2.3.2. Получение монокристаллов из паровой фазы

Скорость роста кристаллов из газовой фазы значительно ниже (сотые доли мм/ч), чем при вытягивании из расплава. Методы применяются для выращивания тонких эпитаксиальных пленок, небольших кристаллов полупроводников и делятся на три группы: сублимация, химические реакции в газовой фазе, химические транспортные реакции.

Метод сублимации-конденсации применяется, когда вещество обладает высоким давлением пара и испаряется без разложения. Выращивание проводят в замкнутых (вакуумированные кварцевые трубки) или проточных системах с использованием инертного газа-носителя, в вертикальной или горизонтальной модификации (рис. 2.16).

С ущность заключается в испарении вещества и конденсации паров на растущей поверхности, где вследствие понижения температуры пар становится пересыщенным. Химический состав растущего кристалла идентичен составу паровой фазы. При выращивании в проточных системах пары вещества вводятся в зону кристаллизации потоком инертного газа (водород, аргон и др.). Выращивают совершенные кристаллы CdS, ZnO (в проточных и замкнутых системах), SiC (проточные системы) и твердые растворы на их основе.

Недостаток метода: самые большие кристаллы в процессе роста попадают в горячую зону, и их рост прекращается. Контейнер обычно перемещают относительно печи со скоростью, равной скорости роста кристалла. Метод называют «вытягивание из паровой фазы».

Метод химических реакций применяется для выращивания из газовой фазы кристаллов тугоплавких соединений, компоненты которых обладают малым давлением паров. Для получения кристаллов используются химические реакции разложения-восстановления. Кристалл образуется в результате химической реакции, которая протекает на поверхности подложки (или вблизи нее). Процесс роста включает: 1) выделение вещества на поверхности роста; 2) встраивание атомов в решетку кристалла. В горячей зоне камеры пар оказывается ненасыщенным, кристаллизация происходит на холодных частях системы. Для удаления побочных газообразных продуктов химической реакции используют проточные системы (рис. 2.17). М атериалом для роста кристалла служат летучие химические соединения, которые подаются в камеру. Соединения подвергаются термической диссоциации или восстановлению соответствующим газообразным восстановителем на поверхности роста, что приводит к выделению на ней атомов кристаллизующегося вещества.

Н едостаток метода: тщательный выбор смеси летучих химических соединений. Во время химических реакций все продукты реакции (за исключением компонентов кристалла) должны быть газообразными и не встраиваться в решетку кристалла. Выращивают монокристаллы: CdS из смеси водорода, кадмия и сероводорода; кремния восстановлением водородом из SiCl₄; кремния при термической диссоциации SiH₄. Легирование достигается добавлением к газу-носителю пара примесного компонента. Таким путем получены кристаллы CdS, легированные галлием, индием, серебром, сурьмой, хлором.

Метод химических транспортных реакций (рис. 2.18). При определенных значениях температуры и давления образуются летучие соединения. Над веществом проходит поток газа и уносит с собой газообразные продукты реакции, которые оседают в зоне кристаллизации. Преимущество метода: кристаллизацию проводят при температуре ниже температуры сублимации.