При изготовлении большинства полупроводниковых приборов применяют монокристаллические материалы. Это объясняется тем, что подвижность и время жизни свободных носителей заряда в монокристаллах выше, чем в поликристаллическом материале, который к тому же обладает и значительной неоднородностью свойств.

Процент выхода годных полупроводниковых приборов, их характеристики зависят от степени очистки, однородности исходного материала, степени его легирования и др. Наиболее жесткие требования к полупроводниковым материалам предъявляют при производстве транзисторов и интегральных схем. В таких приборах, как фото- и терморезисторы, допускается использование поликристаллических аморфных веществ.

Рис. 8.14. Схема установки для выращивания монокристаллов по методу Чохральского:

1 – термопара; 2 – индукционная печь; 3 – окно для визуального контроля; 4 – ось вращения; 5 – устройство для вращения; 6 – водяная рубашка; 7 – монокристаллическая затравка; 8 – выращиваемый кристалл; 9 – расплав; 10 – графитовый нагреватель; 11 – подложка теплоизоляционная

Основными методами получения монокристаллов полупроводников являются: выращивание из расплава, метод зонной перекристаллизации и выращивание из газообразной фазы. В ряде случаев применяют метод выращивания из раствора и другие методы.

Метод выращивания монокристаллов из расплава (метод Чохральского), как правило, обеспечивает высокие скорости выращивания и получение больших по размеру кристаллов. Сущность метода заключается в том, что в тигель с расплавленным материалом 9 опускают монокристаллическую затравку 7 (рис.8.14). После оплавления затравки, которое обеспечивает хорошее ее смачивание расплавом, затравку медленно поднимают. Жидкость, тянущаяся за затравкой, попадая в область более низких температур, затвердевает, повторяя кристаллическую структуру затравки. При вытягивании кристалла 8 затравку 7  или тигель 10 вращают, чтобы не происходил преимущественный рост кристалла в какую-либо сторону из-за возможной боковой разности температур. Кроме того, вращение кристалла относительно тигля производит размешивание расплава в тигле.

При выращивании из расплава монокристаллов полупроводниковых соединений пользуются методом Бриджмена-Стокбаргера. Нагреватель в этой установке устроен таким образом, что по его длине создается определенный градиент температуры (рис. 8.15).

Рис. 8.15. Схема установки выращивания кристаллов по методу Бриджмена-Стокбаргера:

 1 – исходное положение ампулы;  2 – конечное  положение ампулы; 3 – распределение температуры в печи

При выращивании кристаллов разлагающихся соединений тигель с веществом помещают в запаянную ампулу, в которой поддерживается необходимое давление паров летучего компонента. В положении 1 содержимое тигля расплавлено. По мере движения тигля вдоль печи в область более низких температур происходит постепенное охлаждение расплава и направленная его кристаллизация.

Метод зонной перекристаллизации (плавки) для получения монокристаллов состоит в том, что плавление поликристаллического слитка, помещенного в тигель, осуществляется с помощью нагревателя, создающего короткую зону, температура которой выше температуры плавления вещества. Если на одном конце слитка (рис. 8.16) поместить монокристалическую затравку и перемещать нагреватель от этого конца к другому, то остальная часть слитка, последовательно расплавляясь в зоне и затем кристаллизуясь, будет продолжать структуру затравки.

Рис. 8.16. Схема установки для проведения зонной перекристаллизации:

1 – откачка на вакуум; 2 – образец в тигле; 3 – расплавленная зона; 4 – перемещаемый нагреватель; 5 – к устройству, перемещающему зону нагрева

Метод зонной плавки широко применяют прежде всего как один из эффективных методов очистки полупроводниковых материалов от примесей. Очистка полупроводников этим методом основана на том, что примеси неодинаково растворимы в твердой и жидкой фазе основного вещества. Наиболее распространен случай, когда растворимость примеси в жидкой фазе больше, чем в твердой. Тогда расплавленная зона при движении будет захватывать примесь и переносить ее в конец слитка. Этот процесс движения зоны (в том же направлении) можно повторять

несколько раз, сгоняя примесь в конец слитка. Подобный результат может быть достигнут, если создать сразу несколько зон. Каждая из них на своем пути захватит определенное количество примеси и перенесет ее в конец слитка, который затем обрезается.

Обычно в качестве материала тигля используют плавленый кварц, графит, тугоплавкие оксиды алюминия или магния. Однако для таких реакционноспособных полупроводников, как кремний, зонная перекристаллизация оказалась эффективной лишь при бестигельной зонной плавке, которая в настоящее время осуществляется несколькими способами. Наиболее распространенным является метод плавающей зоны, который состоит в том, что расплавленная зона удерживается силами собственного поверхностного натяжения между двумя вертикальными твердыми заготовками, расположенными строго по одной линии (возможна поддержка индуцированным током и др.).

Из газообразной фазы выращивают главным образом монокристаллы полупроводниковых соединений. Существует несколько таких способов.

Для выращивания монокристаллов бинарных полупроводниковых соединений из газовой фазы используется метод взаимодействия исходных компонентов (рис.8.17). Выращивание монокристалла производится в потоке нейтрального газа или водорода. При этом применяют трехсекционную печь, причем две крайние секции (1 и 3) используют для испарения компонентов. Средняя печь (2) предназначена для поддержания необходимой температуры в реакторе, где происходит смешивание паров компонентов и их реакция. Температура в реакторе ниже, чем температура плавления образующегося соединения. Это вызывает конденсацию соединения на стенках реактора в виде кристаллов.

Рис. 8.17. Схема установки выращивания кристаллов синтезом из компонентов:

1 и 3 – печи для испарения компонентов; 2 – печь, обеспечивающая необходимую температуру в реакторе

Другим распространенным способом выращивания из газовой фазы является метод сублимации (рис. 8.18). В тигель помещают исходный материал, который затем испаряется. Пары вещества переносятся в зону роста кристаллов (зона 3) транспортирующим газом.

Рис. 8.18. Схема установки для выращивания кристаллов методом сублимации:

 1 – кварцевая лодочка с бинарным соединением; 2 – электрическая печь;  3 – зона роста

Качество и состав кристаллов, выращенных из газообразной фазы указанными методами, зависят от выбора температурных режимов испарителей и реактора.