DE2538946C3

DE2538946C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Einkristalls

Info

Publication number: DE2538946C3
Application number: DE2538946A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Gillessen; Albert J. Marshall; Carl-Heinz 6054 Oberroden Schuller
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-09-02
Filing date: 1975-09-02
Publication date: 1979-09-13
Also published as: JPS52100973A; DE2538946B2; DE2538946A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristall? aus einer binären Verbindung, wobei man in eine Ampulle die Komponente mit dem höheren Dampfdruck (Komponente B) und darüber in einem Tiegel die Komponente mit dem geringeren Dampfdruck (Komponente A) und einen Keimkristall der binären Verbindung einbringt, die Komponente A nach Verschließen der Ampulle: zum Schmelzen bringt und nach Sättigung mit der Komponente B die Schmelze in einem Temperaturgradienten absenkt. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In neuer Zeit besteht ein stärkeres Interesse daran, Kristalle aus /4mßv-Verbindungen mit hoher Perfektion herzustellen. Im Vordergrund stehen hierbei Lumineszenzdioden hoher Lichtausbeute auf der Basis von Galliumarsenid und Galliumphosphid. Derartige Dioden wurden bisher entweder nach dem Czochralskiverfahren bei hohem Druck, durch Epitaxie oder mittels eines kombinierten Verfahrens unter Verwendung von Epitaxie und Diffusion hergestellt. Die nach diesen Verfahren hergestellten Dioden weisen jedoch einen den technischen Anforderungen nicht genügenden Wirkungsgrad auf, oder die Verfahren sind sehr aufwendig.

Kristalle der eingangs genannten Art mit einer geringeren Anzahl von Fehlstellen lassen sich nach dem sogenannten SSD-Verfahren herstellen. Bei der Herstellung von Galliumphosphid wird das Verführen derart durchgeführt, daß der Krislall sich in einer Cialliumschmel/.e befindet, die mit Phosphorclamof bei einem Druck von etwa I bar in Verbindung Mehl. Die GalliiimobrrfläVhe befindet sich auf einer höheren Temperatur als der bereits gebildete Kristall. Der Phosphor reagiert an der Oberfläche mit dem geschmolzenen Gallium zu Galliumphosphid, wird dann in der Schmelze als Phosphor gelöst und diffundiert zu der Kristalloberfläche, um dort zusammen mit dem Gallium als Galliumphosphid abgeschieden zu werden. Die Einleitung des anfänglichen Kristallwachstums erfolgt durch eine geeignete Formgebung des Tiegelbodens oder durch Bekeimung.

Der Nachteil des vorgenannten Verfahrens besteht

jedoch darin, daß lediglich Kristalle mit polykristallienem Aufbau erhalten werden, die für Lumineszenzanwendungen nicht geeignet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren so zu verbessern, daß Einkristalle hoher Perfektion erhalten werden. Insbesondere soll ein Verfahren verfügbar gemacht werden, das die Herstellung lichtemittierender Dioden hoher Lichtausbeute auf der Basis von .Auißv-Verbindungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls aus einer binären Verbindung, wobei man in eine Ampulle die Komponente mit dem höheren Dampfdruck (Komponente B) und darüber in einem Tiegel die Komponente mit dem geringeren Dampfdruck (Komponente A) und einen Keimkristall der binären Verbindung einbringt, die Komponente A nach Verschließen der Ampulle zum Schmelzen bringt und nach Sättigung mit der Komponente B die Schmelze in einem Temperaturgradienten absenkt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man vor dem Einbringen der Komponente A auf den Tiegelboden, der aus einer konischen Verjüngung und sich anschließenden Einschnürung des Tiegels ausgebildet ist, einen stäbchenförmigen Keimkristall so einbringt, daß er den Raum unterhalb der Einschnürung ausfüllt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht in einer Ampulle, einem im oberen Teil der Ampulle angeordneten Tiegel und einer die Ampulle umgebenden, einen Temperaturgradienten bewirkenden Heizeinrichtung, wobei der Tiegel erfindungsgemäß am Boden konisch verjüngt ausgebildet ist und der verjüngte Teil in die Einschnürung übergeht. In vorteilhafter Weise ist am Boden des Tiegels ein Wärmeleitkörper angeordnet. Dadurch läßt sich das Kristallwachstum erhöhen.

Das Wesen des Verfahrens soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Als Material dient Galliumphosphid. Die beanspruchte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist beispielsweise in der Figur dargestellt.

Eine Quarzampulle | befindet sich mit ihrer unteren Hälfte in einem Ofen 2. Der Tiegel 3 zur Aufnahme der Schmelze 4 ist am Boden 5 konisch ausgebildet und geht in eine Einschnürung 6 über. Unterhalb der Einschnü-

" rung 6 befindet sich ein stäbchenförmiger Keimkristall 7, dessen mit der Schmelze in Berührung stehende Oberfläche eine vorbestimmte Orientierung aufweist. Zur Beheizung der Schmelze ist eine Induktionsspule 8 vorgesehen, die von einem HF-Generator mit einer

^W) maximalen Ausgangsleistuni; von b kW bei 5 Mh/ betrieben wird. Durch die induktive Heizung wird ebenfalls wie durch einen Wärmelcitkörper eine Erhöhung des Temperaturgradienten in Richtung von der Schmelzoberfläche zur Kristalloberfläche bewirkt

^h' Unterhalb des Tiegels 3 k;inn wahlweise cm Wärmeleitkörper 9, beispielsweise aus Graphit, vorgesehen werden. Am unteren Ende der Quar/ampulle I befindet sich ein Phosphorrcscrvoir 10. Vor Beginn der

Abscheidung wird eine vorbestimmte Menge Galliumphosphid in fester Form 11 zugegeben, so daß die Schmelze unter Auflösen des Galliumphosphids bei der Arbeitstemperatur mit Phosphor entsprechend dem Phasendiagramm gesättigt ist. Auch bei Verwendung anderer Stoffpaare der AmBv-Verbindungen gilt allgemein, daß die Schmelze 4 vor der Abscheidung mit der zweiten Komponente gesättigt wird.

Zur Durchfünrung des Verfahrens wird der Ofen 2 auf eine Temperatur von etwa 420⁰C eingestellt Unter dieser Bedingung stellt sich in der Ampulle 1 ein Phosphordampfdruck von etwa 1 bar ein. Die Beheizung der Schmelze erfolgt derart, daß ihre Oberfläche auf einer Temperatur zwischen 1100 und U 50" C liegt, während die Kristalloberfläche sich suf einer Temperatur von 1000 bis 1050⁰C befindet. Um eine Auflösung des Keimkristalls zu vermeiden, wird

s gleich zu Anfang der Schmelze Galliumphosphid in einer derartigen Menge zugesetzt, daß die Schmelze bei der Arbeitstemperatur mit Phosphor gesättigt ist Für die Durchführung des Verfahrens ist es vorteilhaft, die Ampulle langsam und definiert derart abzusenken, daß

ίο die Kristallwachstumsfläche etwa auf gleicher Temperatur gehalten wird. Bei Wachstumsraten von etwa 3 bis 5 mm pro Tag konnten Kristalle hoher Perfektion mit einer Länge von etwa 50 mm gezüchtet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls aus einer binären Verbindung, wobei man in eine Ampulle die Komponente mit dem halberen Dampfdruck (Komponente B) und darüber in einem Tiegel die Komponente mit dem geringeren Dampfdruck (Komponente A) und einen Keimkristall der binären Verbindung einbringt, die Komponente A nach Verschließen der Ampulle zum Schmelzen bringt und nach Sättigung mit der Komponente S die Schmelze in einem Temperaturgradienten absenkt, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Einbringen der Komponente A auf den Tiegelboden, der aus einer konischen Verjüngung (5) und sich anschließenden Einschnürung (6) des Tiegels ausgebildet ist, einen stäbchen- förmigen Keimkristall (7) so einbringt, daß er den Raum unterhalb der Einschnürung (6) ausfüllt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Ampulle, einem im oberen Teil der Ampulle angeordneten Tiegel und einer die Ampulle umgebenden, einen Temperaturgradienten bewirkenden Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (3) am Hoden konisch verjüngt ausgebildet ist und dali der verjüngte Teil in die Einschnürung (6) übergeht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des Tiegels (3) ein Wärmeleitkörper(9) angeordnet ist.