مترجم: حبيب الله عليخاني
منبع: راسخون




 
با توجه به كارهاي انجام شده بوسيله ي Tower و همكارانش (1991) و Shibata و همكارانش (1993)، ظهور خوشه هاي نابجايي با نواحي با انحناي مقعر در سطح مشترك جامد/ مذابي مربوط مي شود كه از خود ماكزيمم تنش هاي گرمايي محلي را بروز مي دهند. وقتي رشد ادامه مي يابد، دانسيته ي محلي نابجايي ها افزايش مي يابد، مرزدانه هاي فرعي تشكيل مي شوند و در نهايت، تبديل به حالت پلي كريستالي، اتفاق مي افتد. در نتيجه، دانسيته ي متمركز خوشه هاي نابجايي مي تواند با تصديق شكل محدب در كل سطح مشترك (در هنگام فرايند رشد) كاهش يابد.
اين به نظر مي رسد كه مرزهاي فرعي و خطوط كه به طور نمونه وار در طول محور كريستال و در فواصل طولاني گسترش مي يابند، با سطح مشترك جامد/ مذاب در ارتباط هستند. اما جزيئات مربوط به تشكيل آنها و نقش پارامترهاي تجربي هنوز به اندازه ي كافي مورد بررسي قرار نگرفته اند.
شكل 1 به طور شماتيك الگوهاي نابجايي نمونه واري را در كريستال هاي GaAs توليد شده با روش LEC و تكنولوژي ايجاد آنها را نشان مي دهد.
عموماً اين فهميده شده است كه نابجايي هاي منفرد مانند ديواره هاي سلول نابجايي بر روي پتانسيل ترموديناميكي محلي مربوط به اجزاي مختلف مانند عيوب ذاتي اثر مي گذارند. اين مسئله به دليل برهمكنش هاي مكانيكي (ميدان تنش) يا الكتريكي ايجاد مي شوند. اين مسئله موجب جدايش تعادلي و تشكيل ديواره سلول و بخش هاي تجمع نابجايي مي شود. يعني يك افزايش يا كاهش عيوب در اجزايي ايجاد مي شود كه در اطراف نابجايي ها يا ديواره ي سلول ها واقع شده اند. اين پديده، معمولاً گيرش نابجايي ها ناميده مي شود. اين فهميده شده است كه توزيع عيوب در سلول ها مي تواند بوسيله ي عمليات حرارتي و رويه هاي سرمايش مربوطه تحت تأثير قرار گيرد و موجب هموژن سازي خواص فيزيكي شود.

قوانين مربوط به كنترل عيوب محلي (NATIVE-DEFECT)

با توجه به دياگرام فازي GaAs، تركيب GaAs به خاطر داشتن نقطه ي ذوب متجانس (CMP) شاخص است. اين نقطه ذوب اندكي از تركيب استوكيومتري انحراف پيدا كرده است و به سمت بخش غني از آرسنيك حركت كرده است.
اين مسئله و همچنين يك گستره ي هموژن وابسته به دما كه شامل تركيب استوكيومتري است و همچنين وجود كاهش حلاليت ها در دو سمت، به طور شماتيك در شكل 2 نشان داده شده است. اما جزئيات مربوط به دياگرام فازي مانند موقعيت، دما و فشار جزئي آرسنيك در CMP به همراه شكل و وابستگي دمايي گستره ي هموژن هنوز بحث بر انگيز است.
در نتيجه، يك تك كريستال GaAs با تركيب استوكيومتري بايد از مذاب غني از گاليم، رشد داده شود. اين مسئله يكي از جنبه هاي مورد علاقه مي باشد زيرا دانسيته ي نابجايي ها در تك كريستال هاي GaAs اندكي از تركيب استوكيومتري متفاوت هستند كه اين مسئله بوسيله ي Parsey و Thiel (1985) گزارش شده است. اين مسئله بوسيله ي Nishizawa (1986) توصيف شده است. اين فرد علت اين موضوع را داشتن پايين ترين ميزان از عيوب ذاتي نقطه اي بيان كرده است كه در اشاعه ي نابجايي شركت مي كنند. به طور خاص، تكنولوژي رشد HWC براي كنترل درجاي استوكيومتري مورد استفاده قرار مي گيرد. اما اين يافته ها در رشد تجاري اين كريستال ها با روش LEC مورد استفاده قرار نمي گيرند. يكي از دلايل اين مسئله، ريسك قوق سرمايش اساسي و اتلاف پايداري مورفولوژيكي در حالتي است كه يك لايه ي مرزي نفوذي و غني از گاليوم در جلوي سطح مشترك در حال رشد ايجاد شود. اين لايه به دليل تزريق قابل توجه گاليوم ايجاد مي شود. علاوه بر اين، همانگونه كه در بخش هاي قبل گفته شد: يكي از پيش شرط هاي رفتار شبه عايقي GaAs وجود آرسنيك اضافي و پديد آمدن عيوب ارسنايدي مرتبط با EL2 است. اين مسئله نيازمند رشد كريستال هاي GaAs از يك مذاب در حالتي است كه باشد. از لحاظ عملي، SI GaAs منحصراً از مذاب هاي غني از آرسنيك بدست مي آيد و موجب پديد آمدن كريستال هايي مي شود كه داراي تركيب غني از آرسنيك هستند. علاوه براين، آرسنيك اضافي از تشكيل دوقلويي در رشد كريستال، جلوگيري مي كند و يكي از پيش نيازهاي براي بدست آوردن خواص الكتريكي هموژن مي باشد.
در CMP، مقادير فشار تعادلي آرسنيك در حدود 0.2 MPa مي باشد كه تعريف كننده ي فشار مينيمم گاز خنثي است كه در رشد GaAs از روش LEC بايد اعمال شود. با افزايش غلظت آرسنيك در بالاتر از سطح CMP، نياز است تا فشار گاز كاري افزايش يابد تا بدين صورت، از تشكيل حباب جلوگيري شود.
از شكل 5، اين نتيجه گرفته مي شود كه غير استوكيومتري بودن مذاب GaAs در حين رشد بايد با تعريف مقدار As مذاب، قابل كنترل مي باشد. اين روش به گستره اي از غلظت As محدود مي شود كه نزديك به غلظت هاي ذوب متجانس باشد. اين مسئله به دليل جدايش ميكرويي مي باشد يعني افزايش پيوسته ي As در مذاب با افزايش كسر مذاب انجماد يافته. اين مسئله رشد كريستال را بوسيله ي تشكيل حباب، فوق سرد مجاز و حتي كريستاليزاسيون يوتكتيك (در زمان رسيدن به غلظت هاي يوتتيك) محدود مي كند. علاوه بر اين، يك تنظيم دقيق نسبت As/Ga مذاب مشكل است.علت اين مسئله به خاطر اين حقيقت است كه Ga و As مي توانند اكسيد شوند و بنابراين در اكسيد بور مذاب حل مي شوند(بسته به پتانسيل اكسيژن در سيستم). به دليل قرابت بالاتر Ga با اكسيژن و فشار بخار بالاتر اكسيد گاليم موجود در اكسيد بور مذاب، نسبت به اكسيد آرسنيك، يك اتلاف بيشتر از Ga موجود در GaAs ايجاد مي شود و منجربه افزايش پيوسته ي آرسنيك اضافي مي شود. همچنين در اين حالت غلظت بور در مذاب نيز افزايش مي يابد. تاكنون، هيچ روش تحليلي براي تعيين ميزان انحراف از حالت استوكيومتري و ميزان مجاز آن، گزارش نشده است. بنابراين، در عوض كنترل در جاي ( in situ) استوكيومتري از طريق تركيب شيميايي مذاب (يا فشار جزئي آرسنيك) مقدار آرسنيك مورد استفاده، بعلاوه ي غلظت استوكيومتري (درجا و غير در جا) در سنتز به طور تجربي بهينه سازي مي شود و تكرار پذير مي گردد.
در اصل، در دماي كريستاليزاسيون، عيوب نقطه اي محلي مربوط به آرسنيك اضافي به طور كامل در داخل يك گستره ي هموژن حل مي شوند كه اين مسئله به خاطر باقاعده بودن ترموديناميكي ايجاد مي شود. در طي سرد كردن و بمحض عبور از خط مربوط به حد حلاليت، جوانه زني و رشد رسوبات آرسنيك رخ مي دهد. اندازه ، توزيع و دانسيته ي آنها در اصل از روابط مربوط به مكان هاي جوانه زني غير ساكن و پديده ي استوالد رايپنينگ، پيروي مي كند يعني آنها با مكان هاي جوانه زني كنوني، فوق اشباع (فوق سرد)، زمان ايستايي و دماي زير حد حلاليت در ارتباط هستند و طول متوسط نفوذ را تعيين مي كند اما جزئيات مربوط به مكانيزم اتمي رسوب دهي هنوز به درستي فهميده نشده است.
به دليل انرژي جوانه زني پايين تر، رسوبات در نابجايي ها ايجاد مي شوند. اين نتايج با استفاده از پرتونگاري تفرق ليزر IR حاصل شده است. به دليل اينكه، اين رسوبات در كريستال هاي در حال رشد ايجاد مي شوند، با شروع رسوب دهي ، تشكيل و آرايش مجدد نابجايي ها به پايان مي رسد. در عوض، نابجايي ها كه در طول خطوط لغزشي و در دماهاي پايين تر تشكيل مي شوند، بوسيله ي رسوبات آرسنيك آلوده نمي شوند و يا اين آلودگي جزئي است.
آزمون هاي كوئنچ نمونه هاي GaAs كه در دماهاي بالاتر از تحت عمليات انحلال- آنيل قرار گرفته اند، نشان داده است كه موجب پديد آمدن سرمايشي كريستال تا دماي (با توجه به واكنش ) مي شود. اين موجب از بين رفتن فوق اشباع در اين دما مي شود و بنابراين، مقدار بوسيله ي غلظت كنترل مي شود. با توجه به اين مسئله، غلظت EL2 در نزديكي ساختار سلولي نابجايي ها افزايش مي يابد كه اين افزايش نتيجه اي از صعود نابجايي ها بوسيله ي مكانيزم Petroff–Kimerling است.
معمولاً كريستال هاي توليد شده با روش LEC، دقيقاً بعد از رشد، شامل EL2 در گستره ي غلظت متوسط برابر با مي باشند. اين نشاندهنده ي توزيع غير يكنواخت بحث شده در بالا به همراه ماكزيمم در ديواره هاي سلولي و حالت مينيمم در بخش داخلي سلول است. به عنوان يك نتيجه، يك يكنواختي الكتريكي (كه غير هموژن بودن پارامتر مزوسكوپيك ناميده مي شوند) مشاهده مي شود كه نشاندهنده ي ميزان وابستگي به عمليات حرارتي مي باشد.
به طور نمونه وار، آناليزهاي نقشه اي مختلف رابطه ي سلول ساختاري اشاره شده در بالا را انعكاس مي دهد. براي مثال، جريان تماس نقطه اي (point-contact current) در ديواره ي سلول بالاست و با حركت به سمت مركز سلول، كاهش مي يابد. اين مسئله نشاندهنده ي عدم يكنواختي درمقاومت الكتريكي در عرض سلول ها مي باشد كه اين عرض بسيار بزرگتر از يك مقدار دامنه است. اخيراً اين اثبات شده است كه افزايش در غلظت EL2 در ديواره هاي سلول به اندازه ي كافي بالا نيست تا بتوان افت مقاومت الكتريكي را توجيه كرد. علاوه بر اين، يك شدت فوتولومينسنس باند به باند (BB) افزايش يافته در ديواره هاي سلول كريستال هاي رشد داده شده با LEC مشاهده شده است. اين نشاندهنده ي يك غلظت كاهش يافته از مراكز جفت شدن غير تابشي با توجه به بخش داخلي سلول است كه با افزايش عمر مفيد حامل ها در ديواره ي سلول تطابق دارد. از ارتباط شدت BB-PL و غلظت EL2، اين نتيجه گيري مي شود كه EL2 مركز تركيب مجدد نيستند كه عمر مفيد حامل ها را تعيين مي كند. اين پيشنهاد شده است كه مركز EL6 محلي كه به احتمال زياد بخش هاي پيچيده اي هستند، شامل جاهاي خالي آرسنيك ( ) مي باشد كه عمر مفيد حامل در GaAs را تعيين مي كند. اين نشان داده شده است كه EL2 و EL6 با همديگر قرين هستند.
هموژن بودن مزوسكوپي مي تواند بوسيله ي يك عمليات حرارتي بر روي كريستال تحت تأثير قرار گيرد. معمولاً يك فرايند دو مرحله اي اعمال مي شود كه شامل يك دوره ي زماني انحلال در بالاترين دماي ممكنه و نگه داشتن نمونه در اين دما به منظور هموژن سازي كامل آرسنيك اضافي است. سپس نمونه سريعاً سرد مي شود تا به دمايي در حدود برسد و دوباره نمونه در اين دما نگه داشته مي شود. بجز براي نواحي اطراف ديواره ي سلول، كه علاوه بر اين بوسيله ي رسوبات ايجاد شده، تحليل مي رود، رسوباتي در زمينه وجود دارد ككه به عنوان مراكز تفرق شبه روشن مشاهده مي شوند.
عموماً هموژن سازي عيوب نقطه اي محلي بوسيله ي آنيل دو مرحله اي، موجب بهبود خواص كلي كريستال ها مي شود. براي مثال، يك انحراف استاندارد متوسط از غلظت EL2 شعاعي برابر با 2.5 % ، در ويفرهاي 6 اينچي بوسيله ي اين عمليات حرارتي ايجاد شده است. موبيليته ي متوسط هال در ماده ي با كربن پايين در يك مقاومت الكتريكي ، برابر با مي باشد. در حال حاضر، رويه ي آنيل بالك اشاره شده در بالا يكي از مراحل به كمال رسيده در زمينه ي توليد درم مقياس بزرگ SI GaAs مي باشد. به عبارت ديگر، آنيل ويفرها كه بوسيله ي Oda و همكارانش پيشنهاد شده است، اجازه اثرگذاري بر روي غلظت آرسنيك اضافي را بوسيله ي آنيل در يك اتمسفر گاز آرسنيك فراهم مي آورد. اين نيز يكي ديگر از امكانات در دست ماست كه بواسطه ي آن مي توانيم بر روي خواص ويفرهاي توليدي اثر بگذاريم.

كنترل كربن

بهبود خلوص مواد اوليه، هنر تميزكاري در هنگام انتقال مواد و پيشرفت ها در زمينه ي آگاهي يافتن در مورد ترموشيمي قابليت جذب ناخالصي در اكسيد بور و اثر تركيب شيميايي فاز گازي بر روي مذاب GaAs در هنگام رشد بلور، منجر به كاهش قابل توجه عيوب غير ذاتي (ناخالصي) در داخل كريستال هاي حاصله شده است. اين مسئله موجب شده است تا فرايند رشد LEC معمولي GaAs بدون مواد دوپ شونده به فرايند رشد تحت كنترل كربن تبديل شود. اما يكي از دغدغه هاي باقيمانده، در مورد ساير نمونه هايي است كه در سنتز و رشد مشاركت دارند مثلاً بور، نيتروژن، هيدروژن و اكسيژن. در بين اين مواد، اكسيژن از لحاظ الكتريكي فعال است و بور نيز بر روي بازده فعال سازي دوپ شونده هاي وارد شده به گاليوم اثر مي گذارد. غلظت اين اجزا در اصل بوسيله ي پتانسيل هاي شيميايي اكسيژن و كربن در سيستم رشد، كنترل مي شود. اين پتانسيل ها مي توانند بوسيله ي ميزان آب موجود در اكسيد بور و يا فيوگاسيته ي نيتروژن و اكسيد بور در اتسمفر كاري، تحت تأثير قرار گيرد.
براي بدست آوردن اطلاعات جزئي تر، مدل سازي ترموشيميايي به جاي آناليزهاي متعدد بر روي واكنش هاي شيميايي به هم وابسته با استفاده از مفهوم مينيمم كردن انرژي آزاد سيستم واكنش پيچيده، كارساز است. به عنوان مثال، دياگرام پتانسيل كربن محاسبه شده در برابر پتانسيل اكسيژن با دمين هاي پايداري GaAs مذاب در تماس با اكسيد بور در شكل 3 نشان داده شده است. فازهاي مايع به عنوان محلول هاي بي قاعده و با توجه به مدل Redlich–Kister–Muggianu توصيف مي شوند. ناحيه ي عملياتي مربوط به رشد كريستال براي مواردي نشان داده شده است كه در آن، پتانسيل اكسيژن و كربن بوسيله ي فشار جزئي نيتروژن، مقدار آب موجود در اكسيد بور و فشار جزئي CO در اين سيستم، تعيين مي شود. با ثابت كردن پتانسيل اكسيژن و كربن، هيچ درجه ي آزادي براي سيستم وجود ندارد. بنابراين، با استفاده از ضرايب اكتيواسيون مربوطه، غلظت هاي C، B، O، N و H حل شده در داخل GaAs مايع را مي توان تخمين زد. غلظت هاي B، O و N در GaAs مايع بر روي محور پتانسيل اكسيژن موجود در شكل 3 نشان داده شده است. اين غلظت ها تنها به پتانسيل اكسيژن وابسته هستند و به پتانسيل كربم وابسته نيستند. همانگونه كه در شكل 6 ديده مي شود، مقدار بور در GaAs مايع مي تواند با افزودن نيتروژن به اتمسفر رشد، كاهش يابد. در عمل، حضورآب در نيتروژن، پتانسيل اكسيژن را تنها در وجود مقادير كافي از اين ماده در سيستم، تعيين مي كند. به عبارت ديگر، از شكل 3، اين فهميده مي شود كه ثابت كردن فشار جزئي CO، براي تعيين پتانسيل كربن و بنابراين غلظت كربن در مذاب GaAS، كافي نيست. پتانسيل اكسيژن نيز بايد ثابت شود. اين ممكن است دليل اين مسئله باشد كه چرا نتايج متداول در مورد كنترل كربن بوسيله ي كنترل CO در مقالات به چاپ رسيده است. با كنترل فشار جزئي CO و پتانسيل O در سيستم رشد، مقدار C در تك كريستال هاي GaAs مي تواند در يك گستره ي وسيع از تا كمتر از كنترل شود. اين مسئله در شكل 4 نشان داده شده است.
اما اين را بايد در ذهن به ياد داشته باشيد كه در حالت تعادل ترموديناميكي، خروج C از مذاب GaAs و افزوده شدن آن به اين مذاب نيازمند انتقال مواد واكنش دهنده از طريق فازهاي مختلف به مرزدانه هاي فازي مي باشد. بنابراين كنترل پديده هاي انتقال همچنين يكي از موارد مهم در كنترل غلظت كربن در مذاب مي باشد.

روش هاي چكرالسكي اصلاح شده

روش هاي چكرالسكي تحت فشار بخار كنترل شده (VCz)

يك روش قدرتمند براي ايجاد گراديان هاي دمايي پايين (در گستره ي 15-35 K/cm) در رشد با استفاده از روش چكرالسكي، روش VCz است. مهم ترين ويژگي ساختاري اين روش، حضور يك محفظه ي داخلي است كه منجر به ايجاد يك حالت محافظت براي رشد كريستال و گازهاي گرم و جلوگيري از برخورد آنها با ديواره هاي سرد آب گرد سيستم مي شود و بنابراين، اين مسئله موجب مي شود تا اطمينان حاصل كنيم گراديان دما در حالت محوري و شعاعي، به خوبي تنظيم شده است (شكل 5). براي جلوگيري كردن از تجزيه ي سطح بسيار گرم كريستال بواسطه ي تجزيه ي آرسنيك و تشكيل گاليوم (در هنگام خروج كريستال از بخش بالايي لايه ي اكسيد بور)، يك فشار آرسنيك كنترل شده با دما در طي كل فرايند ايجاد مي شود. فشار گاز خنثي و اكسيد بور در اين سيستم نيز استفاده مي شود و به ما اجازه مي دهد تا كنترل دقيقي بر روي استوكيومتري كريستال حاصله داشته باشيم. ماده ي اوليه ي مورد استفاده اندكي غني از آرسنيك مي باشد. ايجاد يك سطح آيينه اي مانند در كريستال رشد داده شده با روش VCz يك شاهد از ايجاد حالت تعادل ترموديناميكي است.
براي اولين بار اصول كلي روش VCz در ژاپن ثبت اختراع شد (در سال هاي اواسط دهه ي 1980). اولين مقاله در مورد رشد VCz گاليوم آرسنايد كه در آن از سيستم تصويربرداري اشعه ي X عبوري براي كنترل شكل كريستال درجاي توليد شده، استفاده شده است، بوسيله ي Ozawa و همكارانش (1985) به چاپ رسيده است. دانسيته ي نابجايي هايي در حدود براي كريستال هاي GaAs دو اينچي گزارش شده است كه اين مقدار دانسيته ي بسيار پاييني است. امروزه، كريستال هاي بزرگتر و با كيفيت بالاتر با اندازه هاي بين 100 تا 150 ميلي متر را مي توان با اين روش توليد كرد و همچنين اين آزمايشات تكرار پذير نيز مي باشد.
برخي مشكلات فني كه براي روش VCz ايجاد شده است، در طي سال هاي اخير حل شده است. اولين مشكل، كنترل پيچيده ي قطر در گراديان هاي دمايي پايين مي باشد كه با استفاده از بخش هاي كشنده ي با برنامه ريزي مناسب و اعمال سرعت هاي چرخشي مناسب مي باشد. علاوه بر اين، مشكلات مربوط به كنترل تصويري فرايند در محفظه ي داخلي و خروج گاز آرسنيك نيز با استفاده از معيارهاي ساختاري مناسب، اصلاح گرديد و بدين صورت اين فرايند مانند فرايند LEC معمولي، به يك روش متداول تبديل شد.
به طور نمونه وار، تنش هاي ترمومكانيكي باقيمانده ي بسيار اندكي (كمتر از 1MPa) دركل ويفرهاي آنيل نشده ي، توليد شده با روش VCz يافت مي شود. به عنوان يك نتيجه، دانسيته ي نابجايي ها تقريباً نسبت به روش LEC به اندازه ي يك مرتبه كاهش يافته است (شكل 6). EPD كمتر از است و اين مقدار در ناحيه ي مركزي كريستال هاي 4 اينچي و 6 اينچي به ترتيب برابر است با , . از شكل 6 اين نتيجه مي شود كه توزيع نابجايي در كريستال هاي توليد شده با روش VCz در طول جهت شعاعي هموژن است و نمودار آن U شكل است (در صورتي كه اين نمودار در مورد رشد با روش LEC به شكل W مي باشد).
يك نتيجه ي ديگر از استفاده از روش ها، اصلاح ريزساختار مي باشد. ابعاد سلول هاي در حد 1-2 ميلي متر گزارش شده است. علاوه بر اين، ديواره هاي سلولي به طور كامل به هم نزديك نيستند زيرا دانسيته ي مطلق نابجايي ها پايين است و بديهي است كه به دليل اينكه پلي گونيزاسيون تحت شرايط با گراديان دمايي پايين، كامل نمي شود، هيچ تفاوت مشهودي در مورد پارامترهاي الكتريكي مشاهده نشده است. بعد از آنيل دو مرحله اي، يك توزيع هموژن از مقاومت الكتريكي با انحراف استاندارد كمتر از 10 % در كريستال هاي VCs (دقيقاً بعد از رشد) مشاهده مي شود.
غلظت EL2 در كريستال هاي (دقيقاً بعد از رشد) رشد داده شده با روش VCz معمولاً به طور قابل توجهي كمتر از كريستال هاي رشد داده شده با روش LEC است ( به جاي مقادير بالاتر از ).
در ديد اول، يك چنين رفتاري مي تواند بوسيله ي دانسيته ي نابجايي هاي كمتر در كريستال هاي VCz توصيف شود اما بررسي هاي جزئي بيشتر در اين زمينه ضروري است. توجه كنيد كه مقدار EL2 در گاليوم آرسنايد رشد داده شده با روش VCz (دقيقاً بعد از رشد) مي تواند افزايش يابد و به مقادير مربوط به گاليوم آرسنايد توليد شده با روش LEC برسد كه بوسيله ي آنيل در دماي آماده سازي شده اند.
مقدار كربن موجود در اين كريستال ها، بالاتر از است كه در مقايسه با كريستال هاي رشد داده شده با روش LEC بيشتر مي باشد. به هر حال، نتايج اخير يك برنامه در زمينه ي كنترل كربن در كريستال هاي VCz نشان داده است كه غلظت هاي كربن كمتر از اين مقدار نيز قابل حصول مي باشد.
در كل، مزيت هاي اصلي VCz عبارتند از:
1) كاهش قابل توجه در تنش هاي گرمايي كه منجر به كاهش دانسيته ي نابجايي ها مي شود (دانسيته هايي كمتر از ). اين نابجايي ها هموژن تر بوده و به صورت تصادفي آرايش مي گيرند يا به صورت سلول هاي با ابعاد بزرگتر ايجاد مي شوند.
2) هيچ تلاطمي در داخل محفظه ي VCz وجود ندارد. اين كار بوسيله ي حفاظت مذاب از جريان ها بوسيله ي محفظه ي خارجي انجام مي شود.
3) سطح آينه اي مانند كريستال نشاندهنده ي شرايط تعادل ترموديناميكي بعد از رشد مي باشد.
در حال حاضر، برخي محدوديت ها براي روش VCz ذكر شده است. اين محدوديت ها عبارتند از:
1) پيچيدگي نسبتاً بالاي تجهيزات و بنابراين افزايش هزينه هاي مربوط به سرمايه گذاري.
2) زمان فرايند طولاني تر (نرخ كشش پايين تر در حدود 5 ) در اين روش متداول است تا بدين وسيله، گراديان دمايي كاهش يابد).
3) برخي اوقات هزينه هاي عملياتي مربوط به اين روش بالاست.
با وجود اين، روش VCz يك روش مطمئن براي رشد بي محدوديت كريستال هاي GaAs با قطرهاي بزرگ مي باشد. در اين روش با ايجاد گراديان دمايي يكنواخت، اطمينان حاصل مي شود كه تنش هاي القا شده در ساختار مينيمم است. اخيراً روش رشد VCz براي توليد كريستال هاي 3 اينچي از GaAs دوپ شده با سيليكون استفاده شده است كه بدون نابجايي هستند. همچنين در مورد INP، روش رشد VCz كريستال ها با قطر 75 ميلي متر و طول 240 ميلي متر در محصولات الكترونيك مورد استفاده قرار گرفته است.

رشد چكرالسكي كاملاً كپسوله شده (FEC)

به منظور كمك كردن به كاهش سطح تنش در طي رشد مخصوصاً در مرزدانه هاي ميان كريستال و سطح اكسيد بور و همچنين جلوگيري كردن از تبخير انتخابي GaAs از سطح كريستال آزاد، روش كپسوله سازي كامل كريستال در حال رشد بوسيله ي اكسيد بور براي رشد تك كريستال هاي SI GaAs توسعه يافته است. اين كار اولين بار در سال 1984 و بوسيله ي Nakanishi و همكارانش انجام شده است. نتايج جديدتر بوسيله ي Elliot و همكارانش در سال 1992 ارائه شده است. يك دانسيته ي نابجايي كمتر مي تواند با استفاده از اين روش ايجاد شود و همچنين خواص الكتريكي كريستال هاي توليد شده با اين روش نيز قابل توجه است. به هر حال، محدوديت هاي موجود در مورد طول و قطر كريستال ها و همچنين كنترل ميزان كربن مي باشد. بنابراين، اين روش نمي تواند براي توليد در مقياس وسيع مورد استفاده قرار گيرد.

روش چكرالسكي با ديواره ي گرم (HWC)

همانگونه كه در بخش هاي قبلي گفته شد، سيستم هاي HWC اولين بار براي رشد GaAs مورد استفاده قرار گرفت. به دليل غياب ماده ي كپسوله كننده ي مايع در اين روش، با استفادله از اين روش قادر هستيم تا كنترل درجايي بر روي استوكيومتري داشته باشيم. اين كنترل بواسطه ي فشار كل As موجود در محفظه انجام مي شود. در اين روش، يك محفظه ي گازبندي شده براي رشد وجود دارد كه ديواره هاي آن داراي دمايي در حدود 620 ℃ مي باشند. به دليل ساختار، در اين روش، مكانيزم تغذيه و انتقال و چرخش جوانه زا و بوته يكي از مهم ترين ويژگي هاي اين سيستم است. شكل 7 طرح ساده اي از اين سيستم را نشان داده است.
به دليل گراديان هاي گرمايي پايين تر در سيستم هاي با ديواره ي گرم، كريستال هاي GaAs با نابجايي اندك بوسيله ي اين روش توليد مي شوند. حتي نمونه هاي بدون نابجايي با قطر كمتر از 20 ميلي متر نيز گزارش داده شده است.
به عنوان نتيجه، علاقه ي زيادي در مورد استفاده از اين روش وجود دارد. مخصوصاً از نقطه نظر ترموديناميكي. اما محدوديت هاي فني و علمي جدي براي اين روش برشمرده شده است و از اين رو از استفاده از اين روش در توليد صنعتي اين كريستال، جلوگيري مي كند. اين محدوديت ها عبارتست از:
1) نيازمندي هاي سيستمي پيچيده
2) كنترل فشار در داخل و خارج محفظه ي رشد.
3) مشكلات مربوط به كنترل استوكيومتري به دليل گراديان دمايي در طول سطح آزاد مذاب GaAs.
4) مشكل در كنترل مقدار كربن و ناخالصي ها
5) هزينه هاي سرمايه گذاري و عملياتي بالا

نتيجه گيري و چشم انداز

GaAs اهميت روز افزوني در اپتوالكترونيك و ميكروالكترونيك پيدا كرده است مخصوصاً براي وسايل با فركانس بالا مانند HBTs، HEMTs و MMICs. براي برطرف نمودن نيازهاي روز افزون، تلاش هاي زيادي در جهت رشد كريستال هاي 150 ميلي متري، شبه عايق با كيفيت بالا انجام شده است. روش LEC متداول و روش هاي بهبود يافته در آينده، موقعيت خود را براي توليد انبوه ويفرهاي SI، پيدا مي كنند. يك سهم معين از ويفرهاي GaAs با تنش هاي باقيمانده و دانسيته ي نابجايي كاهش يافته براي استفاده در وسايل خاص مي تواند با استفاده از روش VCz توليد شوند.
مشكلات مربوط به رشد با روش LEC در آينده حل مي شوند و مي توان با استفاده از اين روش، تنش هاي ترمومكانيكي موجود در كريستال هاي در حال رشد را كاهش داد. در اين زمينه، برنامه هاي شبيه سازي قدرتمندي شامل جريان هاي گازي و مدل هاي فيزيكي بهبود يافته مي توانند مفيد باشند. بهينه سازي ميدان دمايي و برنامه ي سرد كردن براي كنترل دانسيته و آرايش نابجايي ها، مهم مي باشند. در همين زمان، رابطه ي ميان تنش هاي گرمايي متغير، ايجاد و تجمع نابجايي ها با دقت بيشتري مورد مطالعه قرار گرفته است.
علاوه بر اين، به دليل ارتباط ميان ساختار نابجايي ها و خواص فيزيكي (مانند هموژن بودن ماكروسكوپيك و مزوسكوپيك) ، نياز است يك سري اطلاعات جزئي تر در مورد برهمكنش هاي نابجايي ها با عيوب ذاتي و غير ذاتي و رابطه ي آنها با استوكيومتري و خواص فيزيكي SI GAAs بدست آيد.

/ج