RU2261295C1 - Germanium monocrystal growing method - Google Patents

Germanium monocrystal growing method Download PDF

Info

Publication number
RU2261295C1
RU2261295C1 RU2004112433/15A RU2004112433A RU2261295C1 RU 2261295 C1 RU2261295 C1 RU 2261295C1 RU 2004112433/15 A RU2004112433/15 A RU 2004112433/15A RU 2004112433 A RU2004112433 A RU 2004112433A RU 2261295 C1 RU2261295 C1 RU 2261295C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
single crystal
temperature
monocrystals
germanium
heat treatment
Prior art date
Application number
RU2004112433/15A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ю.М. Смирнов (RU)
Ю.М. Смирнов
И.А. Каплунов (RU)
И.А. Каплунов
А.И. Колесников (RU)
А.И. Колесников
Original Assignee
ООО МНПП "Кристалл"
Смирнов Юрий Мстиславович
Каплунов Иван Александрович
Колесников Александр Игоревич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ООО МНПП "Кристалл", Смирнов Юрий Мстиславович, Каплунов Иван Александрович, Колесников Александр Игоревич filed Critical ООО МНПП "Кристалл"
Priority to RU2004112433/15A priority Critical patent/RU2261295C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2261295C1 publication Critical patent/RU2261295C1/en

Links

Abstract

FIELD: crystal growing.
SUBSTANCE: method comprises growing germanium monocrystals from melt onto seed followed by heat treatment, the latter being effected without removing monocrystals from growing apparatus at temperature within 1140 and 1200 K during 60-100 h, temperature field being radially directed with temperature gradient 3.0 to 12.0 K/cm. Once heat treatment comes to end, monocrystals are cooled to 730-750°C at a rate of at most 60-80 K/h. Monocrystals are characterized by emission scattering at wavelength 10.6 μm not larger than 2.0-3.0% and extinction not higher than 0.02-0.03 cm-1, which is appropriate for use of monocrystals in IR optics.
EFFECT: allowed growth of germanium monocrystals with high optical characteristics.
3 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к способам выращивания из расплава монокристаллов германия.The invention relates to methods for growing single crystals of germanium from a melt.

Уровень техникиState of the art

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.A known method for producing semiconductors, including Germany (GB 755845 A (ASS ELECT IND), 08/29/1956), comprising melting the starting material in a crucible and then crystallizing the melt on a rotating seed. The method is used to create pn junctions by detaching an ingot from one melt and then placing another type of conductivity in the melt. To eliminate defects in the crystal structure that arise due to rapid cooling, the ingot is annealed for some time at a given temperature, thereby reducing the concentration of defects. The method cannot be directly used to obtain single crystals of germanium used in infrared optics; harsh temperature conditions for the formation of the ingot significantly reduce the structural perfection of the crystal lattice and degrade electrophysical, optical and other properties.

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.The closest in essence is a method for growing germanium single crystals from a melt by the Czochralski method and using additional heat treatment of a single crystal (Gafni G., Azoulay M., Shiloh C. et al. Large Diameter Germanium Single Crystals for Infrared Optics // Optical Engineering. 1989. V. 28. No. 9. P.1003-1007). Single crystals of germanium for optical use (infrared optics) with a diameter of 159-200 mm were grown by the Czochralski method and then heat treated. In germanium single crystals, the inhomogeneity of the refractive index and the values of the modulation transfer function were analyzed. The purpose of the heat treatment was to increase the optical homogeneity of the material and reduce optical loss. The goal was achieved by applying annealing of optical samples, which was carried out by heating to a temperature of 450 ° C, holding at this temperature for several days and further cooling to room temperature at a speed of 2 ° C per minute.

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).One of the important optical characteristics of materials used in optics — radiation scattering — was not considered and analyzed by the authors. It is known that the dislocation structure of germanium (dislocations and dislocation defects such as small-angle boundaries, slip lines) can lead to significant scattering of infrared radiation in optical germanium. High dislocation densities and especially the unevenness of their distribution do not allow one to obtain acceptable optical parameters — high transmission of radiation at a wavelength of 10.6 μm and sufficiently small radiation scattering. In some cases, with these parameters, single crystals of germanium are unsuitable for use in infrared optics. The low-temperature (450 ° С) annealing used by the authors cannot affect the dislocation structure; such an effect can be significant only in the region of germanium plasticity (at temperatures above 600 ° С); the maximum effect will be observed near the melting temperature (943 ° С).

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

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.The basis of the invention was the task of reducing radiation scattering at a wavelength of 10.6 μm while maintaining or even increasing the level of optical transmittance. The task was achieved by annealing, which is part of the entire process of obtaining a single crystal: from melting the load in the crucible to removing the single crystal from the installation. At the final stage, annealing of a single crystal grown from a melt was carried out without removing it from a growing unit. Annealing was carried out at a temperature close to the crystallization temperature (1210 K) for 60-100 hours with the obligatory presence of a temperature gradient directed along the radius of the single crystal. Thus, the temperatures of the central part of the single crystal and its periphery were significantly different.

Краткое описаниеShort description

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.The technological cycle of growing germanium single crystals with annealing is as follows: pre-chemically etched zone-purified germanium is loaded into the graphite crucible of the installation. A single crystal seed is mounted in the seed holder, oriented in the desired crystallographic direction (usually <111>). The growing unit is hermetically sealed. The supply of cooling water is turned on, the necessary vacuum is created in the installation. The resistance heater turns on. Germanium is melted, then its temperature is lowered to create the necessary supercooling of the melt. The seed is lowered into the melt, after which a single crystal is grown. After completion of the growth of the single crystal, the average temperature of the single crystal is set at 1140-1200 K. The average temperature is defined as the temperature difference at the periphery and in the center of the single crystal. The cooling of the installation, the seed holder and the power of the heater are controlled in such a way that the necessary temperature difference between the center of the single crystal and its periphery is created and maintained. The essence of this regulation is the creation of the required temperature gradient in the range of 3-12 K / cm. The magnitude of the gradient is selected depending on the diameter of the single crystal.

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.At this temperature, the single crystal is aged in the installation for 60-100 hours (depending on diameter). In general, the annealing mode of a single crystal depends on its diameter. An increase in the diameter of the grown ingots leads to an increase in the annealing time, a decrease in temperature gradients, and a decrease in the average temperature. The indicated gradients and annealing durations were established experimentally based on the results of determining the optical characteristics of single crystals, the main of which in this case was radiation scattering at a wavelength of 10.6 μm.

После завершения выдержки монокристалла при указанной температуре температура снижается, причем снижение до 730-750 К происходит со скоростью не более 60-80 К/час.After completion of the exposure of the single crystal at the indicated temperature, the temperature decreases, and a decrease to 730-750 K occurs at a speed of not more than 60-80 K / h.

После полного остывания монокристалл извлекается, обрабатывается и передается для определения требуемых технических характеристик.After complete cooling, the single crystal is removed, processed and transferred to determine the required technical characteristics.

Примеры реализации способаMethod implementation examples

Пример 1Example 1

1.1. Монокристалл без применения изобретения:1.1. Single crystal without applying the invention:

длина - 160 мм; диаметр - 60 мм;length - 160 mm; diameter - 60 mm;

рассеяние на 10,6 мкм в центральной части монокристалла - 8,5%;scattering by 10.6 μm in the central part of the single crystal - 8.5%;

показатель поглощения <0,02 см-1.absorption rate <0.02 cm -1 .

1.2. Монокристалл с применением изобретения (с отжигом):1.2. Single crystal using the invention (with annealing):

длина - 150 мм; диаметр - 58 мм;length - 150 mm; diameter - 58 mm;

время отжига - 60 часов;annealing time - 60 hours;

градиент температур - 11 К/см;temperature gradient - 11 K / cm;

средняя температура - 1165 К;average temperature - 1165 K;

рассеяние на 10,6 мкм в центральной части монокристалла - 2,5%;scattering by 10.6 μm in the central part of the single crystal - 2.5%;

показатель поглощения <0,02 см-1.absorption rate <0.02 cm -1 .

Пример 2Example 2

2.1. Монокристалл без применения изобретения:2.1. Single crystal without applying the invention:

длина - 40 мм; диаметр - 132 мм;length - 40 mm; diameter - 132 mm;

рассеяние на 10,6 мкм: в центральной части монокристалла - 6,0±1,0%,scattering by 10.6 μm: in the central part of the single crystal - 6.0 ± 1.0%,

на периферии - 10,0±2,0%;on the periphery - 10.0 ± 2.0%;

показатель поглощения на 10,6 мкм <0,02 см-1.the absorption rate at 10.6 μm <0.02 cm -1 .

2.2. Монокристалл с применением изобретения (с отжигом):2.2. Single crystal using the invention (with annealing):

длина - 46 мм; диаметр - 132 мм;length - 46 mm; diameter - 132 mm;

время отжига - 72 часа;annealing time - 72 hours;

градиент температур - 5 К/см;temperature gradient - 5 K / cm;

средняя температура - 1180 К;average temperature - 1180 K;

рассеяние на 10,6 мкм - 2,0±0,5%;scattering by 10.6 μm - 2.0 ± 0.5%;

уровень этого показателя - однородное;the level of this indicator is uniform;

показатель поглощения на 10,6 мкм <0,015 см-1.the absorption rate at 10.6 μm <0.015 cm -1 .

Пример 3Example 3

3.1. Монокристалл без применения изобретения:3.1. Single crystal without applying the invention:

длина - 28 мм; диаметр - 150 мм;length - 28 mm; diameter - 150 mm;

рассеяние на 10,6 мкм: в центральной части монокристалла - 6,5±0,5%,scattering by 10.6 μm: in the central part of the single crystal - 6.5 ± 0.5%,

на периферии 10,0±1,0%;at the periphery 10.0 ± 1.0%;

показатель поглощения <0,025 см-1.absorption rate <0.025 cm -1 .

3.2. Монокристалл с применением изобретения (с отжигом):3.2. Single crystal using the invention (with annealing):

длина - 29 мм; диаметр - 150 мм;length - 29 mm; diameter - 150 mm;

время отжига - 80 часов;annealing time - 80 hours;

градиент температур - 4 К/см;temperature gradient - 4 K / cm;

средняя температура - 1190 К;average temperature - 1190 K;

рассеяние на 10,6 мкм - 1,5±0,5%;scattering by 10.6 μm - 1.5 ± 0.5%;

уровень этого показателя - однородное;the level of this indicator is uniform;

показатель поглощения на 10,6 мкм <0,015 см-1.the absorption rate at 10.6 μm <0.015 cm -1 .

Промышленная применимостьIndustrial applicability

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.The application of the method allowed to significantly improve the optical parameters of germanium single crystals used in IR devices. In essence, it was possible to use such germanium in those devices where unsatisfactory data on the scattering of radiation did not make it possible to create devices.

Монокристаллы, полученные по предлагаемому способу, применены не только в новых разработках, но и при серийном производстве в промышленности.Single crystals obtained by the proposed method are used not only in new developments, but also in serial production in industry.

Claims (1)

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.A method of growing germanium single crystals from a melt to seed, followed by heat treatment of a single crystal, characterized in that the heat treatment is carried out without removing the single crystal from the growth apparatus at a temperature of 1140-1200 K for 60-100 h in the presence of a temperature gradient directed along the radius of the single crystal within 3.0 -12.0 K / cm, after which the single crystal is cooled to 730-750 K at a speed of not more than 60-80 K / h.
RU2004112433/15A 2004-04-22 2004-04-22 Germanium monocrystal growing method RU2261295C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004112433/15A RU2261295C1 (en) 2004-04-22 2004-04-22 Germanium monocrystal growing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004112433/15A RU2261295C1 (en) 2004-04-22 2004-04-22 Germanium monocrystal growing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2261295C1 true RU2261295C1 (en) 2005-09-27

Family

ID=35850053

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004112433/15A RU2261295C1 (en) 2004-04-22 2004-04-22 Germanium monocrystal growing method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2261295C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117107357A (en) * 2023-10-23 2023-11-24 中铝科学技术研究院有限公司 Germanium rod for vapor deposition, preparation method thereof and germanium tetrachloride reduction device
CN117107357B (en) * 2023-10-23 2024-04-19 中铝科学技术研究院有限公司 Germanium rod for vapor deposition, preparation method thereof and germanium tetrachloride reduction device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Монокристаллы германия большого диаметра для ИК-оптики. Large diameter Germanium single crystal for IR optics / Gafni G. et al // Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. - 1987. - 819. - C.96-102. РЖ "ХИМИЯ", 1989, реф. №18 Б 2093. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117107357A (en) * 2023-10-23 2023-11-24 中铝科学技术研究院有限公司 Germanium rod for vapor deposition, preparation method thereof and germanium tetrachloride reduction device
CN117107357B (en) * 2023-10-23 2024-04-19 中铝科学技术研究院有限公司 Germanium rod for vapor deposition, preparation method thereof and germanium tetrachloride reduction device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104278321B (en) Silicon single crystal and method for manufacture thereof
US6969502B2 (en) Method and device for growing large-volume oriented monocrystals
JP2008508187A (en) Method for growing a single crystal from a melt
CN110042461B (en) Growth method of large-size zinc germanium phosphide crystal for increasing heat transfer
RU2261295C1 (en) Germanium monocrystal growing method
CN113293429B (en) Preparation method of monoclinic phase Ga2S3 single crystal
Aggarwal et al. Czochralski and modified Bridgman-Stockbarger growth of pure, Cd2+ and Nd3+ doped benzil single crystals
JPH0367994B2 (en)
RU2565701C1 (en) Method of growing germanium monocrystals
RU2813036C1 (en) Method for growing single crystals of trinary compound of zinc, germanium and phosphorus
CN215289036U (en) Sapphire crystal growth thermal field structure
JP3128173B2 (en) Method and apparatus for producing bismuth germanate single crystal
Taishi et al. Solution growth of SiC from the crucible bottom with dipping under unsaturation state of carbon in solvent
JP4200690B2 (en) GaAs wafer manufacturing method
CN105063753A (en) Czochralski method growth process of sodium nitrate monocrystalline
KR101956754B1 (en) DEVICE FOR SINGLE CRYSTAL GROWTH OF GaAs
CN114875489A (en) Rapid crystal growth process of large-size sapphire crystal ingot
RU2094549C1 (en) Method for heat treatment of highly alloyed monocrystals of silicium
SU1682416A1 (en) Method for thermal treatment of calcium phosphide monocrystals
CN117626432A (en) Method for eliminating 1.7-2.0 mu m absorption peak of disordered gallium lanthanum silicate crystal
RU2421552C1 (en) Method of annealing crystals of group iia metal fluorides
CN113061981A (en) Thermal field structure for sapphire crystal growth and growth method thereof
JPS63319293A (en) Furnace for pulling and growing silicon single crystal
RU2330127C2 (en) Method of germanium single crystals growing by otf method
JPH0341432B2 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080423