←предыдущая следующая→
1 2 3 4 5 6 7
реакции является изменение кон¬центраций, которые возникают вследствие перепада температур или давлений. Процесс переноса перерабатываемого вещества состоит из трех этапов: 1) гетерогенной реакции газообразного переносчика с веществом источника, 2) перемещения газообраз¬ного соединения от источника к зоне роста, 3) гетерогенной ре¬акции, в результате которой выделяется переносимое вещество. Следует отметить, что при переносе, например, бинарного со¬единения только один из его компонентов переносится за счет обратимой газотранспортной реакции, второй же компонент мо¬жет переноситься в свободном состоянии (например, перенос GaAs).
Выбор гетерогенной реакции переноса осуществляют на ос¬нове следующих общих правил:
1. Перенос вещества посредством обратимой реакции может происходить лишь в том случае, если переносимый компонент конденсированной фазы фигурирует только в одной части урав¬нения.
2. Реакции, которые при равновесных условиях сильно сме¬щены в одну или другую сторону, не приводят к заметному пе¬реносу вещества.
3. Эффективность и направление переноса определяются суммарным изменением свободной энергии G = H—ТS. Если AS мало, то направление переноса определяется только знаком H. При экзотермических реакциях перенос осуществляется в на¬правлении от более низкой к более высокой температуре (T1T2), а при эндотермических — от более высокой к более низкой температуре (Т2Т1). Если при положительном значении ДЯ изменение энтропии AS имеет большое положительное зна¬чение, то перенос происходит в направлении Т2Т1, если же Д5 имеет достаточно большое отрицательное значение, то перенос происходит в направлении T1T2.
4. Выход реакции тем больше, чем больше суммарное изме¬нение свободной энергии; если значение константы равновесия (log Кр) сильно изменяется при изменении температуры, то вы¬ход реакции должен сильно изменяться с изменением темпера¬туры.
По закону действия масс константа равновесия гетерогенной реакции определяется парциальными давлениями газообразных компонентов реакции. Перенос осуществляется только при на¬личии отклонений от равновесия, как у источника, так и у по¬верхности роста. Степень же отклонений от равновесия опреде¬ляется температурой и значениями парциальных давлений ком¬понентов в обеих зонах.
Скорость массопереноса может быть ограничена либо диффу¬зионными и конвекционными процессами, либо скоростью гете¬рогенных реакций, протекающих в зоне источника и в зоне крис¬таллизации. В большинстве исследованных газотранспортных реакций скорость массопереноса лимитируется процессами пере¬мещения газа между зонами реакции.
Если суммарное давление паров в системе не превышает 2— 3 ат, для расчетов скорости массопереноса можно ограничиться учетом только диффузионных процессов.
Для повышения эффективности диффузионного переноса ком¬понентов было предложено располагать источник и подложку (в виде пластин) па очень близком расстоянии друг от друга. Зазор между пластинами не должен превышать 0,1 диаметра ис¬точника. Необходимый для процесса градиент температуры мож¬но регулировать в широких пределах, используя радиационный нагрев. При малых зазорах эффективность переноса близка к 100%, причем состав растущего кристалла довольно точно со¬ответствует составу источника, а его конфигурация подобна форме источника. Этот метод, получивший название «сэндвич метода», весьма удобен для изучения кинетики процессов пере¬носа в зависимости от температуры и давления паров перенос¬чика. С технологической точки зрения его главным недостатком является трудность очистки поверхности кристалла-подложки и источника непосредственно перед проведением процесса. «Сэнд¬вич метод» применяют главным образом для выращивания эпитаксиальных пленок.
Метод переноса может быть использован для выращивания
крупных монокристаллов. При проведении таких процессов не¬
обходимо локализовать зону выделения вещества на поверхно¬сти растущего кристалла. Хорошие результаты достигают при
использовании установки, представленной на рис. 6.35. Для соз¬дания резкого и строго локализованного перепада температур I
печь сопротивления (греющая спираль, намотанная на трубку '
из прозрачного кварца) располагают в водоохлаждаемой вакуумной камере. При вакууме 10~3-10~4 мм рт. ст. теплоизоляция
может быть обеспечена несколькими отражающими экранами,
расположенными вокруг печи Если высота одного или двух
внутренних экранов будет меньше высоты греющего элемента,
то на границе верхнего края этого укороченного экрана внутри
печи появится перепад температур (Т2Т1).
Предварительно откачанная и запаянная ампула, которая со¬держит материал, подлежащий перекристаллизации, и вешество-переносчик (йод хлор, хлороводород, вода), крепится к квар¬цевому штоку, который выводится из камеры через вакуумное уплотнение и может приводиться г, поступательное движение Во время разогрева печи вся ампула находится в области более вы¬сокой температуры Т2. После достижения стабильного температурного режима включается механизм вытягивания штока, и от¬тянутый на конус верхний конец ампулы проходит через зону перепада температур. Если скорость перемещения ампулы не¬сколько меньше или равна линейной скорости роста кристалла (которая определяется скоростью поставки молекул, содержа¬щих кристаллизуемый материал), то реакция будет происходить на поверхности растущею кристалла При росте в результате реакций переноса линейная скорость роста обычно не превышает одного — нескольких микрон в минуту, а потому длительность процесса выращивания достаточно большою кристалла состав¬ляет несколько недель.
Нередко метод реакции переноса применяют не только для выращивания монокристаллов или пленок, но и для очистки ма¬териала от примесей.
Методы переноса в протоке.
Во многих случаях, например, для выращивания эпитаксиальных пленок элементарных полупроводников или соединений с не¬значительными отклонениями от стехиометрии процессы переноса намного удобнее проводить в проточных системах. В проточных системах реакция у источника контролируется независимо, т. е. значения Т и Р в зоне источника не связаны со значениями Т и Р в зоне кристаллизации Скорость переноса молекул летучего сое¬динения может регулировался скоростью потока газа-носителя, что позволяет увеличить скорость переноса Наконец, в проточ¬ном методе легко вводить легирующие примеси или избыток одного из компонентов соединения Расчет скорости переноса в проточных системах значительно проще, а потому легче устано¬вить условия проведения процессов. Перенос осу¬ществляется простои гетерогенной обратимой реакцией
IA(тв) + kB(г) jС(г)
которая происходит в аппарате, изображенном на рис. 636. Газ — реагент В проходит под исходным веществом А и образует соединение С, которое в интервале температур Т2Т1 находит¬ся в газообразном состоянии. Молекулы соединения С, увлекае¬мые избытком газа В или инертным газом (например, гелием или аргоном), переносятся в зон) кристаллизации, находящуюся при температуре Т1, где происходит обратная реакция разложе¬ния молекул С на твердое вещество А и газ В. Эта реакция про¬исходит как па стенках аппарата, так и на монокристаллических подложках-затравках, предварительно введенных в аппарат. По¬скольку поверхность подложки значительно меньше поверхности стенок аппарата, то выход материала, нарастающего на подлож¬ку, невелик.
Обозначим через в число молей газа реагента В, вводимого в аппарат, через п'В —число молей газа В, находящихся в сво¬бодном состоянии в зоне Т1 , через п"В —число молей газа В в зоне Т2, через п’с и п"с число молен соединения С соответственно в зонах Т1 и Т2. Баланс компонента В
nB=n’B+k/j *n’C= n’’B+k/j n’’C 6.57
Количество вещества А, вступающее в реакцию с В при тем¬пературе Т2, в пересчете на моль вводимого в систему реагента В, составляет i/j* n’C/nB.
Количество вещества А, выводимого из системы током газа T1 ,i/j• n’C/nB.
Количество вещества А (nA), выделяющегося при температу¬ре T1,
NA/nB = i/j• n’C/nB.– i/j• n’’C/nB.= i/j• n’C/nB. (6,58)
Поскольку имеем дело с газом, целесообразно вводить в ра¬счеты значения парциальных давлений всех компонентов РВ и РС- Тогда можно написать:
nC/nB=PC/PB (1/(1-PC/PB(j-k/j))
Если j = k, то выражение в скобках равно единице. Если же j=/=k, но PCPB , то и тогда выражение в скобках можно принять равным единице. Объединяя уравнения (6.57) и (6.58), находим количество перенесенного вещества А:
nA = i/j•PCnB/PB 6.60
Зная величину констант равновесия для прямой и обратной реакций при температурах Т1 и Т2 и принимая, что общее давление в системе равно РB(РB>РC), можно рассчитать Рс, а сле¬довательно, и выход реакции.
Расчеты эффективности реакций переноса сводятся, таким образом, к определению разности парциальных давлений моле¬кул-переносчиков в зонах источника и кристаллизации. Перенос вещества существует тогда, когда эта разность имеет достаточно большое значение.
1.2. Соединения A11 BVI . Общие свойства.
К группе алмазоподобных полупроводниковых соединений AnBVI относятся следующие соединения: CdS, CdSe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdTe, HgSe, HgTe. Межатомные связи осуществляются sp3 электронами, т. е. принимается, что
←предыдущая следующая→
1 2 3 4 5 6 7