DE2543837A1

DE2543837A1 - Anordnung zum herstellen eines einkristalls

Info

Publication number: DE2543837A1
Application number: DE19752543837
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Gillessen; Albert J Marshall; Karl-Heinz Schuller
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-10-01
Filing date: 1975-10-01
Publication date: 1977-04-07
Also published as: DE2543837B2

Description

"Anordnung zum Herstellen eines Einkristalls"
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Herstellen eines Einkristalls aus einer binären Verbindung, wobei der Kristall in einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze einer ersten Komponente der Verbindung wächst und die zweite Komponente als Dampf mit der Oberfläche der Schmelze in Verbindung steht, in der Schmelze gelöst wird und zu dem auf niedrigerer Temperatur als die Schmelzoberfläche gehaltenen und bereits gebildeten Kristall diffundiert.
In neuerer Zeit besteht ein stärkeres Interesse daran, Eristalle aus AIII-Bv-Verbindungen mit hoher Perfektion herzustellen. Im Vordergrund stehen hierbei Lumineszenzdioden hoher Lichtausbeute auf der Basis von Gallium-Arsenid und Gallium Phosphid. Derartige Dioden wurden bisher entweder nach dem Ozochralski-Verfahren bei hohem Druck, durch Epitaxie oder mittels eines kombinierten Verfahrens unter Anwendung 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 Gallium-Phosphid wird das Verfahren derart durchgeführt, daß der Kristall sich in einer Galliumschmelze befindet, die mit Phosphordampf bei einem Druck von ca. 1 at in Verbindung steht. Die Galliumoberfläche befindet sich auf einer höheren Temperatur als der bereits gebildete Kristall. Der Phosphor reagiert an der Oberfläche mit dem geschm,olzenen 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 polykristallinem 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 AIII-V-Verbindungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird unter Anwendung des eingangs definierten Verfahrens dadurch gelöst, daß sich am Boden des Tiegels eine oder mehrere Öffnungen befinden, über denen am Tiegelboden ein flächenhafter Keimkristall zur Einleitung des Kristallwachstums liegt, daß der Tiegel aus einem Material besteht, das von der Schmelze nicht benetzt wird, und daß der Außenraum des Tiegels mindestens-im Bereich der Öffnung unter Unterdruck steht.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht der Tiegel aus glasartiger Kohle, deren Oberfläche von keinem der zur Anwendung kommenden Materialien praktisch benetzt wird. Der glasartige Kohlenstoff ist eine spezielle Art undurchlässiger Kohlenstoff-Formkörper. Er zeigt ein glasartiges Aussehen und weist die Vor- und Nachteile von Kohlenstoff und Glas auf. Die Formkörper aus glasartigem Kohlenstoff lassen sich mit einem hohen Reinheitsgrad herstellen. Zur Herstellung dient ein organisches Polymeres, wie z.B. Furanharz, Phenolharz oder Styrolharz, das in einer inerten Atmosphäre auf Temperaturen zwischen 1000 und 2000 °C erhitzt wird, wodurch eine Umwandlung in den glasartigen Kohlenstoff stattfindet.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß für die Schmelze eine induktive Beheizung vorgesehen ist. Auf diese Weise läßt sich ein hoher Temperaturgradient an der Grenzfläche zwischen der Schmelze und der Kristalloberfläche und damit eine hohe Wachstumsrate erzielen. Statt dessen oder auch zusätzlich kann am Tiegelboden ein Wärmeleitkörper vorgesehen werden. Dieser kann gleichzeitig auch den Tiegelboden bilden, wenn er aus einem porösen Material besteht, das von der Schmelze nicht benetzt wird, z.B. Graphit.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Schmelze vor der Abscheidung mit der zweiten Komponente gesättigt, um eine Auflösung des Keimkristalls zu verhindern. Dazu wird eine solche Menge der Verbindung in fester Form zugegeben, daß nach deren Abschmelzen die Schmelze bei der Arbeitstemperatur gesättigt ist.
Mit der Anordnung bzw. dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich Einkristalle aus insbesondere AIII'BV-Verbindungen mit hoher Perfektion herstellen. Als Schmelze wird immer diejenige Komponente gewählt, die den geringeren Dampfdruck aufweist, während die zweite Komponente einen genügend hohen Dampfdruck aufweisen muß, um ein nicht zu langsames Eristallwachstum zu erzielen.
Das Wesen der Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Als Material dient Galliumphosphid, während die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen beispielsweise Einrichtungen gemäß der Erfindung darstellen.
In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Quarzampulle 1 befindet sich in Fig.1 mit ihrer unteren Hälfte in einem Ofen 2. Die Schmelze 3 befindet sich in einem Tiegel 4, der an seinem Boden eine Öffnung 5 aufweist, über welcher der Keimkristall 6 liegt. Zur Beheizung der Schmelze 3 ist eine Induktionsspule 7 vorgesehen, die beispielsweise von einem HF-Generator mit einer maximalen Ausgangsleistung von 6 kW bei 5 NHz betrieben wird. Unterhalb des Tiegelbodens befindet sich ein Wärmeleitkörper 8 mit einer Längsbohrung, die eine Verbindung zwischen der Öffnung 5 im Tiegelboden und dem Innenraum der Quarzampulle 1 herstellt. Die Quarzampulle ist evakuiert, so daß die zwischen dem Impfkristall und der Auflagefläche des Tiegelbodens befindliche Luft über die Öffnung 5 entweichen kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 bildet der Wärmeleitkörper 8 den Boden des Tiegels 4. Wenn der Wärmeleitkörper 8 aus einem porösen Material, wie beispielsweise Graphit, besteht, können die Öffnung 5 im Tiegelboden und die Längsbohrung im Wärmeleitkörper entfallen. Der Unterdruck am Tiegelboden bildet sich über die Poren des Wärmeleitkörpers aus.
Da der Tiegel aus einem Material besteht, dessen Oberfläche von der Schmelze nicht benetzt wird, kann diese nicht zwischen den Keimkristall und den Tiegelboden laufen. Selbst wenn der Kristall spezifisch leichter als die Schmelze ist, wird der Keimkristall sicher am Tiegelboden gehalten. Am unteren Ende der Quarzampulle ist ein Phosphorreservoir 9 vorgesehen.
Zur Durchführung des Verfahrens wird der Ofen 2 auf eine Temperatur von etwa 420 °C eingestellt. Unter dieser Bedingung stellt sich in der Ampulle 1 ein Phosphordampfdruck von etwa 1 at ein. Die Beheizung der Schmelze erfolgt derart, daß ihre Oberfläche auf einer Temperatur zwischen 1100 und 1150 oG liegt, während die Kristalloberfläche sich auf einer Temperatur von 1000 bis 1050 oC befindet. Um eine Auflösung des Keimkristalls zu vermeiden, wird gleich zu Anfang der Schmelze Galliumphosphid in einer derartigen Menge 10 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 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.

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung zum Herstellen eines Einkristalls aus einer binären Verbindung, wobei der Kristall in einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze einer ersten Komponente der Verbindung wächst und die zweite Komponente als Dampf mit der Oberfläche der Schmelze in Verbindung steht, in der Schmelze gelöst wird und zu dem auf niedrigerer Temperatur als die Schmelz oberfläche gehaltenen und bereits gebildeten Kristall diffundiert, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Boden des Tiegels (4) eine oder mehrere Öffnungen (5) befinden, über denen am Tiegelboden ein flächenhafter Keimkristall (6) zur Einleitung des Kristallwachstums liegt, daß der Tiegel (4) aus einem Material besteht, das von der Schmelze (3) nicht benetzt wird, und daß der Außenraum des Tiegels (4) mindestens im Bereich der Öffnung (5) unter Unterdruck steht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (4) aus glasartiger Kohle besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine induktive Beheizung (7) für die Schmelze (3) vorgesehen ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Tiegelbodens ein Wärmeleitkörper (8) vorgesehen ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (8) aus porösem Material besteht und gleichzeitig den Tiegelboden bildet.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (8) aus Graphit besteht.
7. Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls unter Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelze vor Beginn der Abscheidung eine vorbestimmte Menge der Verbindung in fester Form zugegeben wird, so daß die Schmelze bei der Arbeitstemperatur mit der zweiten Komponente gesättigt ist.