Thermodynamische und kinetische Untersuchungen zum Verhalten der Kohlenstoffisotope 12C und 13C in VGF-GaAs

• Applicant: Professor Dr. Michael Stelter
• Subject Area: Materials Engineering
• Term: from 1999 to 2002
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5221530

Kohlenstoff besitzt eine herausragende Bedeutung für die Technologie der GaAs-Kristallzüchtung und die Qualität der erzeugten Einkristalle. Dies gilt sowohl für die Züchtung im geschlossenen System (Ampullenverfahren) als auch für die Züchtung im geschlossenen System (Ampullenverfahren) als auch fürdie Züchtung im Druchreaktor (CV, VCZ, VGF). Kohlenstoff wird bei der Kristallzüchtung aus verschiedenen Quellen (Ausgangsmaterial, Kontamination, Dotierung) in den Kristall eingebaut. Durch die Anwendung des Ampullenverfahrens und den Einsatz des natürlichen Isotops 13C als feste Kohlenstoffquelle kann zwischen dem Eintrag aus dem definierten Quellenmaterial (13C) und der Extraktion aus dem Vorlaufmaterial (12C) unterschieden werden [han99]. Das Projekt behandelt thermodynamische und kinetische Untersuchungen zum Verhalten der Kohlenstoffisotope 12C und 13C in VGF-GaAs (Vertical Gradient Freeze). Dabei wird davon ausgegangen, daß Kohlenstoff den zur Erzeugung von halbisolierenden GaAs erforderlichen Kompensationsmechanismus beeinflußt und deshalb in seiner Konzentration sehr genau eingestellt werden muß [mü100]. In einem geschlossenen Züchtungssystem kommen dem Kohlenstoff darüber hinaus noch weitere Steuerfunktionen zu. Der in der Ampulle herrschende Gesamtdruck ist für die mechanische Stabilität des Ampullenmaterials bei Züchtungstemperatur von prinzipieller Bedeutung. Von Interesse ist die Frage, inwieweit die Partialdrücke der Reaktionsprodukte des Kohlenstoffs zum Gesamtdruck beitragen. Vom Gesamtdruck hängt auch ab, ob es zur Blasenbildung (Kochen) in der Boroxidschicht während der Züchtung kommt, wodurch die Kinetik des Stoffaustauschs zwischen Gasphase, Boroxid und GaAs-Schmelze beeinflußt wird. Desweiteren ist die Frage zu beantworten, ob der C-Gehalt im System den Einbau anderer Verunreinigungen wie z.B. Sauerstoff, Silizium und Bor beeinträchtigt oder fördert. Im Projekt sollen die thermodynamischen und kinetischsen Einflußfaktoren des Kohlenstoffeinbaus in versetzungsarmes GaAs detailliert untersucht werden. Dazu sollen massenspektomeetrische Untersuchungen der Gasphase, FTIR- und GDMS-Messungen sowie TOF-SIMS-Untersuchungen der gezüchteten Kristalle angestellt werden. Weiterhin soll ein thermodynamisch-kinetisches Modell zur Beschreibung des Einbauverhaltens von Kohlenstoff erweitert werden, bei dem alle im System vorhandenen Elemente (Ga, As, C, N, O, H, Si, B) sowie die Kinetik der Einbauvorgänge im Mehrphasensystem berücksichtigt werden. Die Grundlage bildet ein thermodynamisches Modell auf Basis der Softwarepakete "ChemSage" und "ChemApp". Neben langjähriger Erfahrung bezüglich Druchführung und Interpretation von thermodynamischen Rechnungen steht eine in Präzision und Umfang einmalige Basis an thermodynamischen Grunddaten zum System Ga-As-B-N-C-H-Si zur Verfügung. Für die Problematik des Kohlenstoffeinbaus ist die Quantifizierung der kinetischsen Hemmung des Transports von CO durch die Boroxiddeckschicht über die Ermittlung eines effektiven Transportkoeffizienten von konkretem Interesse. Ein weiteres Ziel ist die Verbesserung des thermodynamisch-kinetischen Modells durch Vergleiche mit Züchtungsexperimenten. Dazu ist die weitere Aktualisierung der thermodynamischen Grunddaten durch Experimente, die die Untersuchung des temperaturabhängigen Löslichkeitsverhaltens (z.B. von SiO2 in B2O3 [Verunreinigung bzw. Wechselwirkung mit der Quarzampulle) zum Ziel haben, nötig.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Professor Dr.-Ing. Eberhard Buhrig