 cm, it has a practically straight-line optical transmittance of 0.9 to 18 μ of about $ 55. The latter can be increased considerably by tempering with a reflection-reducing layer.
Außer durch seinen großen Durchläasigkeitsbereioh zeichnet sich GaAs auch durch seine ITnempfindlichkeit gegenüber Staub und Luftfeuchtigkeit aus. Daher ist es im Gegensatz zu bisher verwendeten Lnfrarotclurchlässigen Stoffen, wie aalzarbigen Substanzen (z.B. NaCl), Kunststoffen oder Gläsern, im bei? anderem ausgezeichnet als Mafc<jrLal für optische Linsen und DMlbet' in baiapiüluwüUie Infrarot-In addition to its large permeability range, it stands out GaAs also because of its insensitivity to dust and humidity the end. Therefore, in contrast to previously used infrared-permeable substances, such as eel-colored substances (e.g. NaCl), plastics or glasses, in? other than Mafc <jrLal for optical lenses and DMlbet 'in baiapiüluwüUie infrared
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-Spektralphotometern und deren Ausbaueinheiten (Reflexionszusätze, Bündelkondensoren usw.) geeignet. Als weiterer Vorteil kommt bei GaAs seine hohe Resistenz auch gegenüber aggressiven chemischen Stoffen hinzu, insbesondere bei der Auswahl von Penstermaterialien für (infrarot-) Küvetten aller Art gewinnen diese Eigenschaften des GaAs größte Bedeutung. Unter anderem können dabei ohne Schwierigkeiten vermessen werden! neutrale, saure und basische anorganische wäßrige Lösungen in beliebigen Konzentrationen, ebensolche organischen wäßrigen Lösungen oder Phasen, chemisch hochaggressive Flüssigkeiten (konzentrierte oder wasserfreie Schwefelsäure, Salzsäure, Trifluoressigsäure usw.) und Gase (Schwefeltrioxid, Schwefelhalogenide, Fluorwasserstoff, freie Halogene usw.), alkalihalogenidlosende und kunststoffverändernde organische Substanzen oder Lösungsmittel (polare Äther, aromatische Ringverbindungen, hochaggressive Organometallverbindungen aller Art sowie deren Lösungen). GaAs mit kleiner Ladungsträgerkonzentration, also hoher Durchlässigkeit, ist auch ausgezeichnet als Ausgangsmaterial für Lumineszenzdioden geeignet. Auch für Solarzellen kann GaAs verwendet werden. GaAs-Solarzellen haben einen größeren Wirkungsgrad als Zellen aus Silizium und sind speziell bei der Anwendung an künstlichen Erdsatelliten strahlungsresistenter als Si-Zellen, vor allem dann, wenn die zu bestrahlende Schicht der Zelle η-leitend ist.-Spectrophotometers and their expansion units (reflection accessories, Bundle condensers etc.) are suitable. Another advantage of GaAs is its high resistance to aggressive chemicals Add substances, especially when choosing pen materials for (infrared) cuvettes of all kinds these properties gain the greatest importance of GaAs. Among other things, measurements can be carried out without difficulty! neutral, acidic and basic inorganic aqueous solutions in any concentration, just such organic aqueous solutions or phases, chemically highly aggressive liquids (concentrated or anhydrous sulfuric acid, hydrochloric acid, trifluoroacetic acid, etc.) and gases (Sulfur trioxide, sulfur halides, hydrogen fluoride, free halogens, etc.), alkali-halide-dissolving and plastic-changing organic substances or solvents (polar ethers, aromatic ring compounds, highly aggressive organometallic compounds of all Art and their solutions). GaAs with a low charge carrier concentration, i.e. high permeability, is also excellent as Starting material suitable for light emitting diodes. GaAs can also be used for solar cells. GaAs solar cells have one higher efficiency than cells made of silicon and are more radiation-resistant, especially when used on artificial earth satellites as Si cells, especially when the cell layer to be irradiated is η-conductive.
Zwar ist es für die optischen Eigenschaften weitgehend unwensentlich, ob das GaAs einkristallin oder polykristallin ist, jedoch ist es - wie gesagt - v/ichtig, daß das GaAs eine kleine Ladungsträgerkonzentration (unter 10 cm ) besitzt, daß es also außerordentlich rein ist.Although it is largely unimportant for the optical properties, whether the GaAs is monocrystalline or polycrystalline, however - as said - it is important that the GaAs have a small charge carrier concentration (less than 10 cm) that it is extremely pure.
Es wurden bereits viele Versuche unternommen, derart reines GaAs herzustellen. Jedoch erwiesen sich bisher sowohl physikalische Reinigungsiiiefchoden, z,B. dae Zonenziehen, als auch die Reiiidarsbellung dea GaA3 auf chemiaohem Wege, z.B. die Umsetzung von gereinigtem Ga2O- mit" gereinigtem AaH-;., vor allem wegen des im ο normen Aufwände,) und -,ve yen der geringen Ausbeute anMany attempts have been made to produce such pure GaAs. However, so far both physical cleaning processes, e.g. the zone drawing, as well as the cleaning of the GaA3 by chemical means, e.g. the conversion of purified Ga 2 O with "purified AaH", mainly because of the normally normal effort ,) and -, ve yen of the low yield
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I Ü i) S / ti / U 6 U I Ü i) S / ti / U 6 U
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GaAs mit genügend geringer Ladungsträgerkonzentration als unbefriedigend. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein unkompliziertes Verfahren zu schaffen, nach dem im obengenannten Sinne hochreines GaAs, insbesondere kontinuierlich, hergestellt werden kann.GaAs with a sufficiently low charge carrier concentration is considered unsatisfactory. The invention is therefore based on the object of creating an uncomplicated method according to the above-mentioned method High purity GaAs, especially continuously, can be produced.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen vonThe invention relates to a method for producing
16 -3 Galliumarsenid mit Ladungsträgerkonzentrationen unter 10 cm ,16 -3 gallium arsenide with charge carrier concentrations below 10 cm,
8 15 —3
insbesondere zwischen 10 und 10 cm .Die Erfindung besteht darin, daß pulverförmiges Gallium-Alkoxy-Halogenid bei Temperaturen
zwischen etwa 3000C und etwa 8000O mit Arsin - AsH-- in der
Heizzone eines Wirbelschichtofens aufgewirbelt und zur Reaktion gebracht wird und daß das sich dabei bildende Galliumarsenidpulver
in eine zusammenhängende kristalline Form übergeführt wird.8 15-3
cm, in particular 10-10 .The invention is that powdered gallium-alkoxy-halide at temperatures between about 300 0 C and 800 0 O with arsine - is whirled AsH-- in the heating zone of a fluidized bed furnace and brought to reaction and that the resulting gallium arsenide powder is converted into a coherent crystalline form.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Gallium-Alkoxyhalogenide (Alkoxy-Gruppe = <3H~0-, Halogen=X=01 bzw. Br), die im Molekül ein Verhältnis Gallium:Halogen=1:1 bzw. 2:3 besitzen, nach dem Wirbelschichtverfahren bei 300 bis 8000O, insbesondere 600 bis 80O0C mit hochreinem Arsenwasserstoff in einer Wasserstoff-Atmosphäre quantitativ zu pulverförmigem Galliumarsenid umsetzen. Das so dargestellte Galliumarsenid ist von spezieller Reinheit und dient als Ausgangsstoff für die Herstellung von optischen Materialien für den iiifraroten Spektralbereich von 0,9-18μ.The process according to the invention allows gallium alkoxy halides (alkoxy group = <3H ~ 0-, halogen = X = 01 or Br), which have a gallium: halogen ratio of 1: 1 or 2: 3 in the molecule the fluidized bed process at 300 to 800 0 O, in particular 600 to 80 0 C with high-purity arsine in a hydrogen atmosphere quantitatively convert to powdered gallium arsenide. The gallium arsenide represented in this way is of special purity and serves as a starting material for the production of optical materials for the iiifraroten spectral range of 0.9-18μ.
Bei den Gallium-Alkoxyhalogeniden kann es sich vorzugsweise um die Methoxy-Verbindungen oder um die entsprechenden Xthoxy-Verbindungen handeln. Die Methoxy-Verbindungen haben sich bisher am besten bewährt.The gallium alkoxy halides can preferably be the methoxy compounds or the corresponding xthoxy compounds Act. The methoxy compounds have so far proven to be the best.
Gallium-Alkoxy-Halogenide sind gemäß weiterer Erfindung darstellbar a) durch Reduktion von Alkanol, z.B. Methanol oder Äthanol, mit Gallium-(I)-Halogeniden in überschüssigem Alkanol oder einem inerten organischen Lösungsmittel (wie z.B.Benzol oder Hexan), beispielsweise etwa nach der Gleichung:Gallium alkoxy halides can be prepared according to a further invention a) by reducing alkanol, e.g. methanol or ethanol, with gallium (I) halides in excess alkanol or a inert organic solvents (such as benzene or hexane), for example according to the equation:
.109828/1468.109828 / 1468
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(1) Ga1CGa111X4) + 2 CH3OH ^H2 + (OH3O)2GaX + GaX? (1) Ga 1 CGa 111 X 4 ) + 2 CH 3 OH ^ H 2 + (OH 3 O) 2 GaX + GaX ?
b) durch Reaktion von Gallium-(III)'Halogeniden mit Alkalimetall- -Alkanolaten, insbesondere Methanolaten, in überschüssigem Alkanol oder einem inerten organischen Lösungsmittel, wie z.B. Benzol oder Hexan, beispielsweise etwa gemäßb) by reaction of gallium (III) halides with alkali metal Alkanolates, especially methanolates, in excess alkanol or an inert organic solvent, e.g. Benzene or hexane, for example according to
(2) GaX3 + 2 MeOCH3 »2 MeX + (CH3O)2GaX; Me = Li, ITa, K(2) GaX 3 + 2 MeOCH 3 >> 2 MeX + (CH 3 O) 2 GaX; Me = Li, ITa, K
c) durch Elektrolyse einer Alkohol (Alkanol)-Lösung, insbesondere einer etwa 50#igen methanolischen Lösung, von Ga-III-Halogenid, insbesondere GaCl,, mit elementarem Gallium als Elektrodenmaterial, beispielsweisec) by electrolysis of an alcohol (alkanol) solution, in particular an approximately 50% methanolic solution, of Ga-III halide, especially GaCl ,, with elemental gallium as electrode material, for example
(3) GaCl, Ηο + weiße, unlösliche Substanz, mit Ga und Cl im Verhältnis von etwa 2:3(3) GaCl, Ηο + white, insoluble substance, with Ga and Cl in a ratio of about 2: 3
d) durch thermische Zersetzung der Phase Gallium-(III)-Chlorid und Alkanol, z.B. etwa folgendermaßen:d) by thermal decomposition of the gallium (III) chloride phase and alkanol, for example something like this:
(4) GaCl3«2 CH3OH —^^Cl/C^-O-C^ (= 8:2) + weißes(4) GaCl 3 «2 CH 3 OH - ^^ Cl / C ^ -OC ^ (= 8: 2) + white
unlösliches Pulver Ga:Cl =2:3.insoluble powder Ga: Cl = 2: 3.
Alle vorstehend beschriebenen neuen Gallium-Alkoxy-Halogenide sind erfindungsgemäß verwendbar. Sie sind weiße, extrem feinteilige amorphe pulverige Substanzen, die in allen gebräuchlichen organischen Lösungsmitteln unlöslich, gegen Luft und Luftfeuchtig F keit unempfindlich sowie bis zu höheren Temperaturen ohne zu schmelzen und ohne Zersetzung thermisch stabil sind. Sie sind aus den jeweiligen Reaktionsgemischen durch Filtration oder Zentrifugieren leicht zu isolieren und können durch Auswaschen mit beliebigen, inerten oder polaren organischen Lösungsmitteln in hoher Reinheit gewonnen werden. Die Gallium-Alkoxy-Halogenide sind polymer.All of the novel gallium alkoxy halides described above can be used according to the invention. They are white, extremely finely divided amorphous powdery substances that are insoluble in all common organic solvents, against air and humidity They are insensitive and thermally stable up to higher temperatures without melting and without decomposition. they are easy to isolate from the respective reaction mixtures by filtration or centrifugation and can be washed out can be obtained in high purity with any inert or polar organic solvents. The gallium alkoxy halides are polymer.
Gallium-Alkoxy-Halogenid läßt sich ohne Sohwiergkeiten wegen seiner genannten Eigenschaften und wegen der Möglichkeit der Reindarstellung der Ausgangsstoffe insbesondere in einer Reinheit herstellen, die auch im Sinne der Halbleitertechnik als außerordentlich hoch zu bezeichnen ist.Gallium alkoxy halide can be used without any problems its properties mentioned and because of the possibility of pure preparation of the starting materials, in particular in one purity produce, which can also be described as extraordinarily high in terms of semiconductor technology.
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Da Arsin (AsH,) mit ebensolcher Reinheit herstellbar ist, entsteht beim erfindungsgemäßen Terfahren ein GaAs, aus dem durch Schmelzen und Kristallziehen ohne Schwierigkeiten und weitere MaßnahmenSince arsine (AsH,) can be produced with the same purity, it arises in the inventive method a GaAs, from which by melting and crystal pulling without difficulty and other measures
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GaAs-Kristalle mit weit weniger als 10 , z.B. zwischen 10 undGaAs crystals with far less than 10, e.g. between 10 and
ic 12 15 1^ic 12 15 1 ^
10 , insbesondere 10 bis 10 , freie Ladungsträger pro cm erzeugt werden können.10, in particular 10 to 10, free charge carriers per cm can be generated.
In der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das pulverförmige Gallium-Alkoxy-Halogenid bei Temperaturen zwischen 300 und 800°0 mit; Arsin umgesetzt. Die Reaktionstemperaturen sind dabei so gewählt, daß das Arsin sich im wesentlichen nicht thermisch zersetzt, sondern mit dem Gallium-Alkoxy-Halogenid chemisch reagiert. Bei niedrigen Temperaturen ist Arsin zwar thermisch stabil, aber die Geschwindigkeit der genannten chemischen Reaktion ist im allgemeinen zu klein. Bei hohen Temperaturen, bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit an sich stark zunähme, tiberwiegt schließlich die thermische Zersetzung des Arsins so stark, daß die Ausbeute an GaAs wieder zu gering würde.In the first stage of the process according to the invention, the powdered gallium alkoxy halide at temperatures between 300 and 800 ° 0 with; Arsine implemented. The reaction temperatures are chosen so that the arsine does not decompose essentially thermally, but chemically with the gallium alkoxy halide reacted. At low temperatures, arsine is thermally stable, but the speed of the chemical reaction mentioned is generally too small. At high temperatures, at which the reaction rate per se would greatly increase, ultimately predominates the thermal decomposition of arsine is so severe that the yield of GaAs would again be too low.
Es hat sich daher als sehr zweckmäßig erwiesen, das pulverförmige Gallium-Alkoxy-Halogenid in einem länglichen aufrechten Wirbelschichtreaktionsofen, in dessen Heizzone die Temperatur von unten nach oben von etwa 300°0 auf etwa 8000O ansteigt, mit Hilfe von von unten eingeblasenem Arsin so aufzuwirbeln, daß die Gallium- -Alkoxy-Halogenid-Teilohen in einer Art "Staubsäule" in der Heizzone in der Schwebe gehalten werden.It has therefore proven to be very useful to place the pulverulent gallium alkoxy halide in an elongated upright fluidized bed reaction furnace, in the heating zone of which the temperature rises from the bottom to the top from about 300 ° 0 to about 800 0 O, with the help of arsine blown in from below swirled up in such a way that the gallium-alkoxy-halide-Teilohen are kept in suspension in a kind of "dust column" in the heating zone.
In dieser Säule reagiert jedes Gallium-Alkoxy-Halogenid-Molekül mit Arsin, wenn für letzteres Wasserstoff als Trägergas verwendet wird, etwa nach der Formel für die Me thoxy-Verbindung:Every gallium alkoxy halide molecule reacts in this column with arsine, if hydrogen is used as the carrier gas for the latter, for example according to the formula for the methoxy compound:
(6) (CH3O)2GaX + AsH3 + 2 H2 ^GaAs + 2H2O + 2 OH. + HX +(6) (CH 3 O) 2 GaX + AsH 3 + 2 H 2 ^ GaAs + 2H 2 O + 2 OH. + HX +
Energieenergy
Das entstehende GaAs ist pulverförmig. Das Halogen X kann vorzugsweise Chlor oder Brom sein.The resulting GaAs is powdery. The halogen X can preferably Be chlorine or bromine.
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Da die Stoffe auf der rechten Seite von Gleichung (6) hohe Bildungsenergien besitzen, erfolgt die Reaktion praktisch quantitativ. Außer dem GaAs sind alle diese Stoffe gasförmig. Bs kann sich dabei allgemein um Wasserdampf, Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Halogenwasserstoffe und deren Substitutions- und Additionsprodukte, soweit diese wenigstens bei den angegebenen hohen Temperaturen gasförmig sind, handeln. Die genannten gasförmigen Stoffe werden zweckmäßig durch eine Abgasöffnung im oberen Teil des Ofens abgeblasen. Since the substances on the right-hand side of equation (6) have high formation energies the reaction is practically quantitative. Except for the GaAs, all of these substances are gaseous. Bs can do it generally about water vapor, hydrocarbons, alcohols, hydrogen halides and their substitution and addition products, provided they are at least at the specified high temperatures are gaseous, act. The gaseous substances mentioned are expediently blown off through an exhaust gas opening in the upper part of the furnace.
Als Trägergas kann anstelle von Wasserstoff - wie in Gleichung (6) angegeben - auch ein Inertgas, z.B. Stickstoff oder Argon, verwendet werden. Auf die Bildung des GaAs hat das keinen Einfluß. Jedoch ist es in vielen Fällen günstiger, Wasserstoff zu benutzen. Durch die Wahl von Wasserstoff als Trägergas wird jegliche Abscheidung von Kohlenstoff vermieden, da auftretende organische Zersetzungsprodukte sofort abgesättigt und flüchtig aus der Reaktionszone entfernt werden. Ohne Verwendung von Wasserstoffträgergas können evtl. geringe Mengen Kohlenstoff in das GaAs gelangen.As a carrier gas, instead of hydrogen - as in equation (6) specified - an inert gas, e.g. nitrogen or argon, can also be used. This has no influence on the formation of the GaAs. However, in many cases it is cheaper to use hydrogen. The choice of hydrogen as the carrier gas eliminates any deposition of carbon avoided because organic decomposition products occur immediately saturated and volatile removed from the reaction zone. Without the use of hydrogen carrier gas small amounts of carbon may get into the GaAs.
Da Galliumarsenid spezifisch schwerer als Gallium-Methoxy-Halogenid ist, fällt aus dem im Ofen aufgewirbelten Material das GaAs, nachdem es entstanden ist, nach unten. Das GaAs setzt sich dann im unteren Ende des Ofens ab, insbesondere auf einem Sieb, durch das das Arsin evtl. zusammen mit einem Trägergas geblasen wird. Fällt das sich in der Wirbelschicht bildende GaAs auf ein solches Sieb, so ist es zweckmäßig, auf dem Sieb eine etwa konstant dicke GaAs- -Schicht zu belassen, damit das aufgewirbelte Gallium-Alkoxy-Halogenid-Pulver stets etwa dem gleichen statischen Arsin-Druck (von unten) ausgesetzt ist. Es ist daher insbesondere günstig, schon anfänglich eine GaAs-Schicht auf das Sieb aufzubringen und das GaAs in dem Maße, in dem es gebildet wird, aus dem Ofen zu nehmen. Die Entnahme des GaAs kann in gewissen zeitlichen Abständen oder kontinuierlich erfolgen. Gleichzeitig kann das Gallium-Alkoxy-Halogenid entsprechend ergänzt werden. Dieses Material kann insbesondere von oben in den Ofen eingebracht werden.Because gallium arsenide is specifically heavier than gallium methoxy halide is, the GaAs falls from the material whirled up in the furnace after it has arisen down. The GaAs then settles in the lower end of the furnace, especially on a sieve, through the the arsine may be blown together with a carrier gas. If the GaAs forming in the fluidized bed falls on such a sieve, So it is advisable to leave a GaAs layer of approximately constant thickness on the sieve so that the gallium-alkoxy-halide powder is swirled up is always exposed to approximately the same static arsine pressure (from below). It is therefore particularly cheap, yes initially applying a GaAs layer to the screen and removing the GaAs from the furnace as it is formed. The removal of the GaAs can take place at certain time intervals or continuously. At the same time, the gallium alkoxy halide be supplemented accordingly. This material can in particular be introduced into the furnace from above.
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Das anfallende Galliumarsenid wird, insbesondere wenn es zu optisch wirksamen Halbleiterkörpern verarbeitet werden soll, anschließend geschmolzen und dann in Form von kristallinen Barren oder Stäben erstarrt. Das kann evtl. unter Anwendung eines Ziehverfahrens im horizontalen Schiffchen, z.B. nach der Bridgman-Methode, oder durch Kristallziehen, z.B. nach der Czochralski-Methode, ausgeführt werden. Auch für das epitaxiale Aufwachsen kann als Ausgangsstoff das G-aAs-Pulver verwendet werden.The resulting gallium arsenide will, especially if it is too optical Effective semiconductor bodies are to be processed, then melted and then in the form of crystalline bars or rods stiffens. This can be done using a drawing process in the horizontal boat, e.g. using the Bridgman method, or by Crystal pulling, e.g. carried out according to the Czochralski method will. The G-aAs powder can also be used as a starting material for epitaxial growth.
Da das GaAs aus zwei Elementen mit sehr verschiedenem Dampfdruck am Schmelzpunkt besteht, wird zweckmäßig bei diesen Verfahren über der Schmelze üblicher Weise eine Atmosphäre des leichter flüchtigen Arsens mit solchem Partialdruck aufrechterhalten, daß eine Verarmung der.Schmelze an Arsen - also eine Unstöchiometrie des GaAs - nicht auftreten kann. Dieser Arsen-Partialdruck beträgt (über der GaAs-Schmelze bei ca. 12380C) etwa 0,9 Atm.Since the GaAs consists of two elements with very different vapor pressures at the melting point, an atmosphere of the more volatile arsenic is usually maintained above the melt with such a partial pressure that a depletion of arsenic in the melt - i.e. an unstoichiometry of the GaAs - is expediently maintained in this process. cannot occur. This arsenic partial pressure is about 0.9 atm (above the GaAs melt at approx. 1238 ° C.).
Es wurde bisher bei der GaAs-Herstellung für unbedingt erforderlich gehalten, mindestens diesen Arsen-Partialdruck über der GaAs-Schmelze aufrechtzuerhalten, damit Gallium und Arsen in der Schmelze stöchiometrisch zusammengesetzt bleiben Und sich beispielsweise bei Arsen-TJnterdruck keine makroskopischen Gallium-Einschlüsse im Kristall bilden. Solche Gallium-Einschlüsse können sich nämlich bei vielen Anwendungen des GaAs als elektrische Halbleiterbauelemente, z.B. Tunneldioden oder Laser, sehr schädlich auswirken. Auch das erfindungsgemäße GaAs kann in dieser bekannten Weise - also bei Arsen-Überdruck über der GaAs-Schmelze verarbeitet werden.It has hitherto been absolutely necessary in the manufacture of GaAs held to maintain at least this arsenic partial pressure over the GaAs melt, so that gallium and arsenic in the Melt remains stoichiometrically composed and, for example, with arsenic negative pressure, there are no macroscopic Form gallium inclusions in the crystal. Such gallium inclusions can prove to be very useful in many applications of GaAs as electrical semiconductor components, e.g. tunnel diodes or lasers harmful effects. The GaAs according to the invention can also be processed in this known manner - that is to say at an excess pressure of arsenic above the GaAs melt will.
Es hat sich aber herausgestellt, daß wenigstens eine geringe ünstöchiometrie der GaAs-Schmelze bei der Herstellung von GaAs- -Kristallen, insbesondere solchen für optische Anwendungen, nicht nur nicht stört, sondern sogar deutlich zur Verbesserung der Eigenschaften des GaAs gegenüber in bekannter Weise hergestellten GaAs-Kristallen beiträgt; vor allem wird durch einen geringen Arsen-Mangel die Durchlässigkeit des GaAs (im Durchlässigkeitsbereich) um einige Prozent erhöht.However, it has been found that at least a slight instoichiometry of the GaAs melt in the production of GaAs -Crystals, especially those for optical applications, not only do not interfere, but even significantly improve contributes to the properties of the GaAs compared to GaAs crystals produced in a known manner; especially is by one low arsenic deficiency the permeability of GaAs (in the permeability range) increased by a few percent.
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Daher kann, insbesondere beim Ziehen von GaAs-Kristallen für optische Geräte, gemäß weiterer Erfindung über der Schmelze ein Arsen-Druck aufrechterhalten werden, der kleiner ist als der der Temperatur der Schmelze entsprechende Arsen-Dampfdruck von etwa 0,9 Atm. Geeignete Arsen-Partialdrucke sind in diesem Sinne z.B. 0,6 bis 0,8 Atm, insbesondere etwa 0,8 Atm.Therefore, especially when pulling GaAs crystals for optical Apparatus, according to a further invention, an arsenic pressure is maintained above the melt, which is less than that of Temperature of the melt corresponding arsenic vapor pressure of about 0.9 atm. Suitable arsenic partial pressures in this sense are e.g. 0.6 to 0.8 atm, especially about 0.8 atm.
Anhand der schematischen Zeichnung werden weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der Verwendung der Methoxy-Verbindungen erläutert; es zeigen:Based on the schematic drawing, further details of the method according to the invention are shown using the example of the Methoxy compounds illustrated; show it:
Fig. 1 einen Wirbelschichtreaktionsofen und Fig. 2 eine Kristallziehapparatur.1 shows a fluidized bed reaction furnace and Fig. 2 shows a crystal pulling apparatus.
In einem vertikal angeordneten Wirbelschichtreaktionsofen (Reaktor), wie er in Fig. 1 scheinatisch dargestellt ist, kann die erfindungsgemäße Umsetzung des Gallium-Methoiy-Halogenids mit Arsen kontinuierlich durchgeführt werden. Die Reaktorwand 1 besteht beispielsweise aus Quarzglas. Die den etwa rohrförmigen Reaktor umgebende Heizung ist mit 2 bezeichnet. Sie kann z.B. so eingestellt sein, daß im unteren Teil des Reaktors ca. 3000C und im oberen Teil ca. 800 C herrschen. In diese Heizzone des Reaktors kann beispielsweise von oben durch die Zuführung 3 Gallium-Methoxy-Halogenid-PuIver 4, etwa durch Ingangsetzung des Gebläses 5, eingebracht werden. Gleichzeitig kann von unten durch die Zuführung 6 mit einem Gebläse 7 Arsin so eingeblasen werden, daß dessen statischer Druck das Gallium-Methoxy-Halogenid-Pulver in der Heizzone etwa zwischen der 3000C- und der 800°C-Marke in der Schwebe hält. Durch eine weitere Leitung 8 kann dem Arsin ein Trägergas, wie Wasserstoff, Stickstoff oder Argon beigemischt werden, dessen Menge evtl. mittels eines Ventils 9 kontrollierbar ist. Bei richtiger Einstellung des Arsin- (+Trägergas)-Druckes befindet sich das in den Reaktor eingebrachte Pulver 4 im dynamischen Gleichgewicht in einer "Staubsäule" 10 (gepunktet gezeichnet) in der Heizzone des Reaktors.In a vertically arranged fluidized bed reaction furnace (reactor), as shown schematically in FIG. 1, the inventive reaction of the gallium methoiy halide with arsenic can be carried out continuously. The reactor wall 1 consists, for example, of quartz glass. The heater surrounding the roughly tubular reactor is denoted by 2. It can, for example, be set so that approx. 300 ° C. and approx. 800 ° C. prevail in the lower part of the reactor. Gallium methoxy halide powder 4 can, for example, be introduced into this heating zone of the reactor from above through the feed 3, for example by starting the fan 5. At the same time, 7 arsine can be blown so from the bottom through the feeder 6 with a blower that its static pressure in the heating zone is approximately between 300 0 C and 800 ° C mark in the balance holds the gallium-methoxy-halide powder . A carrier gas, such as hydrogen, nitrogen or argon, can be added to the arsine through a further line 8, the amount of which can possibly be controlled by means of a valve 9. If the arsine (+ carrier gas) pressure is set correctly, the powder 4 introduced into the reactor is in dynamic equilibrium in a "dust column" 10 (shown in dotted lines) in the heating zone of the reactor.
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In der Heizzone wird dann - wie oben erläutert - feinpulvriges GaAs gebildet, welches infolge seines relativ hohen spezifischen Gewichts nicht vom Arsin-Strom in der Schwebe gehalten wird und daher nach unten fällt. Dort kann es z.B. von einem Sieb 11 aufgefangen werden, das in Gegenrichtung von Arsin durchströmt wird. TJm den Arsin-Gasstrom nicht unkontrollierbar durch die GaAs-Pulverschicht 12 zu beeinflussen, ist es zweckmäßig, eine GaAs-Schicht 12 von etwa konstanter Dicke aufrechtzuerhalten. Dazu kann schon vor Beginn der Reaktion eine GaAs-Schicht der gewünschten Dicke auf das Sieb 11 aufgebracht werden und das sich dann neu bildende GaAs, insbesondere kontinuierlich, aus dem Reaktor entnommen werden. Zu diesem Zweck ist z.B. eine öffnung 13 im Reaktor geeignet. Es ist dabei sehr vorteilhaft, das Sieb 11 (Siebplatte) mit einer Kühleinrichtung 14 (z.B.Wasserstromkühler) zu kühlen, um ein vorzeitiges Zersetzen des Arsenwasserstoffs (Arsin) zu verhindern.In the heating zone then - as explained above - finely powdered GaAs formed, which due to its relatively high specific weight is not kept in suspension by the arsine flow and therefore falls down. There it can be caught e.g. by a sieve 11 through which arsine flows in the opposite direction will. The arsine gas flow is not uncontrollable through the GaAs powder layer To influence 12, it is expedient to maintain a GaAs layer 12 of approximately constant thickness. In addition a GaAs layer of the desired thickness can be applied to the sieve 11 even before the start of the reaction and this is then renewed Forming GaAs, in particular continuously, removed from the reactor will. An opening 13 in the reactor, for example, is suitable for this purpose. It is very advantageous to have the sieve 11 (Sieve plate) with a cooling device 14 (e.g. water flow cooler) to prevent premature decomposition of the arsine (Arsine) to prevent.
Die neben dem festen, pulverförmigen GaAs bei der Umsetzung des Gallium-Methoxy-Halogenids mit dem Arsin entstehenden Nebenprodukte (z.B. Wasser, Kohlenwasserstoffe, Halogenwasserstoff und deren Spaltprodukte) sind sämtlich flüchtig und können gasförmig durch eine Abgasöffnung 15, die evtl. mit einem Regelhahn 16 versehen ist, aus dem Reaktor entfernt werden. Nicht umgesetztes Arsen wird zweckmäßig an dem Kühlfinger 17 kondensiert.In addition to the solid, powdery GaAs in the implementation of the Gallium methoxy halide with the arsine formed by-products (e.g. water, hydrocarbons, hydrogen halides and their Fission products) are all volatile and can be gaseous through an exhaust gas opening 15, which may be provided with a control valve 16 is to be removed from the reactor. Unreacted arsenic is expediently condensed on the cold finger 17.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann, wie beschrieben, kontinuierlich, aber auch diskontinuierlich betrieben werden. Im letzteren Falle kann sich anfangs in einem vertikal angeordneten Wirbelbett-Reaktor 1 gemäß Pig. 1 auf der Siebplatte 11 eine gegebene Menge des umzusetzenden Gallium-Methoxy-Halogenids befinden.The process according to the invention can, as described, continuously, but can also be operated discontinuously. In the latter case, it can initially be in a vertically arranged fluidized bed reactor 1 according to Pig. 1 on the sieve plate 11 are a given amount of the gallium methoxy halide to be converted.
Dann kann - ebenso wie beim kontinuierlichen Verfahren - zunächst durch langsames Durchströmen von Wasserstoff von unten (Leitung 8) jeglicher Luftsauerstoff aus dem System verdrängt und anschließend der Reaktionsraum durch eine äußere Heizung 2 auf die gewünschte Reaktionstemperatur gebracht werden. Ist diese erreicht, wirdThen - as with the continuous process - initially by slowly flowing through hydrogen from below (line 8) any atmospheric oxygen is displaced from the system and then the reaction space is set to the desired level by an external heater 2 Reaction temperature are brought. If this is achieved, will
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durch Anheben der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs die Wirbelsäule eingestellt (die jeweiligen Wirbelpunkte sind dabei je nach Substanz zuvor experimentell zu bestimmen) und in beliebigen Verhältnissen Arsenwasserstoff beigemischt. Bei dem diskontinuierlichen Verfahren sind der obere Einfüllstutzen 3 und die Ausgangsleitung 13 (Fig.1) nicht erforderlich.the spine is adjusted by increasing the flow rate of the hydrogen (the respective vertebral points are included to be determined experimentally beforehand depending on the substance) and arsine is added in any proportions. In the case of the discontinuous Procedure, the upper filler neck 3 and the outlet line 13 (Fig. 1) are not required.
Eine extreme Feinteiligkeit des eingebrachten Reaktionsgutes gestattet die Einstellung des jeweiligen Wirbelpunktes mit relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten. Dies bewirkt sowohl beim kontinuierlichen als auch beim diskontinuierlichen Verfahren ψ einerseits einen optimalen Temperaturausgleich innerhalb des Reaktionsgutes, andererseits eine nahezu quantitative Reaktion mit dem zugeftihrten Partner infolge einer erhöhten "Treffer-Wahrscheinlichkeit" .The extremely fine division of the reaction material introduced allows the respective vortex point to be set with relatively low flow velocities. In both the continuous and the discontinuous process ψ, this results in an optimal temperature equalization within the reaction mixture, on the one hand, and an almost quantitative reaction with the partner supplied due to an increased "hit probability" on the other.
Das gebildete Galliumarsenid wird auf der Siebplatte 11 gesammelt; sollte die Reaktion nicht quantitativ durchgeführt' worden sein, kann es in einfacher Weise durch Behandeln mit warmem Wasser von nicht umgesetzten Methoxyd befreit werden.The gallium arsenide formed is collected on the sieve plate 11; should the reaction not have been carried out quantitatively, it can be freed from unreacted methoxide in a simple manner by treating it with warm water.
Das im Reaktor erfindungsgemäß gewonnene pulverförmige GaAs kann anschließend geschmolzen werden und z.B. durch Kristallziehen in die kristalline Phase übergeführt werden. In Fig.2 ist ein fc Beispiel einer Kristallziehvorrichtung schematisch gezeichnet. Die GaAs-Schmelze 20 befindet sich in einem mittels einer Hochfrequenz-Induktionsspule 21 beheizten Tiegel 22 (z.B. aus Graphit). Der gewachsene Kristallstab 23 wird bei 24 gehalten und mit der Ziehapparatur 25 nach oben (aus der Schmelze) gezogen. Geeignete Ziehgeschwindigkeiten liegen in* der Größenordnung von mm/min. Bei der Ziehapparatur kann es sich um eine magnetische Zieheinriohtung handeln. Diese kann z.B. aus einem von Graphit 30 umgebenen Weicheisenkern 31 und einem beweglichen Magneten 32, dessen Bewegung die Ziehvorrichtung folgt, bestehen.The powdery GaAs obtained in accordance with the invention in the reactor can are then melted and converted into the crystalline phase, e.g. by crystal pulling. In Fig.2 is a fc example of a crystal pulling device drawn schematically. The GaAs melt 20 is in a high-frequency induction coil 21 heated crucible 22 (e.g. made of graphite). The grown crystal rod 23 is held at 24 and with the Pulling apparatus 25 pulled upwards (from the melt). Suitable drawing speeds are in the order of mm / min. The pulling device can be a magnetic pulling device Act. This can e.g. consist of a soft iron core 31 surrounded by graphite 30 and a movable magnet 32, the movement of which the pulling device follows.
13 Patentansprüche
2 Figuren - 10 -13 claims
2 figures - 10 -
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Claims (13)
10 cm ,dadurch gekennzeichnet, daß pulverförmiges Gallium-Alkoxy-Halogenid bei Temperaturen zwischen etwa 3000C und etwa 8000C mit Arsin in der -AsH,- Heizzone eines Wirbelschichtofens aufgewirbelt und zur Reaktion gebracht wird und daß das sich dabei bildende Galliumarsenidpulver in eine zusammenhängende kristalline 3?orm übergeführt wird.1R - 1 ^
10 cm, characterized in that pulverulent gallium alkoxy halide is whirled up and reacted at temperatures between about 300 0 C and about 800 0 C with arsine in the -AsH, - heating zone of a fluidized bed furnace and that the gallium arsenide powder which is formed is in a coherent crystalline 3? orm is transferred.
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