SU1701758A1

SU1701758A1 - Способ получени монокристаллов фосфида галли

Info

Publication number: SU1701758A1
Application number: SU894741414A
Authority: SU
Inventors: Юрий Алексеевич Окунев; Валерий Геннадьевич Елсаков; Игорь Михайлович Искорнев; Юрий Анатольевич Росс
Original assignee: Научно-исследовательский институт материаловедения им.А.Ю.Малинина
Priority date: 1989-09-28
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1991-12-30

Abstract

Изобретение относитс к способам получени монокристаллов фосфида галли и позвол ет уменьшить плотность дефектов структуры и.предотвратить растрескивание монокристаллов диаметром более 50 мм. Выт гивают кристалл из расплава с флюсом под давлением инертного газа. Из флюса выт гивают со скоростью 0,25-0,75 мм/мин. Охлаждают кристалл до 500-700&deg;С, затем нагревают на 50-200&deg;С со скоростью 0,7- 7,0&deg;С/мин, уменьша при зтом давление до атмосферного со скоростью 0,5-2 атм/мин, после чего продолжают охлаждение до комнатной температуры со скоростью не более 12&deg;С/мин. 1 табл.

Description

Изобретение относитс к технологии получени монокристаллов полупроводниковых соединений А3В5, предназначенных дл использовани в оптоэлектронике при производстве датчиков и приемников света.

Известен способ получени монокристаллов фосфида галли диаметром до 50 мм, включающий выт гивание монокристалла из расплава под слоем флюса при повышенном давлении инертного газа. Способ предусматривает выращивание монокристаллов с плотностью дислокаций 1 Ю5 за счет установлени в направлении выращивани монокристалла следующих градиентов температуры: вблизи поверхности флюса (над флюсом)-менее 150°С/см, во флюсе 150-250°С/см и в расплаве 50-150°С/см. Выращенный монокристалл отрывают от расплава путем увеличени скорости пыт гивани , вывод т при этой же скорости из флюса и охлаждают до комнатной температуры с посто нной

скоростью. Давление понижают до атмосферного после осаждени монокристалла до комнатной температуры.

Недостатками способа вл ютс : высока плотность дефектов структуры и больша веро тность растрескивани монокристаллов фосфида галли при охлаждении, св занные с неравномерным охлаждением наружных и внутренних областей монокристаллов диаметров более 50 мм вследствие пластичности фосфида i алли при достаточно низкой температуре ( 600°С); повышенна неоднородность распределени электрофизиче их и структурных параметров по сечению монокристаллов, св занна с периферийным искривлением фронта кристаллизации при выращивании монокристалла большого дпаметрл.

Наиболее бпизким к предлагаемому вл етс способ получгнчч монокристаллов А В5, включающий выт гивание монокристалла из расплава под г;пем флюса при

(Л

С

о

vj СЛ 00

пониженном давлении инертного газа, отрыв монокристалла от расплава путем увеличени скорости выт гивани и выведение монокристалла из сло флюса с ток же скоростью , охлаждение монокристалла до температуры , составл ющей 90% от средней температуры, которую ммел кристалл после выращивани . Дл фосфида галли эта температура равна 900-1050°С. Одновременно с охл аждением монокристалла понижают давление до р 50% от критического( 20 атм) со скоростью 0,5-2,0 атм/мин. Последующее охлаждение монокристалла до комнатной температуры производ т со скоростью 20°С/мин. После охлаждени мд,нокристап- ла до комнатной температуры понижают давление до атмосферно о.

Недостатками способа вл ютс высока плотность дислокаций в монокристаллах диаметром более 50 мм из-за сохранени материалом пластичности до температуры 600°С; высока плотность S- мок травлени , вызванна тем, что при медленном охлаждении монокристалла до температуры 960-1050°С наблюдаетс распад твердых растворов легирующих и фоновых примес-ей; растрескивание моно- кристалпов диаметром более 50 мм из-за неравномерного охлаждени монокристалла при РОСЮЯННОМ снижении температуры в услови х газовой конвекции;наличие трещин и сколов на пластинах после операции резки монокрис1аллов из-за высокого уровн термоупругих напр жений, что приводит к снижению выхода годных пластик.

Целью изобретени вл етс уменьшение плотности дефектов структур и предотвращение растрескивани монокристаллов диаметром более 50 мм.

Поставленна цель достигаетс тем, что в способе получени монокристаллов, включающем выт гивание монокристалла из расплава под слоем флюса при повышенном давлении инертного газа, отрыв монокристалла от расплава путем увеличени скорости выт гивани , выведение монокристалла из сло флюса, охлаждение до комнатной температуры и снижение давлени до атмосферного со скоростью 0,5-2 атм/мин, выведение монокристалла из сло флюса осуществп ют со скоростью 0,25 - 0,75 мм/мин, после охлаждени до 500- 700°С монокристалл дополнительно нагревают на 50-200°С со скоростью 0,7-7°С/мин при снижении давлени до атмосферного во врем нагрева и затем провод т охлаждение до комнатной температуры со скоростью а 1,5-3 раза меньшей, чем при охлаждении до 500- 700°С.

Сущность изобретени состоит в том, что предлагаемые режимы выведени монокристалла из сло флюса и последующего охлаждени до комнатной температуры позвол ют свести к минимуму возникновение дефектов структуры типа дислокаций, термических напр жений, S- мок травлени и др. в монокристаллах диаметром более 50 мм, обеспечива услови равномерного

охлаждени внутренних и наружных областей монокристалла в процессе охлаждени до комнатной температуры. Созданием таких условий исключаютс термоудары, образование и неравномерное распределение

дислокаций, предотвращаетс растрескивание монокристаллов за счет снижени вели- чин термонапр жений и снижаетс веро тность образовани дефектов, вл ющихс следствием распада твердых растворов примесей.

При скорости выведени монокристалла из сло флюса более 0,75 мм/мин имеет место повышение плотности дислокаций на его нижнем торце, монокристалл растрескиваетс из-за термоудара. При скорости менее 0,25 мм/мин заметного снижени дефектов структуры на наблюдаетс , но необоснованно удлин етс процесс охлаждени монокристалла. При этом плотность

S- мок травлени возрастает. Если перед нагревом провод т охлаждение до температуры выше 700°С, в кристалле возникают трещины, вл ющиес следствием возникновени больших величин термонапр жений при росте из-под сло флюса при повышенном давлении инертного газа. Если перед нагревом провод т охлаждение до температуры ниже 500°С, плотность дефектов структуры не снижаетс , так как при

этой температуре материал тер ет пластичность и упор дочение кристаллической решетки не происходит.

Повышение температуры монокристалла более чем на 200°С с одновременным

понижением давлени до атмосферного приводит к ухудшению структурного совершенства за счет нарушени стехиометрии приповерхностных областей монокристаллов и распада твердых растворов примесей.

При нагреве менее чем на DO°C повышаетс веро тность растрескивани монокристалла за счет повышени величин . термонапр жений из-за сплошного сло флюса на его поверхности.

Повышение температуры со скоростью более 7°С/мин приводит к растрескиванию монокристалла из-зэ наличи тррмоудароз и повышени на этой основе величин термонапр жений .

Повышение температуры со скоростью менее 0,7°С/мин нецелесообразно из-за резкого увеличени времени процесса без заметного эффекта повышени структурного совершенства монокристаллов.

Пои скорости последующего охлаждени монокристалла менее чем в 1,5 раза меньшей скорости первоначального охлаждени происходит растрескивание монокристалла из-за неравномерного охлаждени его внутренних и наружных областей при диаметре более 50 мм.

При скорости охлаждени более чем в 3 раза меньшей скорости охлаждени до температуры 500-700°С повышаетс плотность дислокаций из-за более длительного времени нахождени пластичного материала при повышенной температуре.

Отрыв монокристалла от расплава по предлагаемому способу, как и по способу- прототипу и другим известным техническим решени м, осуществл ют путем увеличени скорости подьема верхнего штока с закрепленным на нем монокристаллом до 10 - 300 мм/мин. Скорость охлаждени моно- крИсталла до 500-700°С, т.е. до начала дополнительного нагрева,составл ет, как и по другим известным способам, не более 20°С/мин.

Пример 1. В тепловую систему установки Полюс устанавливают кварцевый тигель диаметром 152 мм, в который загружают 3 кг поликристаллического фосфида галли и 720 г борного ангидрида. Тигель помещают в повтор ющую его форму графитовую подставку, установленную через переходник на нижнем штоке установки . На верхнем штоке укрепл ют держатель с монокристаллической ориентированной затравкой размером 4x4x50 мм. Камеру герметизируют , создают npcm аодавление инертного газа 60 атм и нагревают тигель с исходной загрузкой до i емперзтуры плавлени фосфида галли , равной 1470°С. Снижают температуру расплава до начала кристаллизации, производ т затравливание и выт гивают монокристалл из расплава по методу Чохрзльского, Скорость выт гивани монокристалла 20 мм/ч, скорость вращени тигл 6 об/мин, скорость вращени кристалла 4 об/ммн.

Отрыв монокристэллают расплава производ т посредством увеличени скорости выт гивани до 70 мм/мин, Затем вывод т монокристалл из флюса подъемом со скоростью 0,5 мм/мин до выхода нижнего торца на высоту 10 мм от поверхности флюса.

Охлаждают монокристалл до 600°С со . скоростью Vi - 6°С/мин. Повышают температуру в зоне охлаждени монокристалла на AT 100°С со скоростью 2,5°С/мик с одновременным снижением давлени инертного газа до атмосферного со скоростью 1,5

атм/мин.

После снижени в камере печи давлени до атмосферного охлаждают монокристалл до комнатной температуры со скоростью V2 3°С/мин (/1 2 N/2). Датчиками температуры служат термопары типа ВР 5/20, спаи которых наход тс в зоне охлаждени монокристалла вблизи верхнего и нижнего торцов.

После охлаждени монокристалла до

комнатной температуры его извлекают из камеры, измер ют максимальный и минимальный диаметры. Провод т визуальный контроль кристалла на наличие трещин. От ториов отрезают пластины дл измерени

плотности дислокаций, S- мок травлени и электрофизических параметров. Затем кристалл разрезают на пластины перпендикул рно оси.выращивани с целью изготовлени подложек дл эпитаксиальной технологии . Производ т отработку пластин, имеющих трещины и сколы ла рассто нии от кра более 0,1 диаметра ппастины.

В таблице приведены примеры выполнени способа. Примеры 1-8 выполнены в

пределах за вл емых интервалов параметров способа, примеры 9-20 - с выходом за предлагаемые пределы, примеры 21 и 22 выполнены по прототипу.

Предлагаемый способ получени монокристаллов фосфида галлич имеет по срав- нению :: прототипом следующие преимущества: снижазтс плотность дефектов струк- туры в монокристаллах большого диаметра; на 25-30% уменьшаетс растрескивание

монокристаллов Б процессе охлажден и поспедуюшей резки на пластины. Выход годных пластин повышаетс с 40 до 65%.

45

CD о р м у л а изобретена

Способ получени мо окристаллоз фосфида галли , включающий выт гивание кристалла из расплава, покрытого слоем флюса под давлением инертного газа, превышаю0 щим ат эсферное, выведение кписталла из сло флюса и его последующее охлаждение и снижение давлени газа до атмосферного со скоростью 0,5-2,0 атм/мин, отличаю- щ и и с тем, что, с целью уменьшени

5 плотности дефектов структуры и предотвращени растрескивани монокристаллов диаметром более 50 мм, кристалл вывод т из флюса со скоростью 0,25-0,75 мм/мин, сначала охлаждение ведут до 500-700°С, затем кристалл нагревают на 50-200°С со скоростью 0,7-7,0°С/мин, а снижение давлени осуществл ют во врем нагрева, после чего

охлаждают кристалл до температуры не выше 30°С со скоростью не белее 12°С/мин.

Продолжение

Claims

Формула изобретений

Способ получения мочохристаллоз фосфида галлия, включающий вытягивание кристалла из расплава, покрытого слоем флюса под давлением инертного газа, превышающим атмосферное, выведение кристалла из слоя флюса и его последующее охлаждение и снижение давления газа до атмосферного со скоростью 0,5-2,0 атм/мин, отличающ и й с я тем, что, с целью уменьшения плотности дефектов структуры и предотвращения растрескивания монокристаллов диаметром более 50 мм, кристалл выводят из флюса со скоростью 0.25-0,75 мм/мин, сначала охлаждение веду: до 500-700°С, затем кристалл нагревают на 50~200°С со скороΊ стью 0,7-7,0°С/мин, а снижение давления охлаждают кристалл до температуры не выосуществляют во время нагрева, после чего ше 30°С со скоростью не белее 12°С/мин.

Пример Технологический режим получения м/к Скорость отрыв&м/к рт расплава, мм/мин Скорость выведения м/к и» слоя флюса, . мк/иин Температура охлаждения до нагрева, ®с Скорость охлаждения м/к нагрева V₍ ,*С/мин Температура нагрева м/к co сбросом давления, АТ,⁰ С Скорость нагрева м/к, °С/Мин Скорость снижения давления до атмосферного атм/мин Скорость охлаждения н/к после нагрева, V₂ ,°С/мин 1 70 0,5 600 6(2V_S) 100 2,5 1,5 3 2 10 0,25 500 8(2V₂) 100 2,5 0,5 4 3 300 0,75 600 4<2V_t) 50 2,5 1,0 2 . 4 100 0,5 700 6(2V₂) 100 0,7 2,0 3 5 70 0,5 600 6(1,5V_z) 200 3 1,5 4 6 70 0,5 600 6 (3V₂) 100 7 1,5 2 7 ⁷⁰ 0,5 600 6(2V₂) 100 3 1,5 3 8 ⁷⁰ 0,5 600 6(2v₂) 100 3 1,5 3 9 70 0,2 600 6(2V₂) 100 3 1,5 3 10 70 0,8 600 6(2v₂) 100 3 1,5 3 11 70 0,5 450 6(2V₂) 100 3 1,5 3 12 ⁷⁰ 0,5 750 6(2v₂) 100 . 3 1,5 . 3 13 70 0,5 600 6(2V_e) 40 3 1,5. 3 14 70 о>5 600 6(2V₄) 220 3 1,5 3 15 70 0,5 600 6(2v₂) 100 0,’6 1,5 3 16 70 0,5 600 6(2V₂) 100 7,5 1,5 3 17 70 0,5 600 6(4v₂) 100 3 1,5 1,5 18 70 0,5 600 6(1,2v₂) 100 3 1,5 5,0 19 70 0,5 600 6(2V₂) 100 3 0,3 3 20 70 0,5 600 6(2V_£) 100 3 2,5 3 21 70 - 1100 10 - 1,0 10 22 70 - doo. 10 - - 1,0 10

Продолжение таблицы

Пример

Параметры полученных м/к Диаметр.м/к, мм Плотность дислокации, см ² Плотность S-ямок травления, см^-2 max min Верх Низ Верх | Низ

Наличие(Брак пластрещин тин по трев м/к щинам и сколам после резки кристалла, %

1 78 65 6<10⁴ 1 -10* 8-10⁴ 1-10⁵ Нет 0 2 80 76 8-Ю⁴ 2· 10* 8.10⁴ Нет 0 3 78 70 5 10* 8-10⁴ Нет 1 -10⁴ Нет 3 . 4 80 78 8-10* 1 ’10^s 5 -10⁴ 1 .10* Нет 0 5 76 65 6- 1 о⁴ 8-10⁴ Нет Нет Нет 1 6 65 55 3 -10* 5-10* Нет 1 -10⁵ Нет 2 7 51 52 4-10* 8 -10⁴ Нет ‘5-Ю⁴ Нет 0 • 8 60 55 8-10⁴ 2 -10* 5-10⁴ 1 -10⁵ Нет 0 ’ 9 55 55 1 -10^s 2 -10* 5-10⁵ 8-10⁵ Нет '15 10 60 55 2.10* 4-10* З-JO⁵ 6-ю⁵ Есть 45 11 60 55 ’з -Ιό* 5-10* 6-10⁴ 1 -io⁵ Нет 20 12 58 53 2-10* 3 -io⁵ 5 Ί0^? 1 -10^s Есть 62 13 61 57 1 ·10⁵ 3-10* 1 -10⁵ 5 -10⁵ Есть зо 14 54 52 8 ·10* 5 10⁵ 8-10⁵ 1-10⁶ Нет 50 15 58 54 2 -10^S 2 -10^S 1 -10⁵ 1-10⁶ Нет 15 ¹⁶ 55 53 . 1-10* 3--Ю* 2 ·10⁵ 5 -10^s Есть 56 17 62 52 3 -10^s 5 -10^S 4 ΊΟ⁵ 1 -10⁶ Нет 18 18 64 52 1-10^S 2 -10⁵ 8-10⁴ 2 -10⁵ Есть 44 19 65 ' 60 2-10* 3-10⁵ Г Ю⁵ 3 -10^s Есть 53 20 70 64 2-10^S 4 -10^s 5-10* 1-10⁶ Есть 48. 21 45 40 8 -10* 2-10⁵ 1 -10⁵ 5-10⁶ Нет 20 22 65 55 5 -io* 1 -10⁶ 6-10⁶ 1 -10⁷ Есть 62