Способ выращивания монокристаллов твердых растворов из паровой фазы и устройство для его осуществления

Способ выращивания монокристаллов твердых растворов из паровой фазы и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к производству материалов электронной техники и квантовой электроники, использующихся для изготовления экранов лазерных электронно лучевых трубок. Цель изобретения увеличение однородности монокристаллов твердых растворов соединений, имеющих различие в парциальных давлениях паров более чем в 10 раз. Выращивание производят по меньшей мере из двух исходных веществ, размещенных раздельно. Исходные вещества нагревают до температуры выше температуры выращивания. Полученные при нагреве пары расширяют при величине расширения паров каждого вещества, обратно пропорциональной концентрации этого вещества в выращиваемом монокристалле, и подают расширенные пары в зону роста, где их смешивают перед осаждением на затравку. Устройство отличается тем, что емкость для размещения исходных веществ имеет по меньшей мере два изолированных друг от друга по текучей среде отсека, каждый из которых имеет по меньшей мере одно дроссельное выпускное отверстие. 2 с. и 15 з. п. ф-лы, 7 ил. 2 табл.

Изобретение относится к производству материалов электронной техники и квантовой электроники, а именно к способу выращивания монокристаллов твердых растворов и устройству для его осуществления, и может быть использовано для изготовления лазерных экранов электронно-лучевых трубок, солнечных батарей, светодиодов и элементов ИК оптики.

Известен способ выращивания монокристаллов соединений А²В⁶ с применением химического транспорта исходных веществ через паровую фазу [1] По этому способу выращивание кристаллов ведется из паровой фазы йодным транспортом на монокристаллическую затравку, установленную в верхней конической части ампулы над источником, в качестве которого используют спеченую смесь порошков исходных веществ. Сущность способа заключается в том, что пары в виде молекул халькогенов и ZnJ₂, образовавшиеся в результате химической реакции между исходными веществами и иодом переносятся из источника, находящегося при более высокой температуры, к затравке с участием конвективного механизма.

Устройство для осуществления этого способа выращивания содержит вертикальную печь с осевым градиентом температуры и увеличением температуры снизу вверх, кварцевую ампулу с запаянным дном и коническим сужением в верхней ее части и механизм перемещения ампулы в печи. Сужение в ампуле кончается отверстием, в котором устанавливается монокристаллическая затравка, контактирующая сверху с теплоотводящим кварцевым стержнем, а на некотором расстоянии от затравки на дне ампулы помещены исходные вещества.

Использование монокристаллической затравки и подбор угла конической части ампулы позволяет выращивать монокристаллы соединений А²В⁶, и однородные монокристаллы твердых растворов соединений А²В⁶, парциальные давления которых различаются незначительно, например твердые растворы ZnS_xSe_1-x.

Недостаток этого способа и соответствующего оборудования малые размеры выращиваемых монокристаллов и легирование их иодом. Кроме того, исключена возможность использования способа для получения однородных по составу монокристаллов твердых растворов соединений А²В⁶, имеющих значительное (в 10 и более раз) различие в давлении паров.

Известен также способ выращивания монокристаллов А²В⁶ из газовой фазы на затравку, включающий в себя загрузку в реактор исходного поликристаллического соединения, имеющего состав выращиваемого монокристалла, установку в нем затравки на подложке, наполнение реактора газом и его установку в печь с градиентом температуры, термическое травление затравки, испарение из источника исходного поликристаллического соединения, массоперенос паров твердого раствора в градиенте температур и осаждение паров на затравку, не имеющую контакта со стенками ростового реактора [2] Устройство для осуществления способа включает в себя вертикальную печь электросопротивления с заданным профилем температуры и расположенную внутри нее ростовую кварцевую ампулу с перфорированной пластиной из кварца для размещения исходного поликристаллического соединения в верхней части ампулы и подложкой для установки затравочного монокристалла.

Недостаток этого способа и устройства для его осуществления невозможность выращивания однородных по составу монокристаллов твердых растворов соединений, имеющих существенно различающиеся давления паров при температуре выращивания.

Цель изобретения формировать потоки легколетучих и труднолетучих исходных веществ при выращивании монокристаллов твердых растворов так, чтобы они поступали в зону роста монокристалла с составом неизменным во время процесса роста и в соответствии с требованиями к составу выращиваемого монокристалла. Здесь и далее: вещества, имеющие более высокое парциальное давление паров, будут называться легколетучими, а вещества, имеющие более низкое парциальное давление паров, труднолетучими.

Целью изобретения является также создание способа выращивания монокристаллов твердых растворов из паровой фазы, который обеспечивает достижение соотношений парциальных давлений паров исходных веществ в зоне роста в соответствии с требованиями к высокой однородности состава по высоте и диаметру монокристалла.

Другая цель изобретения создание способа выращивания монокристаллов твердых растворов, который обеспечивает высокую однородность монокристаллов твердых растворов соединений, имеющих различие в парциальных давлениях паров более чем в 10 раз.

Еще одна цель создание способа выращивания монокристаллов, который обеспечивает получение крупных монокристаллов твердых растворов диаметром не менее 40 мм и высотой не менее 10 мм, обладающих высокой однородностью.

Среди прочих целей достижение однородного легирования выращиваемых монокристаллов и, наконец, создание устройств для выращивания монокристаллов твердых растворов и для однородного легирования монокристаллов во время роста, обеспечивающих формирование потоков исходных веществ с требуемыми параметрами.

Указанные цели достигаются тем, что в способе выращивания монокристаллов твердых растворов, при котором исходные вещества нагревают до температуры выше температуры выращивания, подают образовавшиеся пары в зону роста монокристаллов и осаждают на монокристаллическую затравку, при выращивании используют по меньшей мере два исходных вещества, которые размещают раздельно, а полученные при нагреве пары расширяют при величине расширения паров каждого вещества обратного пропорциональной концентрации этого вещества в выращиваемом монокристалле и подают расширенные пары в зону роста на затравку. При таком проведении выращивания монокристаллов твердых растворов удается добиться лучшего соответствия парциального давления исходных веществ в зоне роста над растущим кристаллом заданным значениям в течении всего процесса выращивания по сравнения с известными способами, что обеспечивает получение более однородного состава монокристалла твердого раствора по высоте.

Особенно высокая однородность состава достигается, если выращивание монокристаллов твердых растворов осуществляют из исходных веществ, у которых термодинамически равновесный состав пара существенно не изменяется в области температур от температуры нагрева исходных веществ до температуры выращивания.

К таким веществам относятся элементарные вещества и стабильные бинарные соединения типа соединений А²В⁶, А³В⁵, А⁴В⁶, или ряд других многокомпонентных стабильных веществ. В ряде случаев, когда требование к однородности состава не достаточно жесткие, могут быть использованы в качестве исходных веществ и некоторые твердые растворы типа CdS_xSe_1-x или ZnS_xSe_1-x, у которых термодинамический состав пара слабо зависит от температуры в указанном выше температурном диапазоне. Обычно такое свойство имеют твердые растворы тех соединений, у которых парциальные давления паров различаются незначительно (например давление пара у CdS и CdSe различаются не более чем в 1,5 раза при Т= 1000-1200^оС. Если исходное вещество не удовлетворяет требованию на температурную независимость состава пара, то выращиваемый монокристалл будет иметь неоднородный состав вдоль направления роста. По этому причине однородные монокристаллы твердых растворов тех соединений, у которых их парциальные давления сильно различаются, например, в 10 раз и более, не удается выращивать известными способами, в которых используется лишь одно исходное соединение, близкое по составу к составу выращиваемого монокристалла. Поэтому существенным отличием заявляемого способа является выращивание из по меньшей мере двух исходных веществ, состав паровых фаз которых достаточно стабилен в упомянутом температурном диапазоне. Если они размещены не раздельно в разных отсеках загрузочной емкости, то смысл использования по меньшей мере двух исходных веществ пропадает.

В общем случае исходные вещества, загруженные раздельно, могут быть нагреты до разных температур, однако целесообразно осуществлять их нагрев при практически одинаковых температурах. Это позволяет выполнить устройство для размещения исходных веществ более компактным и тем самым за счет сокращения расстояний переноса паров исходных веществ из зоны источника к затравке обеспечить высокую стехиометрию пара и, следовательно, улучшить качество монокристалла, а также облегчить расчет параметров устройства для выращивания.

Для того, чтобы получить требуемый состав паровой фазы в зоне роста выращиваемого монокристалла, который определяется требуемым составом этого монокристалла, необходимо в соответствующей пропорции подавать пары исходных веществ. В заявляемом способе это предлагается делать путем расширения паров исходных веществ, используя метод дросселирования, особенно для более легколетучих исходных веществ.

Дросселирование может быть осуществлено пропусканием паров исходных веществ через калиброванные отверстия, через промежуточный канал с калиброванной длиной или соответствующую пористую перегородку. Наиболее простым является дросселирование паров исходных веществ через калиброванные отверстия, площадь которых выбирают в соответствии с необходимым значением коэффициента расширения. Основным преимуществом этого способа дросселирования является простота выполнения устройства для выращивания монокристаллов твердых растворов и расчета его параметров.

Дросселирование при пропускании паров исходных веществ через протяженный канал приводит к значительной нестехиометрии пара в зоне роста и, как следствие, нестехиометрии растущего монокристалла, а также снижению его скорости роста. Способ дросселирования паров при пропускании их через пористую перегородку позволяет переносить только очень малые количества исходных веществ, что ограничивает рамки его использования и в целом не позволяет выращивать крупные монокристаллы твердых растворов.

При выращивании монокристаллов твердых растворов, в состав которых входят труднолетучие соединения с низким давлением паров при температуре нагрева, что лимитирует скорость роста монокристаллов, целесообразно расширение паров этих соединений проводить с как можно меньшей величиной расширения, а требуемый состав пара в зоне роста получать за счет дросселирования легколетучих соединений.

Выращивание многокомпонентных монокристаллов только из элементарных исходных веществ значительно усложняет устройство для выращивания, поскольку парциальные давления элементарных исходных веществ при температурах выращивания, как правило, существенно превышают общее давление паров над растущим монокристаллом твердого раствора. Вследствие этого в качестве по меньшей мере одного исходного вещества целесообразно использовать бинарное соединение.

При выращивании твердых растворов монокристаллов соединений А²В⁶ наиболее оптимальным в качестве исходных веществ является использование бинарных соединений А²В⁶, поскольку парциальные давления их паров при температурах выращивания (100-1200^оС), практически используемых для роста крупных монокристаллов твердых растворов этих соединений наиболее близки между собой и к общему давлению паров над растущим монокристаллом твердого раствора. Это дает возможность с наибольшей точностью формировать потоки исходных веществ и получать над растущим монокристаллом требуемый состав пара, а также упростить конструкцию устройства для выращивания.

Исходные вещества могут быть использованы в различных видах: порошкообразном, сублимированном, а также в виде спеченого или спрессованного мелкодисперсионного порошка. Для наиболее перспективных в качестве исходных веществ бинарных соединений оптимальным является использование их в сублимированном состоянии, поскольку при сублимации происходит дополнительная очистка вещества от неконтролируемых примесей. Сублимат бинарных соединений имеет кристаллическую плотность близкую к кристаллической плотности монокристалла, что существенно снижает эффективность взаимного легирования исходных веществ через паровую фазу, которое может ухудшить однородность растущего монокристалла в начальной стадии роста.

Среди твердых растворов полупроводниковых соединений А²В⁶ имеются твердые растворы, такие как CdS_xSe_1-x и ZnS_xSe_1-x, у которых состав паровой фазы существенно не меняется в интервале от температуры нагрева до температуры выращивания, а различие давлений бинарных соединений, составляющих эти твердые растворы в практически используемом интервале температур (1000-1200^оС) не превышает 50% В силу этого достаточно однородные монокристаллы твердых растворов CdS_xSe_1-x и ZnS_xSe_1-x могут быть выращены уже известными способами выращивания. Однако большинство твердых растворов халькогенидов кадмия и цинка имеют в своем составе бинарные соединения с различием в давлении паров существенно более чем в 1,5 раза, а в большинстве случаев более чем в 10 раз. При выращивании таких монокристаллов предлагаемый способ выращивания имеет существенные преимущества перед известными способами. Ни в одном из известных способов роста из паровой фазы нет возможности получать однородные монокристаллы, например (ZnSe)_1-x(ZnTe)_x в широком интервале значений состава Х от 1 (чистый ZnTe) до х=10^-4, когда ZnTe начинает изменять характеристики ZnSe. Такое изменение Х в предлагаемом способе достигается изменением величины расширения легколетучего исходного вещества от 1 до 10⁵ (давление пара ZnTe превышает давление пара ZnSe примерно в 10 раз). Более того для выращивания монокристаллов твердых растворов например (ZnS)_1-x(CdTe)_x при х= 10^-4 необходимая величина расширения CdTe достигает значения 10⁶ (давление пара CdTe превышает значение пара ZnS почти в 100 раз).

Способ выращивания монокристаллов твердых растворов по настоящему изобретению принципиально не ограничивает число компонент выращиваемых монокристаллов твердых растворов. Ряд практических приложений требует выращивания монокристаллов 4- и даже 5-компонентных твердых растворов, когда необходимо управлять одновременно сразу несколькими параметрами полупроводника, например, шириной запрещенной зоны -Eg и параметром решетки -а. При этом дополнительно может стоять задача легирования, выращиваемого монокристалла с контролируемыми Еg и а. В общем случае для получения всех возможных составов монокристаллов твердых растворов А₁,А_m B₁.B_n, содержащего m элементов, принадлежащих к одной группе Периодической системы элементов, и n-элементов, принадлежащих к другой группе, количество исходных веществ, используемых в виде бинарных соединений, определяется произведением m x n.

Например, для выращивания всех возможных составов монокристаллов твердых растворов типа А_хС_1-хВ_уД_1-у, где элементы А и С принадлежат к одной, а В и Д к другой группе Периодической Системы элементов, необходимо использовать четыре исходных вещества в виде бинарных соединений: АВ, АД, СВ и СД. Необходимый состав пара над растущим монокристаллом получают по данному изобретению путем загрузки каждого исходного вещества в отдельный отсек загрузочной емкости и выбором соответствующих коэффициентов расширения.

Предлагаемый способ выращивания монокристаллов позволяет также выращивать легированные монокристаллы, которые по существу также относятся к твердым растворам. В качестве одного из исходных веществ используют легирующее вещество, содержащее легирующий элемент. Легирующее вещество может содержать элементы, не входящие в состав выращиваемого кристалла, если эти элементы практически не растворяются в выращиваемом кристалле или их вхождение существенно не влияет на характеристики монокристалла. Однако предпочтительно, чтобы легирующее вещество не содержало элементы, не предусмотренные в составе монокристалла. В качестве такого легирующего вещества лучше брать просто легирующий элемент, если давление его пара при температуре нагрева не превышает значение, которое выдерживают конструктивные элементы ростовой ампулы, а с другой стороны, достаточно для легирования выращиваемого кристалла. В противном случае легирующее вещество следует подбирать в виде соединения легирующего элемента с каким-либо другим элементом, входящим в состав выращиваемого монокристалла.

На фиг. 1 изображено устройство для выращивания монокристаллов твердых растворов, разрез; на фиг.2-7 то же, варианты.

Устройство содержит корпус, выполненный в виде кварцевой ампулы 1, размещенной в электропечи 2 с вертикальным градиентом. В верхней части ампулы 1, на выступах 3 установлена перфорированная пластина 4, ограничивающая емкость для загрузки исходных веществ с цилиндром 5. Указанная емкость является также полостью парообразования исходных веществ при их нагреве. Под полостью парообразования расположена затравка 6, установленная на держателе 7, закрепленном в ампуле 1 с помощью опоры 8. Полость парообразования имеет два отсека, один из которых выполнен в виде цилиндра 5, имеющем двустенную конструкцию. Наружная стенка цилиндра 5 образована кольцевой перегородкой 9, а внутренняя стенка образована трубчатым элементом 10. Со стороны, противоположной держателю 7, цилиндр имеет торцовую стенку 11 с загрузочным отверстием 12 под пробку 13. Цилиндр 5 установлен на пеpфорированной пластине практически коаксиально с ампулой 1, а противолежащий стенке 11 торец цилиндра 5 герметично закрыт торцовой стенкой 14, соединяющей торцы наружной и внутренней стенок. Внутренняя стенка 10 цилиндра 5 со стороны, противоположной держателю 7, имеет торцовую стенку, в которой выполнено дроссельное отверстие 15. Отсек, ограниченный стенкой ампулы 1, перфорированной пластиной 4 и наружной стенкой 9 цилиндра 5 служит для загрузки труднолетучего вещества 16, а пространство между наружной и внутренней стенками 9 и 10 цилиндра 5 служит для заполнения легколетучим веществом 17. Отверстия 18 в перфорированной пластине 4 служат дросселирующими отверстиями для паров труднолетучего вещества, а отверстие 15 служит дросселирующим отверстием для легколетучего вещества. Перфорация в пластине 4 выполнена таким образом, что суммарная площадь отверстий в пластине 4, находящихся под каналом 19, образованным внутренней стенкой 10 цилиндра 5, была не менее площади поперечного сечения этого канала. Канал 19 кончается соплом 20, служащим для равномерного смешивания паров исходных веществ. Суммарная площадь отверстий в перфорированной пластине 4, находящихся под пространством, образованным стенкой ампулы 1 и внешней стенкой 9 цилиндра 5, равно как и площадь отверстия 15 определяется для каждого конкретного получаемого твердого раствора следующим образом.

Зная состав монокристалла твердого раствора, который необходимо вырастить, выбирают технологические условия проведения процесса выращивания, такие как: температура выращивания и нагрева исходных веществ, температурный градиент в зоне роста, состав газовой смеси, заполняемой в ростовую ампулу. За основу выбираются технологические условия выращивания монокристаллов тех исходных веществ, содержание которых в выращиваемом монокристалле твердого раствора преобладает. Например, при выращивании монокристаллов твердых растворов на основе соединений ZnS и ZnSe, обладающих низким давлением паров, используют химический транспорт в водороде и довольно высокие температуры от 1100 до 1200^оС, температуры, являющейся температурой размягчения кварца материала наиболее часто употребляемого для изготовления ростовых ампул. При выращивании монокристаллов твердых растворов на основе легколетучих соединений, таких как CdS, CdSe, CdTe, используют более низкие температуры: 1000-1150^oC, меньший температурный градиент и инертную газовую среду в ростовой ампуле.

После выбора технологических условий выращивания монокристаллов твердых растворов по известным термодинамическим соотношениям рассчитывают давление каждого из исходных веществ в соответствующем отсеке емкости при температуре нагрева исходных веществ и парциальные давления этих исходных веществ над монокристаллом твердого раствора заданного состава при температуре выращивания. Отношение величины давления исходного вещества в отсеке емкости к величине парциального давления этого исходного вещества над растущим монокристаллом определяет требуемую величину расширения его паров во время процесса выращивания, М=Р_е/P_к, где Р_е давление паров исходного вещества в отсеке емкости, Р_к давление паров исходного вещества над растущим кристаллом. Как правило, с целью достижения высоких скоростей роста монокристаллов твердых растворов, величину расширения паров труднолетучего соединения выбирают близкой к единице, поскольку скорость роста монокристаллов твердых растворов лимитируется массопереносом труднолетучего исходного вещества. Суммарные площади выпускных отверстий для каждого более легколетучего исходного вещества рассчитывают из пропорции: S_т.л/S_л.л.= М_л.л./М_т.л., где S_т.л. суммарная площадь выпускных отверстий для более труднолетучего исходного вещества; S_л.л. суммаpная площадь выпускных отверстий для более легколетучего исходного вещества; М_т.л. величина расширения труднолетучего исходного вещества; М_л.л. величина расширения легколетучего исходного вещества.

Описанная методика определения суммарных площадей поперечного сечения дроссельных отверстий для выпуска паров исходных веществ из соответствующих отсеков емкости является оценочной, поскольку не учитывает ряд факторов, таких как воздействие газовой среды в ростовой ампуле на массоперенос исходных веществ от выпускных отверстий в зону роста монокристалла, вклад в дросселирование паров исходных веществ других конструктивных элементов устройства, например канала 19 цилиндра 5 (фиг.1), различие в парциальном давлении паров исходных веществ на выходе из дроссельных отверстий и над растущим монокристаллом, отток паров исходных веществ через кольцевой зазор между стенками ампулы 1 и затравкодержателем 7. В силу этого состав монокристалла твердого раствора, выращенного в соответствии с расчетами параметров устройства по вышеописанной методике, в общем случае близок, но не равен требуемому. После первого процесса выращивания монокристалла твердого раствора проводят анализ его состава с помощью лазерной масспектрометрии, рентгеновского микроанализа или оптически, например по положению линии экситона в спектре фото- или катодолюминесценции, и корректируют размеры дроссельных отверстий для выпуска паров исходных веществ, не изменяя остальных параметров технологического процесса. При этом учитывают, что суммарная площадь отверстий данного отсека прямо пропорциональна концентрации исходного вещества из этого отсека в выращиваемом монокристалле. Для каждого конкретного класса твердых растворов может быть построена экспериментальная зависимость состава монокристаллов твердых растворов от соотношения площадей поперечных сечений отверстий для выпуска паров исходных веществ при неизменных прочих параметрах технологического процесса.

Выращивание монокристаллов твердых растворов по заявляемому способу с помощью описанного устройства осуществляют следующим образом.

Изготавливают перфорированную пластину 4 и двустенный цилиндр 5 с выпускными отверстиями соответственно 18 и 15, размеры которых выполнены в соответствии с проведенными расчетами или экспериментальными данными. Ростовую ампулу 1 с открытым торцом и ее оснастку: перфорированную пластину 4, двустенный цилиндр 5, затравкодержатель 7 и опору 8 подготавливают к ростовому процессу известным способом, включающем травление в кислотах, промывку в деионизованной воде, и сушку. Монокристаллическую затравку перед ростом обезжиривают, травят в селективном травителе для выявления полярности плоскостей, промывают и высушивают.

Исходные вещества перед процессом выращивания дополнительно очищают: элементарные вещества дистилляцией, бинарные соединения пересублимацией в вакууме или химическим транспортом в водороде. Для удаления окислов и соединений содержащих гидроксильные группы применяют отжиг в водороде, а для связывания свободного кислорода исходные вещества, загруженные в ростовую ампулу, непосредственно перед выращиванием отжигают в парах халькогенов с последующей откачкой образовавшихся газообразных соединений. Затем в верхней части ростовой ампулы 1 размещают на выступах 3 перфорированную пластину 4, на которой устанавливают предварительно заполненный легколетучим веществом 17 цилиндр 5 с торцевой стенкой 11, обращенной вверх и с плотно закрытым пробкой 13 загрузочным отверстием 12, а между наружной стенкой 9 цилиндра 5 и стенкой ампулы 1 размещают труднолетучее исходное вещество 16. Под перфорированной пластиной 4 устанавливают на опоре 8 держатель 7, на котором размещают монокристаллическую затравку 6.

После загрузки ампулу 1 запаивают на стыке ее широкой и узкой частей, откачивают через ссуженную хвостовую часть, заполняют либо инертным газом, например аргоном, гелием или ксеноном, либо смесью инертного газа с водородом, либо только водородом и отпаивают.

Ампула 1 может быть изготовлена не только из кварца, материала, наиболее часто используемого в технологии полупроводниковых кристаллов, но и из любого другого тугоплавкого материала, например из молибдена или сапфира. Внутри кварцевой ростовой ампулы может быть использован каркас из более тугоплавкого материала, чем кварц, например из сапфира, что позволяет повысить температуру выращивания выше 1200^оС температуры размягчения кварца и при этом избежать деформации кварцевой ростовой ампулы.

Ампула 1 может быть покрыта снаружи алундовым покрытием, придающим ей жесткость, и, наконец, может быть использована ампула с открытым торцом, который не запаивается, а вакуумно уплотняется в узле, сообщающимся с системой откачки и напуска газов, что дает возможность регулировать состав и давление газовой среды в ростовой ампуле во время роста.

На начальной стадии процесса выращивания отпаянная ампула 1 устанавливается в печь 2 с вертикальным температурным градиентом таким образом, чтобы при максимальной температуре печи, являющейся практически температурой нагрева исходных веществ 16 и 17, находилась бы затравка 6. При этом происходит термическое травление затравки, продолжительность которого определяется мощностью печи, газовой средой в ростовой ампуле, теплоемкостью ампулы и ее оснастки, а также материалом затравки. Продолжительность термического отжига затравки составляет несколько часов.

После отжига затравки 6 печь 2 перемещается вдоль оси ампулы вверх и устанавливается в положение, при котором при максимальной температуре печи находятся исходные вещества 16 и 17, а затравка 6 находится при температуре выращивания в заданном температурном градиенте, и осуществляют выращивание монокристалла. Образовавшиеся пары исходных веществ выпускаются через дроссельные отверстия в цилиндре 5 и в перфорированной пластине 4 в соотношении, необходимом для выращивания монокристалла заданного состава, смешиваются и осаждаются на монокристаллическую затравку 6 в градиенте температур.

На фиг. 1 представлен наиболее простой вариант выполнения печи, имеющей одну зону нагрева, хотя могут быть использованы многозонные печи, которые позволяют получать в них более сложные и разнообразные температурные поля, и осуществлять операции по травлению затравки, выходу на режим выращивания и охлаждению выращиваемого монокристалла с большей точностью. Использование многозонных печей позволяет также при необходимости в широких пределах изменять температурный градиент в зоне роста, температуру выращивания монокристалла и температуру нагрева исходных веществ без изменения положения ампулы в печи. Это дает возможность компенсировать изменение состава монокристалла твердого раствора по высоте по мере его роста, связанное с продвижением фронта роста монокристалла в область более высоких температур за счет соответствующей корректировки температурного поля печи по оси ампулы во время процесса выращивания.

После выдержки ампулы в ростовом положении в течение времени необходимого для выращивания монокристалла твердого раствора заданной высоты проводят охлаждение выращенного монокристалла с заданной скоростью. Снижение температуры печи до комнатной может проводиться как линейно, так и по определенному закону.

С целью воздействия на электрофизические и структурные параметры выращенного монокристалла твердого раствора во время охлаждения может быть осуществлен его изотемпературный отжиг при промежуточной температуре в газовой среде ростовой ампулы или в парах одного или нескольких элементов, входящих в состав монокристалла твердого раствора.

Охлажденную ростовую ампулу 1 вынимают из печи 2, разгерметизируют и извлекают из нее выращенный монокристалл твердого раствора. Неоднородность состава выращенного монокристалла исследуют по спектрам оптического отражения и катодолюминесценции при низких температурах и характеризуют изменением положения экситонной линии в этих спектрах, снятых в разных точках монокристалла по диаметру и высоте.

Другие варианты реализации предлагаемого устройства показаны на фиг.2-7, где изображены только часть ампулы и полости парообразования, а печь и некоторые другие элементы устройства, не имеющие непосредственного отношения к существу изобретения, не показаны.

В показанном на фиг.2 варианте выполнения устройства полость парообразования, где размещены исходные вещества, также расположена над затравкой и ее держателем, выполненными аналогично тому, как показано на фиг.1.

Полость 21 парообразования имеет внешний отсек в виде двустенного цилиндра 22, внутренняя и наружная стенки которого образованы трубчатыми элементами 23 и 24. Отверстия 25 в наружной стенке 24 служат дросселирующими отверстиями для выпуска паров труднолетучего исходного вещества 26. Наружная стенка 24 снабжена фланцем 27 для установки на выступах 28 стенки ампулы 1. Со стороны, обращенной к держателю 7 с затравкой 6, цилиндр имеет герметичную торцовую стенку 29, наклоненную под острым углом к оси цилиндра, что обеспечивает более равномерное смешивание паров исходных веществ. Со стороны, противоположной держателю 7, цилиндр 22 закрыт съемной торцовой стенкой 30. Внутри цилиндра 22 расположен коаксиально ему двустенный цилиндр 31 с наружной стенкой, в качестве которой служит внутренняя стенка 23 цилиндра 22 и внутренней стенкой, образованной трубчатым элементом 32. С торца, противоположного держателю 7, трубчатый элемент 32 имеет торцовую стенку (на фиг. 2 не обозначена), в которой выполнено дроссельное отверстие 33, служащее для выпуска паров легколетучего исходного вещества 34. Цилиндр 31 со стороны, обращенной к держателю 7, имеет торцовую стенку 35, а с противоположной стороны съемную торцовую стенку 36. Трубчатый элемент 32 цилиндра 31 со стороны, обращенной к затравке, образует сопло 37, служащее для равномерного смешивания паров исходных веществ.

Преимуществом описанного варианта устройства перед показанным на фиг.1 является отсутствие отверстий в торцовых стенках отсеков с исходными веществами, обращенных к держателю с затравкой, через которые частицы исходного вещества могут попадать под действием сил гравитации на поверхность растущего монокристалла, ухудшая тем самым его структурную однородность.

В показанном на фиг.3 варианте осуществления предлагаемого устройства полость 38 парообразования, имеет наружный отсек 39 и внутренний отсек 40. Наружный отсек 39 образован кольцевой камерой, имеющей двустенную конструкцию, с наружной стенкой 41 и внутренней стенкой 42. Наружная стенка 41 снабжена фланцем 43 для установки на выступах 44 ампулы 1. Кольцевая камера 39 закрыта съемной торцовой стенкой 45, а с противоположной стороны, обращенной к держателю 7, камера имеет герметичное кольцевое днище 46. На наружной стенке 41 выполнено множество равномерно расположенных отверстий 47. Суммарная площадь отверстий определяется для каждого конкретного получаемого твердого раствора. Внутренняя стенка камеры 39 имеет фланец 48 для установки на нем внутреннего отсека 40, образованного размещенными друг в друге трубчатыми элементами, внешним 49 и внутренним 50, торцовой стенкой 51 с загрузочным отверстием 52 под пробку 53, а также герметичной торцовой стенкой 54, соединяющей торцы трубчатых элементов со стороны держателя 7. Торец внутреннего трубчатого элемента 50 со стороны, потивоположной держателю 7, закрыт торцовой стенкой 55 с дроссельным отверстием 56, размер которого определяется так, как было описано ранее. Внутренний трубчатый элемент 50 отсека 40 со стороны, обращенной к держателю, образует сопло 57.

В описываемом устройстве для получения монокристаллов твердых растворов наружный отсек (кольцевая камера 39) служит для размещения труднолетучего исходного вещества 58, а внутренний отсек 40 служит для размещения легколетучего вещества 59. Отверстия 47 служат дросселирующими отверстиями для паров труднолетучего соединения, а отверстие 56 служит дросселирующим отверстием для паров легколетучего соединения.

Преимуществом описанного варианта исполнения предлагаемого устройства является унификация его конструкции, что позволяет с одной и той же камерой 39 использовать отсеки 40 с различными размерами дроссельного отверстия 56, задаваемыми в соответствии с требуемым составом выращиваемого монокристалла.

В показанном на фиг.4 варианте осуществления устройства полость парообразования, где размещены исходные вещества, образована цилиндром 60, имеющим со стороны, противоположной держателю 7, съемную торцовую стенку 61. Открытым торцом 62 цилиндр 60 устанавливается на держателе 7, охватывая затравку 6. На внутренней поверхности 63 стенки 64 выполнен кольцевой выступ 65, образующий отверстие 66, предназначенное для подачи паров исходных веществ к затравке 6. Этот выступ 65 наклонен от оси цилиндра к внутренней поверхности 63 стенки 64 под острым углом к последней. Внутри цилиндра 60 установлен двустенный цилиндр 67, имеющий наружную стенку 68 и внутреннюю стенку 69, образованные парой расположенных друг в друге трубчатых элементов. Торец внутренней стенки 69 со стороны, противоположной держателю 7, имеет торцовую стенку (не обозначена), в которой выполнено отверстие 70 для выпуска паров исходного вещества. Со стороны, обращенной к держателю 7, цилиндр 67 имеет торцовую стенку 71 с фланцем 72 и упорами 73, устанавливаемыми на выступе 65, а с другой стороны крышку 74. Пространство между стенкой цилиндра 64 и наружной стенкой 68 цилиндра 67 служит отсеком для размещения труднолетучего исходного вещества 75, а цилиндр 67 для заполнения легколетучим исходным веществом 76.

Кольцевой выступ 65 выполнен таким образом, что при вероятном просыпании частиц исходного труднолетучего вещества 75 под действием сил г