Выращивание из паров

Методы выращивания кристаллов

Методы выращивания кристаллов чрезвычайно многочисленны и разно­образны. В промышленности и иссле­довательских лабораториях кристаллы выращивают из паров, растворов, из расплавов, из твердой фазы и многими специальными способами, как, напри­мер, синтез путем химических реак­ций, синтез при высоких давлениях, электролитическая кристаллизация, кристаллизация из гелей и многие другие.

Выращивание из паров

Применяется в основном для получе­ния эпитаксиальных пленок и нитевид­ных кристаллов. Из газовой фазы можно растить и кристаллы, весьма совершенные, правильно ограненные, но относительно небольшие по размерам.

Методы сублимации, т.е. кристалли­зации вещества из собственного пара удобны для тех веществ, которые лег­ко сублимируются, не переходя в жид­кую фазу (нафталин, йод, карбид крем­ния, сернистый кадмий).

Выращивание производится в закры­том сосуде (запаянные стеклянные или кварцевые трубки), в котором есть две температурные области: в одной температура выше температуры возгонки кристаллизуемого вещества, в другой области кристаллизатора – значительно ниже, и там кристалл растет на стенках сосуда или на затравке.

Для кристаллизации из газовой фа­зы широко используют химические транспортные реакции, преиму­щество которых заключается в том, что кристаллизацию можно вести при температурах, значительно меньших, чем температура сублимации.

Сущность метода транспортной заключается в том, что над ис­ходным веществом проходит поток га­за, образующего и уносящего с собой газообразные продукты реакции, кото­рые оседают затем в зоне кристалли­зации.

Например, монокристаллические пленки сернистого кадмия CdS (применяется в полупроводниковой и фотопроводниковой технике, в рентгеновской аппаратуре как сцинтилляционный кристалл) выращивают при непре­рывном потоке водорода и сероводоро­да над металлическим кадмием.

Скорости роста кристаллов из газо­вой фазы невелики, порядка несколь­ких микрометров в час.

Кристаллизация с помощью газотранспортной реакции является частным случаем более общего класса методов кристаллизации с помощью химических реакций. Примерами являются следующие химические реакции:

- транспорт окислов с помощью водорода или хлористого водорода

Fe₂O₃ + HCl → FeCl₃ + H₂O

Al₂O₃ + H₂ → Al₂O + H₂O

- транспорт в парах воды GaAs + H₂O → Ga₂O + H₂ + As₄

- транспорт в парах йода CdS + J₂ → Cd J₂ + S₂

Другим примером кристаллизации с помощью химической реакции является кристаллизация при разложении исходного вещества. В этом случае кристаллизатор содержит одну высокотемпературную зону, куда поступает газовый поток, содержащий разлагаемое соединение. В результате его разложения происходит выделение и осаждение нужного вещества, обычно на монокристаллической подложке-затравке, а другие продукты разложения уносятся потоком газа. Типичный пример такой кристаллизации – получение пленок кремния его разложением из его солянокислой соли

SiCl₄ + H₂ → Si + HCl

Таким образом в промышленных условиях получают эпитаксиальные пленки, широко применяемые в современной твердотельной электронике.