DE2510587B2

DE2510587B2 - Vorrichtung zur herstellung von polykristallinen kompakten inp- und gap-ingots

Info

Publication number: DE2510587B2
Application number: DE19752510587
Authority: DE
Inventors: Klaus 8501 Eckental Zeuch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-03-11
Filing date: 1975-03-11
Publication date: 1977-02-17
Also published as: GB1534797A; DE2510587A1; CH619673A5; US4049373A

Description

InP- und GaP-EinkristaUe werden aus aufgeschmolzenem polykristallinem Material stöchiometrischer Zusammensetzung in einer senkrechten Ziehanlage gezogen. Das hierfür einzusetzende Material ist erst in eine geeignete Form zu bringen bzw. zu zerkleinern.

Galliumphosphideinkristalie, wie sie beispielsweise zur Fertigung von Lumineszenzdioden benötigt werden, können nach dem bekannten Schutzschmelzeverfahren aus einer Galliumphosphidschmelze gezogen werden. Das für die Schmelze notwendige polykristalline Galliumphosphid kann direkt aus den Elementen (DT-OS 23 17 797.1-41) hergestellt werden. Gemäß diesem Verfahren kristallisiert in einem trogförmigen Boot durch einseitiges gerichtetes Erstarrenlassen der Schmelze ein Galliumphosphidbarren aus.

Die bei der Synthese des polykristallinen Materials erhaltenen Barren haben im Gegensatz zu den Schmelztiegeln in der Einkristallziehanlage keinen kreisförmigen Querschnitt Die Barren sind daher zum Beschicken der Schmelztiegel in Stücke zu zerschlagen, die dann im Tiegel mit kreisförmigem Querschnitt unter einer B₂O3-Tablette aufgeschmolzen werden. Hierbei läßt es sich nicht vermeiden, daß die B₂O₃-Schmelze zwischen die GaP-Stücke läuft. Die Folge ist, daß nach dem ersten Aufschmelzen eine trübe undurchsichtige BjOj-Schutzschmelze resultiert. Deshalb muß man vor dem eigentlichen Kristallziehen in einem getrennten Arbeitsgang, dem sogenannten »Regulusschmelzen«. einen kompakten Ingot des Halbleitermaterials herstellen, der genau die Form des Schmelztiegels hat. Erst nach dem zweiten Schmelzvorgang unter einer B₂O₃-Tablette, bei dem nun der kompakte GaP-Ingot eingesetzt wird, erhält man erst die für die Einkristall-Zucht notwendige klare B₂O3-Schmelze als Deckschicht auf der Galliumphosphidschmelze.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes kompaktes InP- und GaP-Material herzustellen, das in einer Einkristallziehanlage unter hohem Stickstoffdruck ohne den bisherigen zusätzlichen Verfahrensschritt, dem Regulusschmelzen unter einer B₂O3-Tablette in einem Quarztiegel beim erstmaligen Aufschmelzen eine auf der InP- bzw. GaP-Schmelze schwimmende für die Einkristallzucht notwendige durchsichtige B₂O₃-Schmelze ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gelöst, mit welcher die polykristallinen kompakten GaP- und InP-lngots schon bei der Herstellung in genau der geometrischen Form gewonnen werden, die der Schmelztiegel in der Einkristallziehanlage hat. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das bei der Synthese des polykristallinen Materials verwendete Reaktionsboot 1 Schmelzsefäße 2 hat, die bereits die Form des Einkristallschmelztiegels bei der Einkristallzucht haben. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung sind in einem Reaktionsboot 1 Schmelzgefäße 2 untereinander durcn mindestens einen Verbindungskanal 3 verbunden, so daß bei der Synthese gleichzeitig mehrere Ingots mit den gleichen Abmessungen wie der Schmelztiegel aus der

ίο Einkristallzuchtanlage in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Aus einer beispielsweise galliumreichen Galliumphosphidschmelze kristallisieren hierbei mit fortlaufender Umsetzung in sämtlichen Schmelzgefäßen kompakte GaP-Ingots stöchiometrischer Zusammen-

setzung aus. Das freie nichtumgesetzte Gallium wandert mit der heißen Reaktionszone jeweils wie bei einer Dränage durch den Verbindungskanal. Das sich im letzten Schmelzgefäß ansammelnde Gallium kann bei der nächsten Synthese im ersten Schmelzgefäß wieder eingesetzt werden. Auf mehrere Ansätze bezogen wird eine nahezu 100%ige Ausbeute erreicht.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung fallen bereits bei der Synthese des polykristallinen Materials kompakte Ingots von vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt an, mit welchen es gelingt, die Einkristallzucht sofort nach dem ersten Aufschmelzen vorzunehmen, d. h. bei der Einkristallzucht ist der Verfahrensschritt des Regulus- und Ingotschmelzens nicht mehr notwendig. Besonders zu beachten ist auch die höhere Reinheit der Ingots, da das Material nur einmal aufzuschmelzen ist und die mechanische Zerkleinerung des polykristallinen Materials entfällt. Ferner wird bei optimaler Beschickung des Tiegels die Einsatzmenge bei der Einkristallzucht vergrößert und pro Einkristall sowohl die B₂O₃-Menge als auch die Anzahl der Quarztiegel auf die Hälfte reduziert. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, bereits bei der Herstellung von GaP bzw. InP stöchiometrischer Zusammensetzung ohne mechanische Bearbeitung kompakte Formkörper mit definierten geometrischen Abmessungen herzustellen.

Gemäß der Erfindung können Reaktionsboote mit beliebigen von der Zylinderform abweichenden Schmelzgefäßen eingesetzt werden. Reaktionsboote mit kreisförmigem Querschnitt und zylinderförmigen Schmelzgefäßen in Form von leicht konischen Bohrungen haben sich aber als besonders vorteilhaft erwit sen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. In den F i g. 1 und 2 sind Vorrichtungen nach der Erfindung in der Draufsicht und in F i g. 3 im Querschnitt dargestellt.

In einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist ein Raktionsboot 1 aus Graphit verwendet, in dem hintereinander mehrere kreisrunde, nach unten etwas enger werdende Bohrungen 2, die sogenannten Schmelzgefäße, gefräst sind. Diese Bohrungen 2 in der F i g. 1 von A bis G bezeichnet haben die Abmessungen des Schmelztiegels aus der Einkristallziehanlage. Sie können aber auch in der Form und Größe untereinander verschieden sein, wie dies beispielsweise Fig.2 veranschaulicht. Die Bohrungen 2 sind über einen Verbindungskanal 3 so miteinander verbunden, daß durch den Kanal das freie nicht umgesetzte Gallium mit der heißen Reaktionszone bis in das letzte Schmelzgefäß G wandern kann. Das heißt, der Verbindungskanal ist die Voraussetzung dafür, daß in den einzelnen Schmelzgefäßen A-F kreisrunde, einphasige GaP-Ingots auskristallisieren, obwohl im schmelzflüssigen Zustand die tiegelförmigen

Schmelzgefäße mit einer galliumreichen GaP-Schmelze gefüllt sind

Beispiel 1

In einem Graphilrundstab (Länge 300 mm. Durchmesser 50mm) werden 7 Stück Bohrungen 2 (Fig.3) mit einem oberen Durchmesser d\ = 36 mm, einem unteren Durchmesser cfe = 34 mm so und einer Höhe H = 30 mm eingefräst, daß, wie in F i g. 1 dargestellt, die 7 nach unten konisch verlaufenden Schmelzgefäße A-Gm einer Ebene liegen. Untereinander sind die Schmelzgefäßt mit einem 3 mm breiten Verbindungskanal 3 verbunden, der wie eine Dränage zum Abziehen des freien Galliums dient. Eingefüllt werden insgesamt 630 g Gallium, die sich im schmelzflüssigen Zustand auf die 7 Schmelzgefäße A-G gleichmäßig verteilen.

Zuerst wird bei der GaP-Synthese d"S Graphitboot 1 im Bereich der Schmelzgefäße A und B mit einer Induktionsheizung auf eine Temperatur von 125O⁰C erhitzt, bei der sich das darin befindliche Gallium mit Phosphor aus dem über dem Boot unter 10 atm ( = 10 bar) stehenden Phosphordampf absättigt. Beim anschließenden kontinuierlichen Verschieben der heißen Reaktionszone aus dem Bereich der Schmelzgefäße A und B in den Bereich der Schmelzgefäße B und C kristallisiert im Schmelzgefäß A aus einer galliumreichen GaP-Schmelze ein zylindrischer kompakter GaP-Ingot mil stöchiometnscher Zusammensetzung aus, denn das freie nicht umgesetzte Gallium ist mit der heißen Reaktionszone wie bei einer Dränage durch den Verbindungskanal 3 aus dem Schmelzgefäß A in das Schmelzgefäß B gewandert Mit fortlaufender Umsetzung erhält man so in den Schmelzgefäßen A-F 6 Stück kompakte, stöchiometrische GaP-Ingots. Der · Ingot aus dem Schmelzgefäß G, wo sich das freie Gallium quantitativ angesammelt hat, kann bei der nächsten Synthese im Schmelzgefäß A wieder eingesetzt werden, und man erreicht dadurch eine auf mehrere Ansätze bezogene nahezu lOO°/oige Ausbeute.
Nach dem Abschlagen oder Abschleifen der Verbindungsstege zwischen den einzelnen Ingots können diese mit einem Eigengewicht von 120—130 g polykristallinem GaP bei der Einkristallzucht im senkrechten Schmelztiegel unter B2O3 aufgeschmolzen werden. Die auf der GaP-Schmelze befindliche B₂O₃-Schmelze ist klar und durchsichtig und die Einkristallzucht mit einem eingetauchten Keim kann bereits nach dem ersten Aufschmelzen erfolgen.

Beispiel 2

Im selben Graphitboot, wie es im Beispiel 1 beschrieben wurde, werden 840 g Indium eingewogen, die bei der InP-Synthese bei einer auf 980^DC induktiv erhitzten Reaktionszone und einem Phosphordampfdruck von ebenfalls 10atm( = 10 bar) 6 Stück kompakte InP-lngots mit stöchiometrischer Zusammensetzung und einem Gewicht von 140—150 g ergeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von polykristallinen kompakten InP- und GaP-Ingots definierter geometrischer Form nach dem horizontalen Bridgman-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Synthese verwendete Reaktionsboot (1) Schmelzgefäße (2) hat, die bereits die Form des Einkristallschmelztiegels haben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzgefäße (2) im Reaktionsboot (1) untereinander durch mindestens einen Verbindungskanal (3) verbunden sind.