Способ выращивания монокристаллов германия

Изобретение может быть использовано в ИК-оптике. Сущность изобретения: способ включает выращивание монокристаллов германия из расплава на затравку и последующую термообработку, причем операцию их термообработки проводят без извлечения монокристаллов из установки выращивания при температуре в пределах 1140-1200 К в течение 60-100 часов в температурном поле с направленным по радиусу градиентом температур в пределах 3,0-12,0 К/см. После завершения термообработки осуществляют охлаждение монокристаллов до температуры 730-750 К со скоростью не более 60-80 К/час. Изобретение позволяет выращивать монокристаллы германия с высокими оптическими характеристиками: рассеянием излучения на длине волн 10,6 мкм не выше 2,0-3,0% и показателем поглощения не более 0,02-0,03 см^-1.

 

Область техники

Изобретение относится к способам выращивания из расплава монокристаллов германия.

Уровень техники

Известен способ получения полупроводников, в том числе и германия (GB 755845 A (ASS ELECT IND), 29.08.1956), включающий плавление исходного материала в тигле и затем кристаллизацию расплава на вращающейся затравке. Способ применяется для создания р-n переходов путем отрыва слитка от одного расплава и последующего помещения в расплав другого типа проводимости. Для устранения дефектов кристаллической структуры, возникающих из-за быстрого охлаждения, слиток отжигают какое-то время при заданной температуре, обеспечивая тем самым снижение концентрации дефектов. Способ не может быть прямо использован для получения монокристаллов германия, используемых в инфракрасной оптике; жесткие температурные условия формирования слитка значительно снижают структурное совершенство кристаллической решетки и ухудшают электрофизические, оптические и другие свойства.

Наиболее близким по существу является способ выращивания монокристаллов германия из расплава методом Чохральского и использованием дополнительной термообработки монокристалла (Gafni G., Azoulay M., Shiloh С. et al. Large Diameter Germanium Single Crystals for Infrared Optics // Optical Engineering. 1989. V.28. №9. Р.1003-1007). Монокристаллы германия для оптического применения (инфракрасная оптика) диаметром 159-200 мм выращивались методом Чохральского и затем термообрабатывались. В монокристаллах германия анализировались неоднородность показателя преломления и значения функции передачи модуляции. Цель термообработки заключалась в повышении оптической однородности материала и уменьшении оптических потерь. Цель была достигнута путем применения отжига оптических образцов, который проводился путем нагрева до температуры 450°С, выдержки при этой температуре в течение нескольких дней и дальнейшим охлаждением до комнатной температуры со скоростью 2°С в минуту.

Одна из важных оптических характеристик материалов, применяемых в оптике - рассеяние излучения - авторами не была рассмотрена и не проанализирована. Известно, что дислокационная структура германия (дислокации и дислокационные дефекты типа малоугловых границ, линий скольжения) может приводить в оптическом германии к существенному рассеянию ИК-излучения. Высокие плотности дислокации и особенно неравномерность их распределения не позволяют получить приемлемых оптических параметров - высокого пропускания излучения на длине волны 10,6 мкм и достаточно малого рассеяния излучения. В ряде случаев по этим параметрам монокристаллы германия оказываются непригодными для применения в инфракрасной оптике. Используемый авторами низкотемпературный (450°С) отжиг не может влиять на дислокационную структуру, такое влияние может быть существенно только в области пластичности германия (при температурах выше 600°С), максимальный эффект будет наблюдаться вблизи температуры плавления (943°С).

Сущность изобретения

Основой изобретения являлась задача уменьшения рассеяния излучения на длине волны 10,6 мкм при одновременном сохранении или даже повышении уровня оптического пропускания. Задача реализована за счет отжига, являющегося частью всего процесса получения монокристалла: от плавления загрузки в тигле до извлечения монокристалла из установки. На заключительном этапе проводился отжиг выращенного из расплава монокристалла без его извлечения из установки выращивания. Отжиг проводился при температуре, близкой к температуре кристаллизации (1210 К), в течение 60-100 часов при обязательном наличии температурного градиента, направленного по радиусу монокристалла. Таким образом, температуры центральной части монокристалла и его периферии существенно различались.

Краткое описание

Технологический цикл выращивания монокристаллов германия с отжигом состоит в следующем: в графитный тигель установки загружается предварительно химически протравленный зонноочищенный германий. В затравкодержатель устанавливается монокристаллическая затравка, ориентированная в требуемом кристаллографическом направлении (обычно <111>). Установка выращивания герметично закрывается. Включается подача охлаждающей воды, в установке создается необходимый вакуум. Включается нагреватель сопротивления. Германий расплавляется, затем его температура понижается для создания необходимого переохлаждения расплава. Затравка опускается в расплав, после чего производится выращивание монокристалла. После завершения роста монокристалла средняя температура монокристалла устанавливается на уровне 1140-1200 К. Средняя температура определяется как разница температур на периферии и в центре монокристалла. Охлаждение установки, затравкодержателя и мощность нагревателя регулируются таким образом, чтобы создавалась и поддерживалась необходимая разница температур между центром монокристалла и его периферией. Сущность этого регулирования - создание требуемого градиента температур в пределах 3-12 К/см. Величина градиента выбирается в зависимости от диаметра монокристалла.

При этом температурном режиме монокристалл выдерживается в установке в течение 60-100 часов (в зависимости от диаметра). В целом режим отжига монокристалла зависит от его диаметра. Возрастание диаметра выращиваемых слитков приводит к увеличению времени отжига, снижению температурных градиентов и снижению средней температуры. Указанные градиенты и продолжительности отжига установлены опытным путем на основании результатов определения оптических характеристик монокристаллов, главной из которых в данном случае являлось рассеяние излучения на длине волны 10,6 мкм.

После завершения выдержки монокристалла при указанной температуре температура снижается, причем снижение до 730-750 К происходит со скоростью не более 60-80 К/час.

После полного остывания монокристалл извлекается, обрабатывается и передается для определения требуемых технических характеристик.

Примеры реализации способа

Пример 1

1.1. Монокристалл без применения изобретения:

длина - 160 мм; диаметр - 60 мм;

рассеяние на 10,6 мкм в центральной части монокристалла - 8,5%;

показатель поглощения <0,02 см^-1.

1.2. Монокристалл с применением изобретения (с отжигом):

длина - 150 мм; диаметр - 58 мм;

время отжига - 60 часов;

градиент температур - 11 К/см;

средняя температура - 1165 К;

рассеяние на 10,6 мкм в центральной части монокристалла - 2,5%;

показатель поглощения <0,02 см^-1.

Пример 2

2.1. Монокристалл без применения изобретения:

длина - 40 мм; диаметр - 132 мм;

рассеяние на 10,6 мкм: в центральной части монокристалла - 6,0±1,0%,

на периферии - 10,0±2,0%;

показатель поглощения на 10,6 мкм <0,02 см^-1.

2.2. Монокристалл с применением изобретения (с отжигом):

длина - 46 мм; диаметр - 132 мм;

время отжига - 72 часа;

градиент температур - 5 К/см;

средняя температура - 1180 К;

рассеяние на 10,6 мкм - 2,0±0,5%;

уровень этого показателя - однородное;

показатель поглощения на 10,6 мкм <0,015 см^-1.

Пример 3

3.1. Монокристалл без применения изобретения:

длина - 28 мм; диаметр - 150 мм;

рассеяние на 10,6 мкм: в центральной части монокристалла - 6,5±0,5%,

на периферии 10,0±1,0%;

показатель поглощения <0,025 см^-1.

3.2. Монокристалл с применением изобретения (с отжигом):

длина - 29 мм; диаметр - 150 мм;

время отжига - 80 часов;

градиент температур - 4 К/см;

средняя температура - 1190 К;

рассеяние на 10,6 мкм - 1,5±0,5%;

уровень этого показателя - однородное;

показатель поглощения на 10,6 мкм <0,015 см^-1.

Промышленная применимость

Применение способа позволило существенно улучшить оптические параметры монокристаллов германия, применяемых в ИК-устройствах. По существу, такой германий оказалось возможным использовать в тех приборах, где неудовлетворительные данные по рассеянию излучения не давали возможности создать приборы.

Монокристаллы, полученные по предлагаемому способу, применены не только в новых разработках, но и при серийном производстве в промышленности.

Способ выращивания монокристаллов германия из расплава на затравку с последующей термообработкой монокристалла, отличающийся тем, что термообработку проводят без извлечения монокристалла из установки выращивания при температуре 1140-1200 К в течение 60-100 ч при наличии направленного по радиусу монокристалла температурного градиента в пределах 3,0-12,0 К/см, после чего монокристалл охлаждают до 730-750 К со скоростью не более 60-80 К/ч.