Выращивание монокристал­лов из растворов-расплавов может осуществляться следую­щими методами:

1) испарением избыточного, наиболее летучего компонента из раствора при соответству­ющем градиенте температур;

2) повышением концентра­ции летучего компонента в рас­творе при соответствующем градиенте температур путем постоянного изменения давления па­ров, создаваемого за счет независимого источника;

3) направленной кристаллизацией пересыщенного раствора;

градиентной зонной плавкой

1. Испарение летучего растворителя. Тигель с раствором-расплавом нелетучего компонента А расположен в летучем рас­творителе В в герметичной ампуле, и создадим по высоте этой ампулы распределение температур, изображенное на рис. 6.29. Будем поддерживать постоянными температуры Т1, Т2 и градиент температур DT по высоте тигля, содержащего раствор. Началь­ная температура T3 в нижней части ампулы соответствует усло­вию, что при этой температуре давление пара чистого компонен­та В равно давлению его паров над поверхностью раствора, находящейся при температуре T1. Если медленно понижать температуру Т3, то начнется конденсация паров компонента В в нижней части ампулы, а концентрация его в растворе начнет по­нижаться. Если исходный состав раствора на диаграмме состояния находится в положении I (рис. 6.30), то по мере испарения растворителя В он будет перемещаться влево к положению II. Когда он достигнет положения //, область раствора, находящая­ся на дне тигля при температуре Т2, может быть в равновесии с кристаллом состава АВ((!+B)- Поэтому дальнейшее испарение компонента В создает в этой области пересыщение, которое при­водит к появлению зародышей кристалла. По мере испарения компонента В (за счет понижения температуры T3) состав рас­твора все время изменяется и область пересыщения постепенно перемещается от дна к поверхности тигля и сопровождается рос­том кристалла. Скорость роста кристалла зависит от скорости изменения состава раствора, т. е. от скорости испарения. Зарож­дение кристаллов происходит самопроизвольно; для того, чтобы получить несколько хорошо развитых кристаллов, процесс сле­дует проводить при очень малых скоростях роста, когда в слое раствора, прилегающем к кристаллу, отсутствуют радиальные изменения концентрации, а температурный градиент по высоте имеет возможно меньшее значение. Определение скорости и за­кона изменения температуры Т3, очевидно, требует предваритель­ного установления зависимости давления пара компонента В от состава раствора, знания температурной зависимости давления паров чистого компонента В и учета скорости выравнивания со­става раствора. Выращивание кристаллов этим методом требует совершенной стабилизации и регулирования температур. Отсут­ствие механических перемещений является существенным преи­муществом этого метода.

2. повышение концентрации летучего компонента в растворе. Этот метод насыщения является обратным методу испарения и проводится в такой же ампуле с таким же распределением тем­ператур. Только в тигель загружается чистый нелетучий компо­нент А, а на дне ампулы располагается чистый летучий компо­нент В. После установления температур T1, Т2 и заданного градиента температур DT по высоте расплава начинают повы­шать температуру Т3 и создавать в ампуле постепенно повышаю­щееся давление паров компонента В. При этом происходит растворение компонента В в расплаве компонента А; состав об­разующеюся раствора по­степенно изменяется от чистого А до раствора со­става I (рис. 6.31). При этом составе область рас­твора, находящаяся на дне тигля при температу­ре Т2 может быть в рав­новесии г кристаллом со­става АВ(1-b). Дальней­шее повышение концен­трации компонента В в растворе создает в этой области пересыщение и приводит к кристаллиза­ции соединения AB(1-b).

Метод насыщения от­личается от метода испа­рения тем, что в одном случае получаем кристалл предельного состава АВ(1-и), а в другом — состава AB(i+и). Сочетание двух ме­тодов позволяет установить границы области существования мно­гих соединений и облегчает определение природы дефектов, обусловливающих отклонение от стехиометрии (так как дости­гаются максимально возможные отклонения от стехиометрии при данной температуре процесса).

Если выращивание данным методом крупных кристаллов часто бывает затруднительным из-за высоких требований к ста­билизации и регулировке температур и большой длительности процессов , то выращивание эпитаксиальных пленок представляет большой интерес. Процесс проводится в откаченной ампуле из плавленого кварца, в верхней части которой вварено плоское стекло из оптического кварца (рис. 6.32). Монокристаллическая подложка, на которою предполагается нарастить эпитаксиальный слой, покрывается тонкой пленкой нелетучего компонента А и располагается в верхней части ампулы на небольшом расстоянии от смотрового стекла. В нижней части ампулы располагается небольшая навеска летучего компонента В. Ампула после откач­ки и получения вакуума запаивается и помещается в двухзонную печь. Нижняя печь I служит для создания требуемого давления паров летучего компонента В, верхняя печь II — температуры проведения процесса. Если по высоте компонента А (как бы ни был тонок его слон), нанесенного на кристалл-подложку состава АВ, не будет градиента температуры, то в результате взаимодей­ствия паров В с жидкостью А поверхность этой последней по­кроется поликристаллической пленкой соединения АВ и рост монокристаллического слоя не будет обеспечен. Чтобы создать необходимый для правильной кристаллизации градиент, реко­мендуется использовать радиационный нагрев поверхности жид­кости А (например, параболическое или эллиптическое зерка­ло, в фокусе которого расположена лампа накаливания 500—1000 вт). Скорость нагрева обеих печей следует регулиро­вать таким образом, чтобы обеспечивалось -равенство давлений паров летучего компонента над пленкой раствора и над чистым компонентом В. По достижении необходимой температуры про­цесса давление паров чистого компонента В устанавливается выше равновесного и включается источник радиационного нагре­ва. Большим преимуществом этого метода является то, что при равномерном нагреве поверхности происходит равномерное рас­творение подложки компонента АВ в расплаве А, причем осущест­вляется очистка и сглаживание поверхности роста.

3. Направленная кристаллизация пересыщенных растворов расплавов. В длинную кварцевую ампулу помещают лодочку, со­держащую чистый нелетучий компонент А, и лодочку, содержа­щую чистый летучий компонент В. После откачки (получения вакуума) и запайки ампула помещается в трехзонную печь (рис. 6.33). Печь /, нагретая до температуры Т1 служит для соз­дания заданного давления паров над раствором, насыщенным ле­тучим компонентом В при температуре Т2 (печь //). Печь ///, нагретая до температуры Т3 (Т1<Т3<Т2), используется для осуществления направленной кристаллизации раствора-расплава при механическом перемещении лодочки через зону температур­ною 1радиента Т2—Т3.

При этом методе требования к стабилизации температур та­кие же, как и в ранее описанных, но малая скорость кристалли­зации должна обеспечиваться механическим перемещением ам­пулы Ввиду малой скорости кристаллизации, обусловленной скоростью диффузии летучего компонента со сравнительно невы­сокой концентрацией в растворе к поверхности раздела растуще­го кристалла, даже незначительные колебания скорости переме­щения ампулы могут полностью нарушить гладкость фронта кристаллизации. Поэтому для осуществления этого метода реко­мендуется использовать прецизионные гидроприводы.