Chinesische Wissenschaftler entwickeln neuartige Methode zum Wachstum hochqualitativer Aluminiumantimonid-Kristalle
Durchbruch beim Aluminiumantimonid-Kristallwachstum
Forscher des State Key Laboratory of Solidification Processing und des Key Laboratory of Radiation Detection Materials and Devices der Northwestern Polytechnical University in Xi'an, China, haben kürzlich einen bemerkenswerten Artikel in der Zeitschrift Journal of Crystal Growth veröffentlicht, mit dem Titel "Haftungsfreies Bridgman-Wachstum von AlSb". Der Artikel beschreibt eine neue Technik zum Wachstum von Aluminiumantimonid (AlSb)-Kristallen, bei der die Verwendung einer haftungsfreien vertikalen Bridgman-Methode und eines pyrolytischen Bornitrid (pBN)-Tiegels das erfolgreiche Wachstum von großkörnigen AlSb-Kristallen ermöglicht und die Herausforderungen der hohen Reaktivität von Aluminium überwindet.
Potenzial und Herausforderungen von Aluminiumantimonid-Kristallen
Aluminiumantimonid-Kristalle als Verbindungshalbleiter haben ein immenses Potenzial im Bereich der Raumtemperaturdetektoren. Im Vergleich zu hochreinen Germanium- und Cadmiumzinktellurid-Detektoren bieten AlSb-Kristalle einzigartige Vorteile. Das Wachstum von AlSb-Einkristallen wurde jedoch durch die starke Haftung zwischen Kristall und Tiegelwand, verursacht durch die hohe Reaktivität von Aluminium, behindert, was eine lang anhaltende Hürde für ihre praktische Anwendung darstellte.
Innovative Kristallwachstumsansatz
Um diese Herausforderung anzugehen, entwickelte das Forscherteam eine In-situ-Synthesemethode. Sie verwendeten einen pBN-Tiegel, der in einer Quarzampulle versiegelt war, und kontrollierten die Reaktion zwischen Aluminium und Antimon durch einen zweistufigen Prozess mit Festkörper- und Flüssigphasenreaktionen bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt. Durch den Einsatz eines zyklischen Prozesses der schnellen gerichteten Erstarrung und Wiederaufschmelzung erreichten sie eine Homogenisierung und letztendlich das Wachstum von großkörnigen AlSb-Kristallen unter Verwendung der vertikalen Bridgman-Technik.
Durchbruch beim haftungsfreien Kristallwachstum
Die Forscher charakterisierten die erhaltenen AlSb-Kristalle mittels XRD- und EDS-Analysen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kristalle eine einzelne Sphaleritstrukturphase aufwiesen, mit einem atomaren Verhältnis nahe der stöchiometrischen Zusammensetzung, mit einem Al:Sb-Verhältnis von 49,7:50,3. Bei konventionell synthetisierten Kristallen wurde das Vorhandensein von Aluminiumnitrid an der AlSb-Bornitrid-Grenzfläche beobachtet, was als Ursache für die Haftung angesehen wurde. Durch Absenken der Reaktionstemperatur gelang es den Forschern erfolgreich, ein haftungsfreies Kristallwachstum von der antimonreichen Seite aus zu erreichen und die chemische Aktivität von Aluminium während des AlSb-Bridgman-Wachstumsprozesses zu unterdrücken, wodurch sie hochqualitative AlSb-Kristalle mit Korngrößen von mehr als 5x5 mm² erhielten.
Die entscheidende Rolle der pBN-Tiegel
In dieser Studie spielte der pyrolytische Bornitrid-Tiegel eine entscheidende Rolle. pBN gilt als ein hochgeeignetes Tiegelmaterial für das Wachstum von III-V-Halbleitereinkristallen, da es die elektrischen Eigenschaften der Kristalle nicht beeinflusst, selbst wenn es in den Kristall eingebaut wird. Die Forscher platzierten den pBN-Tiegel in einer Quarzampulle und versiegelten ihn mit einem Quarzverschluss, um die Antimonevaporation zu minimieren. Durch die Durchführung der In-situ-Synthese bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt von AlSb und den Einsatz eines zweistufigen Fest- und Flüssigphasenreaktionsprozesses gelang es den Forschern erfolgreich, die Bildung von Aluminiumnitrid zu vermeiden und die chemische Aktivität von Aluminium während des AlSb-Bridgman-Wachstums wirksam zu unterdrücken, was ein haftungsfreies Wachstum ermöglichte.
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Zukünftiger Ausblick
Das in dieser Studie vorgeschlagene einzigartige AlSb-Syntheseverfahren und der vertikale Bridgman-Wachstumsprozess bieten einen neuen Ansatz für das Wachstum hochqualitativer AlSb-Kristalle. Da diese Technologie weiter optimiert und verfeinert wird, verspricht sie die praktische Anwendung von AlSb-Kristallen in Bereichen wie Raumtemperaturdetektoren. Die kontinuierliche Erforschung und Innovation chinesischer Wissenschaftler auf dem Gebiet des Halbleiterkristallwachstums wird neue Impulse für die Entwicklung der Elektronik- und Informationsindustrie des Landes geben.