Procédé de préparation de l'arséniure de gallium
Depuis les années 1950, diverses méthodes de croissance monocristallines d'arséniure de gallium ont été développées. Les processus de croissance industrielle actuels comprennent le tréfilage droit (LEC), la méthode de Brijman horizontale (HB), la méthode de Brijman verticale (VB) et la solidification à gradient vertical (VGF).
1. Czochralski (LEC) scellé liquide
La méthode LEC est le procédé principal pour la croissance d'un monocristal d'arséniure de gallium semi-isolant non dopé (SI GaAs). Actuellement, plus de 80% des monocristaux d'arséniure de gallium semi-isolants disponibles sur le marché sont cultivés selon la méthode LEC. La méthode LEC utilise un chauffage en graphite et un creuset en PBN, et utilise B2O3 comme agent de scellement liquide pour réaliser la croissance cristalline de l'arséniure de gallium dans une atmosphère d'argon de 2 MPa. Le principal avantage du procédé LEC est qu’il est extrêmement fiable et qu’il est facile de cultiver des monocristaux de long diamètre. La teneur en carbone cristallin est contrôlable et les propriétés semi-isolantes des cristaux sont bonnes. Les principaux inconvénients sont les suivants: la dose chimique est difficile à contrôler, le gradient de température du champ thermique est important (100 ~ 150 K / cm) et la densité de dislocation du cristal est élevée et inégale. La société japonaise Hitachi Cable Co., Ltd. a établi la première chaîne de production de monocristal GaAs LEC de 6 pouces en 1998. La société a installé le plus grand four monocristallin GaAs au monde, d'un diamètre de 400 mm et d'une capacité d'alimentation de 50 kg. et une croissance unique de 6 pouces. La longueur du cristal atteint 350 mm. En 2000, Freiberger a signalé le monocristal d’arséniure de gallium de 8 pouces mis au point par le premier procédé au monde de LEC.
2. Bridgman horizontal (HB)
La méthode HB était autrefois le principal procédé de production en série de monocristaux d’arséniure de gallium (GaAs SC) à semi-conducteurs (faible résistance), utilisant des bateaux à quartz et des tubes de quartz pour se développer à pression normale, avec une fiabilité et une stabilité élevées. L'avantage de la méthode HB est que la vapeur d'arsenic peut être utilisée pour contrôler avec précision le rapport stœchiométrique du corps et que le gradient de température est faible afin de réduire les dislocations. La densité de dislocations du monocristal d’arséniure de gallium HB est de plus d’un ordre de grandeur inférieure à celle du monocristal d’arséniure de gallium LEC. Le principal inconvénient est que les hommes produisent des monocristaux d'arséniure de gallium semi-isolants non dopés et que l'interface cristalline est développée avec le nom de famille D, ce qui entraînera un important gaspillage de matière lors du traitement en plaquettes. Dans le même temps, il est difficile de produire des cristaux de gros diamètre en raison de la capacité de charge des bateaux à quartz aux températures élevées. Actuellement, la production en masse du procédé HB concerne principalement des cristaux de 2 pouces et de 3 pouces, et le maximum signalé d'arséniure de gallium de l'arséniure de gallium est de 4 pouces. À l'heure actuelle, peu d'entreprises utilisent le procédé HB pour la production de matériaux à base d'arséniure de gallium. Avec la maturité des processus VB et VGF, le processus HB a été progressivement remplacé.
3. Bridgman vertical (VB)
La méthode VB est un processus de croissance cristalline développé à la fin des années 1980. Le polycristal d'arséniure de gallium synthétisé, B2O3 et les germes cristallins ont été emballés dans un creuset en PBN et scellés dans une bouteille de quartz sous vide. Le corps du four a été placé verticalement. Le fil est chauffé par un fil de résistance et la bouteille de quartz est placée verticalement au centre du corps du four. À haute température, le polycristal d'arséniure de gallium est fondu puis fusionné avec le germe cristallin, puis le cylindre de quartz et le creuset sont déplacés vers le bas par la tige de support via un mécanisme de manœuvre. Sous un certain gradient de température, le monocristal se développe lentement à partir de l'extrémité cristalline. La méthode VB permet de développer un monocristal d'arséniure de gallium à faible résistance ou un monocristal d'arséniure de gallium semi-isolant à haute résistance. La DPE moyenne du cristal est inférieure à 5 000 / cm-2.
4. Solidification de gradient vertical (gel de gradient vertical, appelé VGF)
Le principe et le champ d'application du processus VGF et du processus VB sont fondamentalement similaires. La plus grande différence réside dans le fait que la méthode VGF annule le mécanisme du chariot en chute de cristal et le mécanisme en rotation. L'ordinateur contrôle avec précision le champ thermique pour qu'il refroidisse lentement, et l'interface de croissance remonte vers le haut à partir de l'extrémité inférieure de la fusion pour terminer la croissance du cristal. Ce processus rend l'interface de croissance cristalline plus stable en raison de l'élimination du mécanisme de transmission mécanique, et convient à la croissance d'un monocristal de GaAs à dislocations ultra-faibles. L'inconvénient des processus VB et VGF est que la croissance cristalline ne peut pas être observée ni évaluée pendant le processus de croissance cristalline et que la période de croissance cristalline est longue. À l’heure actuelle, le commerce international est en mesure de produire en masse des cristaux d’arséniure de gallium VB / VGF de 6 pouces. En 2002, Freiberger a publié le premier monocristal d’arséniure de gallium de 8 pouces au monde mis au point par le procédé VGF.