СПОСОБ СИНТЕЗА ПОЛИКРИСТАЛЛОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ГРУПП II-VI
METHOD OF SYNTHESISING POLYCRYSTALS OF SEMICONDUCTOR COMPOUND OF GROUPS II-VI

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу синтеза поликристаллов полупроводникового соединения групп II-VI в качестве исходных материалов для монокристаллов полупроводникового соединения групп II-VI и в частности относится к способу синтеза поликристаллов полупроводниковых соединений семейства CdTe, в частности поликристаллов CdTe.
Уровень техники
Поликристаллы полупроводникового соединения должны синтезироваться из элемента группы II и элемента группы VI для синтеза монокристаллов полупроводникового соединения групп II-VI. Обычно полупроводниковые соединения групп II-VI синтезируют посредством введения отдельного элемента группы II и отдельного элемента группы VI в полупроницаемую для воздуха внутреннюю емкость из pBN (пиролитического нитрида бора), герметизации внутренней емкости, помещения внутренней емкости в непроницаемую для воздуха внешнюю емкость в виде кварцевой ампулы, вакуумной герметизации внешней емкости и нагрева внешней емкости в электрической печи до температуры плавления или выше для плавления и взаимодействия исходных элементов.
Патентный документ 1 (патент Японии №2517803) и патентный документ 2 (Tokukai 2003-277197А), например, описывают такой вид способа синтеза поликристаллов.
Краткая сущность изобретения
Решаемая задача
При синтезе поликристаллов полупроводниковых соединений групп II-VI в качестве исходных материалов для монокристаллов полупроводниковых соединений групп II-VI желательно использовать емкость большего размера с тем, чтобы эффективно синтезировать большее количество поликристаллов за один раз для сокращения стоимости синтеза. Однако в случае, когда используют непроницаемую для воздуха кварцевую ампулу, как описано в Патентных документах 1 и 2, имеется проблема, заключающаяся в том, что чем больше размер кварцевой ампулы, тем сложнее манипуляции с кварцевой ампулой и тем легче разрушить кварцевую ампулу из-за увеличения давления во время синтеза, что приводит к понижению выхода.
В дополнение к этому, в способе синтеза с использованием кварцевой ампулы кварцевые ампулы расходуются на один процесс, поскольку синтезированные поликристаллы должны выниматься посредством разрушения ампулы после синтеза. Это также не приводит к снижению затрат.
Целью настоящего изобретения является создание способа синтеза поликристаллов полупроводниковых соединений групп II-VI без использования кварцевой ампулы в качестве емкости для синтеза поликристаллов, что приводит к увеличению размеров емкости для синтеза и к понижению затрат на синтез, в то время как выход не понижается.
Средства решения задачи
Для достижения указанной выше цели способ синтеза поликристаллов полупроводниковых соединений групп II-VI по п.1 включает стадии:
введения двух или более элементов исходных материалов в полупроницаемую для воздуха внутреннюю емкость из pBN и введения внутренней емкости в полупроницаемую для воздуха теплостойкую внешнюю емкость,
помещения внешней емкости в печь высокого давления, имеющую средства нагрева,
откачки (вакуумирования) печи высокого давления и заполнения печи высокого давления инертным газом при заданном давлении,
нагрева внутренней емкости и внешней емкости с помощью средств нагрева с тем, чтобы расплавить и ускорить взаимодействие элементов исходных материалов во внутренней емкости, и
охлаждения прореагировавших элементов исходных материалов с тем, чтобы ускорить рост поликристаллов.
В соответствии со способом, описанным выше, становится возможным увеличение размеров емкости для синтеза поликристаллов, поскольку нет необходимости использовать кварцевую ампулу, для которой сложно увеличить размеры, в качестве емкости для синтеза. Кроме того, при использовании кварцевой ампулы в качестве емкости для синтеза поликристаллов кварцевая ампула может взорваться в течение процесса синтеза и привести к прекращению процедуры синтеза, что вызывает понижение выхода. Однако настоящее изобретение предусматривает способ синтеза без использования кварцевой ампулы и вносит вклад в понижение затрат посредством повторного использования емкости.
Настоящее изобретение по п.2 представляет собой способ синтеза поликристаллов полупроводниковых соединений групп II-VI по п.1, в котором внешнюю емкость изготавливают из графита, а ее поверхность покрывают слоем покрытия.
Это позволяет легко манипулировать с внешней емкостью, поскольку внешнюю емкость изготавливают из графита. Также становится возможным ограничить утечку газообразных исходных материалов из внешней емкости во время нагрева посредством нанесения покрытия на поверхность внешней емкости, даже когда емкость изготавливают из графита.
Настоящее изобретение по п.3 представляет собой способ синтеза поликристаллов полупроводниковых соединений групп II-VI по п.1 или 2, в котором давление инертного газа в печи высокого давления перед нагревом составляет 0,5 МПа или более.
Становится возможным уменьшение утечек газообразных исходных материалов из емкости во время нагрева посредством установления давления инертного газа в печи высокого давления перед нагревом при 0,5 МПа или более.
Настоящее изобретение по п.4 представляет собой способ синтеза поликристаллов полупроводниковых соединений групп II-VI по п.3, в котором поликристаллы полупроводниковых соединений групп II-VI представляют собой поликристаллы CdTe, и скорость увеличения температуры на стадии нагрева составляет 100-2000 градусов С в час.
При установлении скорости увеличения температуры при нагреве 100-2000 градусов С в час не остается непрореагировавших материалов и синтез поликристаллов CdTe осуществляется полностью.
Технические эффекты, достигаемые по изобретению
В соответствии с настоящим изобретением становится возможным синтез поликристаллов полупроводниковых соединений групп II-VI без использования кварцевой ампулы в качестве емкости для синтеза, и, таким образом, становится возможным увеличение размеров емкости для синтеза, что приводит к понижению стоимости синтеза.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематическую структуру устройства для синтеза кристаллов, предназначенного для синтеза поликристаллов CdTe в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения,
Фиг.2 представляет собой схематический график, показывающий изменение температуры устройства для нагрева в ходе способа синтеза поликристаллов CdTe в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления настоящего изобретения, и
Фиг.3 представляет собой схематическую структуру обычного устройства для синтеза кристаллов, предназначенного для синтеза поликристаллов CdTe.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения будет поясняться ниже со ссылками на чертежи.
2
Фиг.1 представляет собой схематическую структуру устройства для синтеза поликристаллов полупроводниковых соединений групп II-VI, таких как поликристаллы CdTe, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. На Фиг.1 печь высокого давления, обозначенная символом 1, снабжена вакуумным насосом 3, соединенным с печью с помощью трубопровода 2а, и устройством 4 для создания высокого давления, соединенным с печью с помощью трубопровода 2b. Устройство для синтеза кристаллов выполнено таким образом, что печь 1 высокого давления откачивают с помощью вакуумного насоса 3 и внутренний воздух заменяют инертным газом, таким как газообразный азот (N), через трубопровод 2b, так что инертный газ нагнетают под давлением с помощью устройства 4 для создания высокого давления, с тем, чтобы контролировать давление в печи 1 высокого давления.
Устройство 4 для создания высокого давления может включать, например, контейнер для газов высокого давления. Давление в печи 1 высокого давления можно устанавливать на нужном уровне посредством введения газа в печь 1 из контейнера для газов высокого давления через клапан для понижения давления и контроллер 5 давления.
В соответствии с устройством для синтеза кристаллов по одному из вариантов осуществления емкость 6 для синтеза помещают вблизи центра печи 1 высокого давления и емкость 6 окружена нагревателем 7. Емкость 6 для синтеза имеет структуру двойного контейнера, состоящего из внутренней емкости 6а и внешней емкости 6b. Внутренняя емкость 6а состоит из цилиндрического тигля, имеющего отверстие в самой верхней части, и крышки в форме диска, имеющей диаметр почти такой же, как внешний диаметр самой верхней части тигля с отверстием, оба они изготавливаются из pBN.
Внешняя емкость 6b состоит из цилиндрического корпуса, имеющего диаметр чуть больше, чем у внутренней емкости 6а, и отверстие в самой верхней части, и крышку в форме диска, имеющую диаметр почти такой же, как внешний диаметр самой верхней части с отверстием у цилиндрического корпуса, оба они изготавливаются из графита. Поскольку внешняя емкость 6b, изготовленная из графита, является газопроницаемой, предпочтительно покрыть ее поверхность агентом для нанесения покрытия типа стекловолокна. Это приводит к уменьшению утечки газов из внешней емкости 6b.
В дополнение к этому, ее выполняют так, что крышка внешней емкости 6b может фиксироваться на цилиндрическом корпусе в полупроницаемом для воздуха состоянии с помощью винтов, которые не показаны на чертеже. Предпочтительно, высоту внутреннего пространства внешней емкости 6b выполняют так, чтобы она представляла собой такую же высоту, как общая высота внутренней емкости 6а. Посредством такого выполнения становится возможным предотвращение движения крышки внутренней емкости 6а, вызываемого внутренним давлением газов, поскольку крышка внешней емкости 6b прижимает вниз крышку внутренней емкости 6а с верхней стороны, когда крышка внешней емкости 6b фиксируется на цилиндрическом корпусе. Предпочтительным также является создание механизма открывания/закрывания крышки, для открывания и закрывания крышек, с тем, чтобы осуществлять газообмен емкости для синтеза в то же время, что и газообмен печи высокого давления перед синтезом.
Для получения поликристаллов CdTe, например, с помощью устройства для синтеза кристаллов на Фиг.1, блок 8 Cd заданной массы и блок 9 Те заданной массы помещают в тигель 6а из pBN в качестве внутренней емкости и закрывают крышкой. Затем тигель помещают во внешнюю емкость 6b, изготовленную из графита, и опускают крышку на внешнюю емкость и фиксируют ее на цилиндрическом корпусе на винтах. Затем внешнюю емкость помещают в печь 1 высокого давления, печь 1 откачивают с помощью вакуумного насоса 3, и вводят в печь инертный газ с помощью устройства 4 для создания высокого давления с тем, чтобы получить внутреннее давление при 0,5 МПа или более. Инертный газ, вводимый в печь высокого давления, может предотвратить утечку газообразных исходных материалов из емкости для синтеза в течение стадии повышения температуры.
После этого внутреннее пространство печи 1 высокого давления нагревают посредством подачи электрической энергии на нагреватель 7. Фиг.2 показывает изменение температуры в печи в течение стадии нагрева. Как можно увидеть на Фиг.2, сначала температуру в печи скачком временно поднимают примерно до 500 градусов С, при этой температуре Cd и Те начинают плавиться под действием тепла реакции, получаемого от первой реакции. Затем температуру в печи скачком временно поднимают примерно до 800-900 градусов С, поскольку происходит вторая реакция непрореагировавших (остающихся) Cd и Те. Если по-прежнему остаются непрореагировавшие Cd и Те, будут осуществлять третью реакцию примерно при 1000 градусов С.
Наконец, печь 1 высокого давления нагревают до 1092 градусов С в качестве температуры плавления CdTe и оставляют в этом состоянии в течение заданного периода времени с тем, чтобы Cd и Те полностью прореагировали с образованием CdTe. После этого внутреннее пространство печи охлаждают для ускорения роста поликристаллов CdTe. Затем емкость 6 для синтеза вынимают, крышки внутренней емкости 6а и внешней емкости 6b удаляют, а поликристаллы CdTe извлекают. В соответствии с настоящим изобретением нет необходимости в разрушении как внутренней емкости 6а, так и внешней емкости 6b, и обе они могут использоваться повторно.
Пример
Поликристаллы CdTe синтезируют с использованием устройства для синтеза кристаллов, описанного в иллюстративном варианте осуществления, имеющего тигель из pBN диаметром 6 дюймов (15 см) и высотой 40 см. Блок Cd и блок Те, в качестве исходных материалов общей массой 20 кг, помещают в тигель из pBN, печь 1 высокого давления откачивают и заполняют инертным газом при заданном давлении (например, 0,5 МПа), температуру повышают до 1092 градусов С в течение периода в 1 час, поддерживают это состояние в течение двух часов и охлаждают внутреннее пространство печи до комнатной температуры в течение пяти часов для роста поликристаллов CdTe в соответствии со способом, описанным выше. Эксперименты по синтезу повторяют 120 раз. Как внутренняя емкость 6а, так и внешняя емкость 6b вообще не разрушаются в течение всех 120 экспериментов.
Сравнительный пример 1
Как показано на Фиг.3, блок Cd и блок Те, общей массой 5 кг, помещают во внутреннюю емкость 6а из pBN диаметром 3 дюйм (7,6 см) и длиной 50 см, внутреннюю емкость 6а помещают в кварцевую внешнюю емкость (кварцевую ампулу) 6b и герметизируют в вакууме, и помещают в печь 1 высокого давления устройства для синтеза кристаллов, которое сходно с устройством, показанным на Фиг.1. Эксперименты по синтезу поликристаллов CdTe повторяют 120 раз в той же последовательности, как описано выше. То есть печь 1 высокого давления нагревают до 1092 градусов С в течение 11 часов, выдерживают в этом состоянии в течение двух часов и охлаждают до комнатной температуры в течение периода 35 часов. Случаи, когда внешняя кварцевая ампула взрывается, происходят два раза при первой-третьей реакциях из 120 экспериментов.
Сравнительный пример 2
Блок Cd и блок Те, общей массой 20 кг, помещают во внутреннюю емкость 6а из pBN диаметром 6 дюйм (15 см) и длиной 40 см, как показано на Фиг.3, внутреннюю емкость 6а помещают в кварцевую внешнюю емкость (кварцевую ампулу) 6b и герметизируют в вакууме, и помещают в печь 1 высокого давления устройства для синтеза кристаллов, которое сходно с устройством, показанным на Фиг.1. Эксперименты по синтезу поликристаллов CdTe повторяют 120 раз в той же последовательности, как описано выше. То есть печь 1 высокого давления нагревают до 1092 градусов С в течение 11 часов, выдерживают в этом состоянии два часа и охлаждают до комнатной температуры в течение периода 35 часов. Имеются случаи, когда внешняя кварцевая ампула взрывается в течение первой-третьей реакции с частотой один раз на каждые десять экспериментов.
Из сравнительных примеров 1 и 2 можно увидеть, что когда применяют обычный способ синтеза, при котором используют кварцевую ампулу в качестве внешней емкости 6b, кварцевая ампула может иногда взрываться, и частота таких случаев становится высокой, когда размер ампулы становится большим. Таким образом, при обычном способе синтеза с использованием кварцевой ампулы используемую для синтеза массу следует ограничить примерно 10 кг на одну загрузку. В соответствии с одним из иллюстративных вариантов осуществления и со сравнительными примерами 1 и 2 можно понять, что поликристаллы CdTe можно выращивать при использовании графитовой емкости вместо кварцевой ампулы в качестве внешней емкости 6b. В дополнение к этому, случаи, когда графитовая емкость взрывается в течение синтеза, не происходят, и, таким образом, графитовая емкость может использоваться повторно. Кроме того, можно использовать внутреннюю емкость 6а из pBN, имеющую диаметр 20 см или больше, и таким образом можно синтезировать, по меньшей мере, 20 кг или более поликристаллов за один синтез, что приводит к увеличению эффективности синтеза. Хотя начальные затраты на изготовление графитовой емкости выше, чем для кварцевой ампулы, общие затраты на синтез поликристаллов могут быть уменьшены, поскольку возможно многократное использование, несколько десятков раз, и исключается замена после единственного использования, которое происходит при использовании кварцевой ампулы.
Иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения описан подробно в качестве примера, и, таким образом, он не является ограничивающим. Например, внутреннее давление печи 1 высокого давления перед нагревом в одном из вариантов осуществления устанавливают при 0,5 МПа. Однако внутреннее давление не ограничивается 0,5 МПа, но, предпочтительно, может составлять от 0,5 МПа до 1 МПа.
Скорость увеличения температуры тоже не ограничивается вариантом осуществления. Она может составлять от 100 до 2000 градусов С в час. Описано, что в одном из вариантов осуществления печь 1 высокого давления заполняют инертным газом при заданном давлении. Однако она может быть выполнена так, что часть резервуара выполняют в печи 1 высокого давления, с тем, чтобы получать пары одного из исходных материалов (например, Cd).
В приведенном выше объяснении настоящее изобретение применяют для синтеза поликристаллов CdTe. Однако настоящее изобретение можно применять для синтеза поликристаллов полупроводниковых соединений групп II-VI, иных, чем поликристаллы CdTe.
Описание символов
1 - печь высокого давления
2а, 2b - трубопроводы
3 - вакуумный насос
4 - устройство для создания высокого давления
5 - контроллер давления
6 - емкость для синтеза (внутренняя емкость 6а, внешняя емкость 6b)
7 - нагреватель
8 - блок Cd
9 - блок Те