Способ выращивания монокристаллов германия

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов германия методом Чохральского для оптических применений. Способ включает выращивание кристаллов германия из расплава, содержащего основную легирующую примесь - сурьму и дополнительную - кремний, в количестве от 1,3⋅10²⁰ см^-3 до 3⋅10²⁰ см^-3 путем растворения кремниевых стержней в ходе выращивания кристалла. Техническим результатом изобретения является повышение температурной стабильности оптических свойств монокристаллов германия. 1 табл.

 

Изобретение относится к металлургии полупроводников и может быть использовано при выращивании оптических монокристаллов германия методом Чохральского.

Известен способ получения кристаллов германия [SU №1461046, С30В 15/04, С30В 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.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения кристаллов германия [RU 2563484 C1, С30В 15/04, С30В 29/08, опубл. 20.09.2015], в котором для повышения температурной стабильности оптических свойств получаемых кристаллов предлагается в процессе их выращивания вводить в расплав, наряду с сурьмой, две дополнительные примеси - кремний и теллур в количестве от 0,5⋅10²⁰ до 1,2⋅10²⁰ см^-3 и от 1⋅10¹⁹ до 5⋅10¹⁹ см^-3, соответственно, что обеспечивает следующие концентрации вводимых добавок в кристалле: Si - от 3,0⋅10²⁰ до 7,2⋅10²⁰ см^-3 (или от 0,05 до 0,15 ат.%) и Те - от 1⋅10¹³ до 5⋅10¹³ см^-3.

Известный способ повышения температурной стабильности оптических свойств имеет следующие недостатки: высокие летучесть и токсичность теллура, а также технологические трудности получения монокристаллов, так как теллур значительно ухудшает структуру кристаллов вследствие большой разницы ионных радиусов германия и теллура (0,053 нм и 0,097 нм, соответственно).

В связи с этим предлагается исключить теллур из числа легирующих добавок, а для достижения требуемого результата увеличить содержание кремния.

Вместе с тем, введение кремния в исходную шихту для увеличения его концентрации в расплаве не приводит к достижению результата, так как при этом нарушается монокристалличность. Для повышения структурного совершенства предлагается изменить способ введения кремния в расплав и осуществлять его по аналогии с работой [N.V. Abrosimov, S.N. Rossolenko, W. Thieme, Czochralski growth of Si- and Ge-rich SiGe single crystals / Journal of crystal growth. - 1997. - Vol. 174. - №1. - P. 182-186].

Задачей является получение монокристаллов германия с улучшенными оптическими свойствами.

Достигается это тем, что в расплав, содержащий сурьму, кремний вводят в количестве от 1,3⋅10²⁰ см^-3 до 3⋅10²⁰ см^-3 (от 0,3 до 0,75 ат.%) путем растворения кремниевых стержней в ходе выращивания кристалла.

Техническим результатом данного изобретения является повышение температурной стабильности оптических свойств кристаллов германия.

Данное количество кремния в расплаве обеспечивает более высокую температурную стабильность оптических свойств монокристаллов германия по сравнению с прототипом. Увеличение содержания кремния выше 3⋅10²⁰ см^-3 (0,75 ат. %) приводит к нарушению монокристалличности. Меньшее количество кремния не обеспечивает достижение технического результата.

Способ осуществляется следующим образом.

Монокристаллы германия выращивают методом Чохральского с использованием установки «Редмет» в атмосфере аргона при избыточном давлении 0,02 МПа. Зонноочищенный германий марки ГПЗ-1 загружают в графитовый тигель. Основную легирующую примесь сурьму вводят в форме лигатуры в количестве 2,5⋅10¹⁷ см^-3, обеспечивающем УЭС слитка при комнатной температуре ~3 Ом⋅см. В конструкцию теплового узла вводятся элементы, позволяющие производить подпитку расплава германия кремнием путем растворения стержней из Si после приведения их в контакт с расплавом. Направление выращивания кристалла - [111], скорости вращения затравки и тигля составляет 20 и 4 об/мин, скорость выращивания - 0,1 мм/мин.

Из полученных слитков изготавливали полированные образцы для определения оптических свойств. Результаты определения оптических характеристик экспериментальных образцов на длине волны λ=10,6 мкм, таких как пропускание и коэффициент поглощения при комнатной температуре и при 60°С, приведены в таблице.

Преимущества заявляемого способа заключаются в получении монокристаллов германия с повышенной температурной стабильностью оптических свойств.

В результате одновременного введения сурьмы и кремния в расплав германия в заявляемом интервале концентраций достигается технический результат, обеспечивающий оптическое пропускание на длине волны 10,6 мкм при 60°С от 43,50% до 43,80% и, соответственно, показатель поглощения от 0,059 до 0,053 см^-1, что превышает результат, достигнутый в прототипе.

Способ выращивания монокристаллов германия, включающий введение в расплав основной легирующей примеси - сурьмы и дополнительной - кремния, отличающийся тем, что кремний вводят в количестве от 1,3⋅10²⁰ см^-3 до 3⋅10²⁰ см^-3 путем растворения кремниевых стержней в ходе выращивания кристалла.