Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Этот метод получения монокристаллов германия имеет большие преимущества перед методом вертикального вытягивания кристаллов из расплава: монокристаллы германия получаются большой длины (>1 м), совершенной структуры и с равномерным удельным электрическим сопротивлением по длине и сечению кристалла.
Метод зонного выравнивания заключается в выращивании монокристаллов германия в горизонтальном направлении на установке, аналогичной установке для зонной очистки, но с применением только одной расплавленной зоны, после одного прохода которой получается легированный монокристалл германия.
Принципиальная схема установки процесса зонного выравнивания показана на рис. 127. Установка состоит из кварцевой трубы, в которой создана инертная атмосфера (азот, водород, гелий, аргон), с двумя нагревателями. Основной нагреватель обеспечивает расплавление зоны, а дополнительный — снятие напряжений в кристалле. Загрузкой служат поликристаллические слитки германия в виде специально приготовленных заготовок, отлитых из германия высокой степени чистоты. В качестве затравки применяют монокристаллический германий с ориентацией относительно продольной оси (111). Затравка и заготовка должны иметь одинаковую геометрическую форму.
Затравку и загрузку помещают в кварцевую лодочку, покрытую внутри слоем пироуглерода. Легирующую примесь (индий или сурьму) вводят в виде лигатуры, в которой примеси 1—2%. Несколько миллиграммов лигатуры помещают между затравкой и загрузкой германия в области начального расплавления зоны.
Лодочку помещают в установку таким образом, чтобы первая расплавленная зона захватила небольшую часть монокристаллической затравки и часть загрузки.
При этом все количество легируемой примеси будет находиться в жидкой зоне.
Лодочка с помощью тянущего механизма плавно передвигается в сторону полностью включенного дополнительного нагревателя со скоростью 2—3 мм/ч. Если твердая загрузка германия чистая (т. е. не содержит легирующей примеси), то по мере движения зоны и расплавления в ней чистой загрузки германия концентрация растворенных атомов легирующей примеси в жидкой зоне будет постепенно уменьшаться.
Для определения концентрации атомов примеси в кристалле Cs после прохождения одной зоны при чистом растворителе Пфанном было выведено уравнение в предположении, что: 1) объем жидкой зоны постоянный; 2) концентрация примеси в объеме жидкой зоны одинакова; 3) диффузия в твердой фазе отсутствует.
Уравнение имеет вид:
Cs = KCL0*e-Kx/l,
где К — равновесный коэффициент распределения;
CL0 — первоначальная концентрация примеси в жидкой зоне;
х — расстояние, на которое перемещается фронт кристаллизации.
По этому уравнению были вычислены и построены кривые распределения примесей по длине кристаллов, полученных зонным выравниванием при чистом растворителе для различных значений К примесей (рис. 128). На этом рисунке видно, что при малых значениях К примеси уменьшение Cs по длине слитка идет очень медленно, потому что уменьшение величины CL0 незначительно.
При K = 0,01 концентрация примеси в твердой фазе на расстоянии, равном 12l, уменьшается всего на 10%. С увеличением К концентрация примеси в кристалле по длине значительно убывает за счет снижения концентрации примеси в жидкой зоне. Из этих соображений для получения легированных монокристаллов германия методом зонного выравнивания целесообразно применять примеси с малым коэффициентом распределения, например в качестве донора — сурьму с K= 0,003, в качестве акцептора — индий с К=0,01.
Однако для легирования германия этим методом можно использовать примеси с К≥0,01.
Для получения равномерной концентрации примеси в кристалле в этом случае в твердую загрузку германия необходимо добавлять расчетное количество легирующей примеси для поддержания постоянства состава жидкой зоны. При расплавлении загрузки примесь будет переходить в жидкую фазу и затем в монокристалл.
При малом значении К коэффициента распределения примеси распределение ее по длине кристалла германия с применением чистой загрузки будет однородным в том случае, если объем жидкой зоны будет строго постоянным, так как в этом случае концентрация примеси CL в жидкой зоне будет изменяться обратно пропорционально изменению объема зоны.
На объем жидкой зоны может влиять изменение температуры, скорости движения зоны, неравномерное сечение твердой загрузки, изменение потока инертного газа и др.
Для уменьшения влияния температуры необходимо при точном контроле ее создание определенных температурных градиентов, например у расплавляющегося конца около 130 град/см, а на границе кристаллизации около 10 град/см.
Создание резкого температурного градиента у расплавляющегося конца загрузки обусловливает четкую границу между твердой и жидкой фазами и облегчает отвод тепла кристаллизации даже при сравнительно больших скоростях выравнивания.
Монокристаллы германия, полученные этим методом, характеризуются достаточно равномерным удельным электросопротивлением по длине и сечению кристалла, а также совершенной структурой решетки со средней плотностью дислокаций 1500 смг-2.