3
5
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ПАРОВ ХЛОРИДА ГАЛЛИЯ ПРИ ГАЗОФАЗНОМ ОСАЖДЕНИИ СОЕДИНЕНИЙ AB

3
5
3
5
Заявляемая полезная модель относится к получению полупроводниковых соединений АВ и касается разработки устройства для подачи паров хлорида галлия при газофазном осаждении массивных (толщиной свыше 1 мм) слоев соединений АВ, используемых для изготовления подложек GaN, GaAs, GaP и др.
3
5
Известно устройство для подачи паров хлорида галлия при газофазном осаждении эпитаксиальных слоев соединений АВ, содержащее емкость для хлорида галлия, жестко связанную с емкостью для дозирования паров хлорида галлия в зону осаждения потоком газа носителя (см. J. Appl. Phys. Vol. 82, N 4, 1997, pp. 1890-1892).
3
5
Известное устройство пригодно для подачи паров хлорида галлия при газофазном осаждении эпитаксиальных слоев соединений АВ, т.к. уровень хлорида галлия, по мере прохождения газа-носителя в емкости дозирования, практически не будет изменяться из-за малого расхода хлорида галлия при выращивании тонких (до 20 мкм) слоев.
3
5
При получении массивных (толщиной свыше 1 мм) образцов соединений АA уровень хлорида галлия, по мере его расходования меняется, из-за этого меняется концентрация паров хлорида галлия в потоке газа-носителя, что приводит к неконтролируемому изменению скорости осаждения материала, изменению соотношения концентраций паров хлорида галлия с компонентами V группы, что, в свою очередь, может привести к получению материала нестехиометрического состава.
Упомянутое устройство взято в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является разработка устройства для подачи паров хлорида галлия при газофазном
3
5
осаждении массивных (толщиной свыше 1 мм) слоев соединений АA с заданными характеристиками (толщина, состав и др.).
3
5
Эта задача решается за счет того, что известное устройство для подачи паров хлорида галлия при газофазном осаждении соединений АA, содержащее две соединенные между собой емкости, одна из которых предназначена для хранения хлорида галлия, а другая - для дозирования паров хлорида галлия в зону осаждения потоком газа-носителя, согласно заявляемой полезной модели, устройство содержит термостат, в котором размещены упомянутые емкости, при этом емкость для дозирования жестко закреплена в нем, а емкость для хранения закреплена с возможностью движения относительно емкости для дозирования, емкости содержат верхний и боковой патрубки для ввода и вывода газа-носителя соответственно, при этом боковой патрубок емкости для хранения соединен с верхним патрубком емкости для дозирования, и нижние патрубки для перемещения жидкого хлорида галлия из емкости в емкость, соединенные между собой, при этом все соединения выполнены гибкими трубопроводами, а термостат при этом размещен на пьедестале с возможностью поворота на 90 градусов вокруг горизонтальной оси, совпадающей с осью входного патрубка емкости хранения и выходного патрубка емкости дозирования.
Соединение емкостей через нижние патрубки обеспечивает возможность перемещения жидкого хлорида галлия из емкости в емкость, а соединение емкости хранения через боковой патрубок с верхним патрубком емкости дозирования обеспечивает взаимодействие емкостей в режиме сообщающихся сосудов, т.е. уровень хлорида галлия в обеих емкостях будет одинаковым.
Соединение емкостей гибкими трубопроводами обеспечивает подвижность емкости хранения жидкого хлорида галлия относительно емкости дозирования.
Таким образом, обеспечивается возможность поддержания постоянного уровня жидкого хлорида галлия в емкости дозирования при его
расходовании за счет перемещения емкости хранения по высоте. За счет этого поддерживается постоянная концентрация хлорида галлия в потоке газа-носителя в продолжительных процессах выращивания массивных слоев.
3
5
Наличие термостата необходимо для поддержания заданной температуры в емкостях хранения и дозирования хлорида галлия и соединительных трубопроводах. Это позволяет поддерживать хлорид галлия в жидком состоянии, предотвращает конденсацию паров хлорида галлия в трубопроводах, обеспечивает возможность управления парциальным давлением хлорида галлия в газе-носителе. Увеличивая температуру термостата, можно повышать парциальное давление хлорида галлия в газе-носителе и увеличивать скорость осаждения слоев АВ, повышая тем самым производительность. При этом существенно, чтобы емкость для дозирования была жестко закреплена в термостате, а емкость для хранения закреплена с возможностью перемещения относительно емкости дозирования, т.к. только при таком закреплении емкостей в термостате возможно поддержание заданного уровня жидкого хлорида галлия в емкости дозирования, обеспечивающего постоянную концентрацию паров хлорида галлия в потоке газа-носителя при заданной температуре термостата и постоянном расходе газа-носителя в продолжительных процессах выращивания массивных слоев.
Существенным является также то, что термостат размещен на пьедестале с возможностью поворота на 90 градусов вокруг горизонтальной оси, совпадающей с осью входного патрубка емкости хранения и выходного патрубка емкости дозирования. Это необходимо для того, чтобы емкости хранения и дозирования с хлоридом галлия не разрушались при затвердевании расплава вследствие увеличения его объема при охлаждении ниже температуры плавления хлорида галлия - по окончании процесса, дозагрузки хлорида галлия или аварийной остановки.
Все отличительные признаки являются существенными, т.к. каждый необходим, а вместе они достаточны для поддержания постоянной концентрации хлорида галлия в газе-носителе в процессе его расходования
3
5
при получении соединений АВ, что обеспечивает получение массивных (толщиной свыше 1 мм) слоев с заданными характеристиками (толщина, состав и др.).
Заявляемое устройство представлено на рисунке.
3
5
Устройство для подачи паров хлорида галлия в зону осаждения слоев соединений АA состоит из емкости хранения хлорида галлия (1), емкости дозирования (2), гибких трубопроводов (11, 12, 13) и термостата (14). Обе емкости изготовлены из стекла.
Емкость хранения имеет четыре патрубка:
- верхний (5) для ввода газа-носителя;
- боковой (3) для загрузки трихлорида галлия;
- боковой (7) для выхода газа-носителя;
3
- нижний (9) для подачи жидкого GаСl (15) в емкость для
дозирования.
На патрубке (3) емкости хранения (1) имеется пробка для герметизации внутреннего объема емкости.
Емкость дозирования (2) имеет три патрубка:
- верхний (8) для ввода газа-носителя;
- боковой (6) для вывода газа-носителя с парами хлорида галлия;
3
- нижний (10) для приема жидкого GаСl (15) из емкости хранения.
3
Внутри емкости дозирования имеется сифонная трубка (4) для подвода газа-носителя к поверхности жидкого GаСl.
К верхнему (входному) патрубку (5) емкости хранения (1) подсоединен гибкий трубопровод (11), предназначенный для ввода газа-носителя в устройство.
3
Нижний патрубок (9) емкости хранения (1) соединен гибким трубопроводом (13) с нижним патрубком (10) емкости дозирования. Трубопровод (13) предназначен для перепускания жидкого GaCl из емкости в емкость.
3
3
Боковой патрубок (7) емкости хранения (1) соединен гибким трубопроводом (12) с верхним патрубком (8) емкости дозирования (2). Трубопровод (12) предназначен для подачи газа-носителя из емкости хранения в емкость дозирования (2) и выравнивания давлений в емкостях (1) и (2) при переливе жидкого GаСl из одной емкости в другую. Термостат предназначен для поддержания заданной температуры (в интервале 60÷200°С) трубопроводов (11; 12; 13), емкости хранения, емкости дозирования и загружаемого GаСl.
Емкость дозирования (2) жестко закреплена внутри термостата так, что выходной патрубок (6) находится на оси вращения А-А. Входной конец трубопровода (11) жестко закреплен на оси вращения А-А.
Емкость хранения (1) закреплена подвижно и может перемещаться по вертикали вдоль емкости дозирования (2).
Устройство размещают на пьедестале (на рис. не показан) с возможностью вращения на 90 градусов относительно горизонтальной оси А-А и оно фиксируется в одном из двух положений: рабочем или нерабочем. Рабочим является такое положение устройства, при котором емкости (1) и (2) расположены вертикально; нерабочим является такое положение, при котором емкости расположены горизонтально.
Устройство работает следующим образом.
3
3
Загрузку хлорида галлия в емкость (1) осуществляют в вертикальном положении. Перед загрузкой обе емкости продувают сухим инертным газом (Аr, Не) или азотом. Снимают пробку с патрубка (3) и присоединяют контейнер с исходным хлоридом галлия. Затем хлорид галлия перегружают из контейнера в емкость (1). Контейнер отсоединяют. На патрубок (3) устанавливают пробку. Емкость (1) переводят в крайнее нижнее положение и включают нагрев термостата. Устанавливают заданную температуру термостата (например, 100°С). Хлорид галлия расплавляется и расплав стекает в нижнюю часть емкости (1). Через трубопровод (13) расплавленный GаСl поступает в емкость дозирования (2) так, что уровень GаСl в емкости
3
3
хранения совпадает с уровнем в емкости дозирования. После полного плавления GaCl емкость хранения перемещают на необходимую высоту так, чтобы обеспечить заданный уровень поверхности жидкого GаСlотносительно нижнего конца сифона (4) в емкости дозирования (2).
3
3
3
3
3
3
3
3
3
5
Газ-носитель через трубопровод (11) и патрубок (5) подают в емкость для хранения (1), где происходит его частичное насыщение парами GаСl. Далее газ-носитель через патрубок (7), трубопровод (12) и патрубок (8) поступает в емкость дозирования (2), где насыщается парами GаСl. Степень насыщения - парциальное давление GаСl в газе-носителе, задается температурой термостата и расстоянием от нижнего конца сифона (4) до поверхности жидкого GaCl. Далее газ-носитель с парами GаСl через патрубок (6) подают в реактор для осаждения слоев соединений АB. В процессе расходования жидкого GаСl для поддержания парциального давления паров GаСl на заданном уровне в газе-носителе перемещают емкость (1) вверх относительно емкости дозирования (2) так, чтобы уровень жидкого GаСl в емкости дозирования не изменялся. Контроль уровня осуществляют визуально.
3
3
3
После прекращения подачи паров GаСl в реактор емкость хранения (1) переводят в крайнее нижнее положение. При этом жидкий GаСlперетекает из емкости дозирования (2) в емкость хранения (1). Устройство переводят в нерабочее (горизонтальное) положение. Жидкий GаСlрастекается по емкости хранения (1), не заполняя полностью ее сечение, что предотвращает разрушение емкости (1) при охлаждении и последующем нагреве устройства. Нагрев термостата выключают.
3
5
В сравнении с прототипом заявляемое устройство обеспечивает получение массивных (толщиной свыше 1 мм) слоев соединений АВ с заданными характеристиками (толщина, состав и др.).