Способ выращивания кристаллов германия



Способ выращивания кристаллов германия

 


Владельцы патента RU 2563484:

Акционерное общество "ГЕРМАНИЙ" (АО "ГЕРМАНИЙ") (RU)

Изобретение относится к металлургии полупроводников, в частности к электронной и металлургической отраслям промышленности, и может быть использовано при производстве монокристаллов германия. Способ включает выращивание кристаллов германия из расплава, содержащего основную легирующую примесь - сурьму и две дополнительные - кремний и теллур, которые вводят в расплав в количествах, обеспечивающих их концентрацию в расплаве 0,5·1020-1,2·1020 см-3 и 1·1019-5·1019 см-3 соответственно. Техническим результатом изобретения является повышение термостабильности оптических свойств выращиваемых кристаллов германия. 1 табл.

 

Изобретение относится к металлургии полупроводников, в частности к электронной и металлургической отраслям промышленности, и может быть использовано при производстве монокристаллов германия.

Известно, что в германии в области его прозрачности в инфракрасной части спектра преобладает поглощение на дырках, так как сечение поглощения фотонов дырками на порядок больше величины сечения поглощения фотона электронами. По этой причине в инфракрасной оптике используется германий, легированный примесью донорного типа, как правило, - сурьмой.

Сурьму широко используют в технологии полупроводников в качестве донорной легирующей примеси, а также как компонент полупроводниковых соединений, в частности для придания германию проводимости электронного типа.

Германий, легированный сурьмой, широко применяется в производстве оптических элементов инфракрасной оптики: линз, призм, оптических окон датчиков. Германий также используется в ИК-спектроскопии в оптических приборах, использующих высокочувствительные ИК-датчики, так как обладает высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра (порядка 46%) в рабочем диапазоне длин волн от 2,5 до 11 мкм, а также неоднородностью показателя преломления (Δn менее 2*10-4).

Известен способ получения германия, легированного сурьмой [Gafni G., Azoulay M., Shilon С.et al. Large Diameter Germanium Single Crystals for Infrared Optics // Optical Engineering. 1989. V.28. №9. P. 1003-1007] для ИК-оптики, включающий плавление исходного материала в тигле и затем кристаллизацию расплава на вращающейся затравке. На длине волны 10,6 мкм монокристаллический германий оптического качества с удельным электрическим сопротивлением от 5 до 40 Ом·см при комнатной температуре имеет коэффициент поглощения (α)≈0.015-0.035 см-1.

Недостатком материала, полученного по данному способу, является то, что при повышении температуры в германии, легированном сурьмой, снижается оптическое пропускание и возрастает коэффициент поглощения. Рост поглощения в области прозрачности германия становится существенным, начиная с температуры 45°С.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемым результатам является способ получения кристаллов германия [SU № 1461046, C30B 15/04, C30B 29/08, опубл. 27.10.1996], в котором для повышения термостабильности свойств получаемых кристаллов предлагается в процессе их выращивания вводить в расплав, наряду с сурьмой, электрически нейтральные примеси. В качестве нейтральных примесей применяют свинец и кремний, взятые в равном количестве, составляющем 3*1018-1*1020 см-3.

Однако в данном способе не рассмотрено и не проанализировано влияние примесей на оптические характеристики полученных кристаллов.

Техническим результатом изобретения является повышение термостабильности оптических свойств выращиваемых кристаллов германия.

Технический результат достигается тем, что в способе выращивания кристаллов германия, включающем введение в расплав основной легирующей примеси (сурьмы) и двух дополнительных легирующих примесей, одной из которых является кремний, и последующее выращивание кристаллов из расплава, новым является то, что с целью повышения термостабильности оптических свойств выращиваемых кристаллов германия дополнительные легирующие примеси вводят в количествах, обеспечивающих следующую их концентрацию в расплаве: кремния - 0,5×1020-1,2×1020 см-3, теллура - 1×1019-5×1019 см-3.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данных и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Выбор кремния и теллура в качестве легирующих добавок основан на следующих соображениях.

При повышении температуры в германии оптического качества снижается пропускание, так как возникает избыточное поглощение вследствие увеличивающегося количества термически генерированных собственных дырок.

При введении кремния увеличивается ширина запрещенной зоны германия и, соответственно, снижается концентрация собственных дырок при заданной температуре.

Добавление теллура способствует компенсации термически генерированных дырок при повышенной температуре по двум причинам: во-первых, в отличие от сурьмы (V), теллур является элементом VI группы, и каждый его атом отдает в зону проводимости два электрона; во-вторых, теллур помимо мелких уровней 0,11 эВ создает глубокие уровни 0,30 эВ, генерирующие электроны при повышенной температуре.

Выбор концентраций кремния и теллура обусловлен тем, что при меньших значениях положительный эффект отсутствует. При концентрациях, превышающих указанные значения, ухудшается совершенство монокристаллов и, соответственно, их оптические характеристики.

Сущность способа заключается в том, что в расплав германия, наряду с основной легирующей добавкой, одновременно вводят две дополнительные легирующие добавки - кремний и теллур - в количествах, обеспечивающих следующую их концентрацию в расплаве: кремния - в интервале 0,5×1020-1,2×1020 см-3, теллура - в интервале 1×1019-5×1019 см-3. Концентрация сурьмы в расплаве изменяется в интервале 3,0·1016-2,5·1017 см-3.

Способ осуществляется следующим образом.

Монокристаллы германия выращивают методом Чохральского в атмосфере аргона с использованием установки «Редмет-8». Кристаллографическое направление выращивания [111], скорость вращения тигля 6 об/мин, скорость вращения затравки 20 об/мин, скорость подъема затравки 0,5 мм/мин.

В графитный тигель загружают зонноочищенный германий марки ГПЗ-1. Примеси вводят в форме лигатуры Ge-Sb, Ge-Si, Ge-Te.

Германий расплавляют в тигле, затем его температуру понижают для создания необходимого переохлаждения расплава, после чего в расплав опускают монокристаллическую затравку. Далее затравка поднимается вверх с контролируемой скоростью, тем самым из расплава выращивают кристалл. После завершения роста производят отрыв монокристалла от расплава и охлаждение установки. После полного остывания установки монокристалл извлекают.

Из полученных монокристаллов изготавливают полированные образцы для определения оптических характеристик.

На выращенных монокристаллах германия, полученных предлагаемым способом, измеряют оптическое пропускание при комнатной (Т=23°С) и при повышенной температурах (Т=60°С).

Показатель поглощения рассчитывают по формуле:

,

где Т - коэффициент оптического пропускания, в относительных единицах;

t - толщина исследуемого образца, в см,

а - натуральный показатель поглощения, в см-1,

r - коэффициент отражения, в относительных единицах.

Пример.

Монокристаллы германия выращивают методом Чохральского с использованием установки «Редмет-8» в атмосфере аргона при избыточном давлении 0,02 МПа. Зонноочищенный германий марки ГПЗ-1 загружают в графитный тигель. Легирующие примеси одновременно вводят в форме лигатуры Ge-Sb, Ge-Si, Ge-Te. Концентрация кремния в расплаве составляет 0,5×1020-1,2×1020 см-3, теллура - 1×1019-5×1019 см-3, сурьмы - 3,0·1016-2,5·1017 см-3.

Масса загрузки составляет 2-3 кг, диаметр выращенных слитков 35-50 мм.

Кристаллографическое направление выращивания [111], скорость вращения тигля 6 об/мин, скорость вращения затравки 20 об/мин, скорость подъема затравки 0,5 мм/мин. В таблице 1 приведены данные по результатам оптических испытаний тестовых монокристаллов германия с различными легирующими добавками при комнатной (Т=23°С) и при повышенной температурах (Т=60°С).

Преимущества заявляемого способа заключаются в получении монокристаллов германия с повышенной температурной стабильностью оптических свойств. В результате одновременное введение сурьмы, кремния и теллура в расплав германия в заявляемом интервале концентраций позволяет достигнуть технический результат с получением монокристаллов германия, легированных сурьмой, обеспечивающих оптическое пропускание при 60°С на уровне >43,4% и показатель поглощения <0,06 см-1.

Способ выращивания кристаллов германия, включающий введение в расплав основной легирующей примеси - сурьмы и двух дополнительных легирующих примесей, одной из которых является кремний, и последующее выращивание кристаллов из расплава, отличающийся тем, что дополнительные легирующие примеси вводят в количествах, обеспечивающих следующую их концентрацию в расплаве: кремния - 0,5·1020-1,2·1020 см-3, теллура - 1·1019-5·1019 см-3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов германия в форме диска из расплава и может быть использовано для изготовления объективов в устройствах регистрации инфракрасного излучения.

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов германия из расплава, применяемых для изготовления оптических деталей (линзы, защитные окна) инфракрасной техники.

Изобретение относится к выращиванию из расплава легированных монокристаллов германия в температурном градиенте с использованием нагревательного элемента, погруженного в расплав, в условиях осевого теплового потока вблизи фронта кристаллизации - методом ОТФ.

Изобретение относится к выращиванию из расплава легированных монокристаллов германия в температурном градиенте с использованием нагревательного элемента, погруженного в расплав.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов германия. .
Изобретение относится к способам выращивания из расплава монокристаллов германия. .

Изобретение относится к производству, для управления процессом выращивания монокристаллов из расплава по методу "Чохральского" и может быть использовано в полупроводниковом производстве, для получения монокристаллических слитков германия.
Изобретение относится к металлургии полупроводниковых материалов и может быть использовано для получения германия с высоким временем жизни неосновных носителей заряда ( н ) и низким отношением времени жизни основных носителей заряда к времени жизни неосновных носителей заряда (К = o / н).

Изобретение относится к полупроводниковой технологии и может найти применение при создании приборов оптоэлектроники и нелинейной оптики, в частности для полупроводниковых лазеров и преобразователей частоты .
Изобретение относится к выращиванию монокристаллов тербий-скандий-алюминиевого граната и может быть использовано в магнитной микроэлектронике для сцинтилляторной и лазерной техники, в частности для создания изоляторов Фарадея для лазерного излучения высокой средней по времени мощности и высокой энергии в импульсе.

Изобретение относится к технологии получения оксидного материала, имеющего структуру лангаситного типа, который является перспективным материалом для пьезоэлектрических устройств, используемым в области высоких температур.
Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах и лидарах, работающих в области 1,2-1,55 мкм.

Изобретение относится к монокристаллу со структурой типа граната, который может быть использован в оптической связи и устройствах для лазерной обработки. Данный монокристалл представлен общей формулой (Tb3-xScx)(Sc2-yAly)Al3O12-z, где 0<x<0,1; 0≤y≤0,2; 0≤z≤0,3, является прозрачным и способен ингибировать образование трещин в процессе резки.

Изобретение относится к области получения полупроводниковых материалов, которые используются в качестве подложечного материала в изопериодных гетероструктурах на основе тройных и четверных твердых растворов в системах Al-Ga-As-Sb и In-Ga-As-Sb, позволяющих создавать широкую гамму оптоэлектронных приборов (источников и приемников излучения на спектральный диапазон 1,3-2,5 мкм).

Изобретение относится к области получения полупроводниковых материалов, а именно к получению монокристаллов антимонида галлия, которые используются в качестве подложечного материала в изопериодных гетероструктурах на основе тройных и четверных твердых растворов в системах Al-Ga-As-Sb и In-Ga-As-Sb, позволяющих создавать широкую гамму оптоэлектронных приборов (источников и приемников излучения на спектральный диапазон 1,3-2,5 мкм).

Изобретение относится к технологии получения монокристалла алюмотербиевого граната, который может быть использован в качестве вращателя плоскости поляризации (Фарадеевский вращатель) в оптике.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов кремния способом Чохральского или мультикристаллов кремния методом направленной кристаллизации, которые в дальнейшем служат материалом для производства солнечных элементов и батарей (модулей) с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Изобретение относится к технологии выращивания монокристаллов методом Чохральского. .
Изобретение относится к выращиванию монокристаллов гранатов и может быть использовано в лазерной технике, магнитной микроэлектронике (полупроводники, сегнетоэлектрики) и для ювелирных целей.

Изобретение относится к оборудованию для выращивания монокристаллов методом Чохральского. Устройство включает расположенные в ростовой камере 1 тигель 2 со смежными нагревателем 4 и теплоизоляцией 5, затравкодержатель 3, тепловой полый надтигельный цилиндрический экран 6, выполненный из низкотеплопроводного материала (кварца), который установлен на тигель 2 сверху с возможностью погружения в расплав его нижней части, в стенке которой выполнены сквозные прорези, при этом каждая из нижних кромок прорезей представляет собой линию в виде дуги Архимедовой или логарифмической спирали. Технический результат заключается в снижении и стабилизации радиального температурного градиента по фронту кристаллизации и внутри монокристалла и, в целом, повышении качества выращиваемого монокристалла германия. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх