RU2626359C1 - Method for growing germanium monocrystals - Google Patents

Method for growing germanium monocrystals Download PDF

Info

Publication number
RU2626359C1
RU2626359C1 RU2016147484A RU2016147484A RU2626359C1 RU 2626359 C1 RU2626359 C1 RU 2626359C1 RU 2016147484 A RU2016147484 A RU 2016147484A RU 2016147484 A RU2016147484 A RU 2016147484A RU 2626359 C1 RU2626359 C1 RU 2626359C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
germanium
crystals
melt
optical properties
Prior art date
Application number
RU2016147484A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Федорович Шиманский
Олег Иванович Подкопаев
Татьяна Олеговна Павлюк
Наталия Олеговна Голубовская
Светлана Алексеевна Копыткова
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет"
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет"
Priority to RU2016147484A priority Critical patent/RU2626359C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2626359C1 publication Critical patent/RU2626359C1/en

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/02—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt
    • C30B15/04—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt adding doping materials, e.g. for n-p-junction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/08—Germanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/60—Optical properties, e.g. expressed in CIELAB-values

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method involves growing germanium crystals from a melt containing main dopant impurity - stibium and additional one - silicon, in an amount from 1.3⋅1020 cm-3 to 3⋅1020 cm-3 by dissolving silicon rods during the crystal growth.
EFFECT: increased temperature stability of optical properties of germanium monocrystals.
1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии полупроводников и может быть использовано при выращивании оптических монокристаллов германия методом Чохральского.The invention relates to the metallurgy of semiconductors and can be used in the growth of optical single crystals of germanium by the Czochralski method.

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.A known method of producing crystals of germanium [SU No. 1461046, C30B 15/04, C30B 29/08, publ. 10.27.1996], in which, to increase the thermal stability of the properties of the obtained crystals, it is proposed to introduce electrically neutral impurities, along with antimony, into the melt during their growth. As neutral impurities, lead and silicon are used, taken in an equal amount of 3⋅10 18 - 1⋅10 20 cm -3 .

Однако в данном способе не рассмотрено и не проанализировано влияние примесей на оптические характеристики полученных кристаллов.However, in this method, the effect of impurities on the optical characteristics of the obtained crystals was not considered and analyzed.

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.Closest to the proposed method according to the technical nature and the achieved result is a method for producing germanium crystals [RU 2563484 C1, C30B 15/04, C30B 29/08, publ. 09/20/2015], in which, to increase the temperature stability of the optical properties of the obtained crystals, it is proposed to introduce, along with antimony, two additional impurities — silicon and tellurium — in the amount from 0.5⋅10 20 to 1.2⋅10 in the process of their growth 20 cm -3 and from 1⋅10 19 to 5⋅10 19 cm -3 , respectively, which provides the following concentrations of introduced additives in the crystal: Si - from 3.0⋅10 20 to 7.2⋅10 20 cm -3 ( or from 0.05 to 0.15 at.%) and Te from 1⋅10 13 to 5⋅10 13 cm -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).The known method of increasing the thermal stability of optical properties has the following disadvantages: high volatility and toxicity of tellurium, as well as technological difficulties in producing single crystals, since tellurium significantly worsens the structure of crystals due to the large difference in the ionic radii of germanium and tellurium (0.053 nm and 0.097 nm, respectively).

В связи с этим предлагается исключить теллур из числа легирующих добавок, а для достижения требуемого результата увеличить содержание кремния.In this regard, it is proposed to exclude tellurium from the number of alloying additives, and to achieve the desired result, increase the silicon content.

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,

Figure 00000001
Czochralski growth of Si- and Ge-rich SiGe single crystals / Journal of crystal growth. - 1997. - Vol. 174. - №1. - P. 182-186].At the same time, the introduction of silicon into the initial charge to increase its concentration in the melt does not lead to the achievement of a result, since monocrystallinity is violated in this case. To increase structural perfection, it is proposed to change the method of introducing silicon into the melt and to carry it out by analogy with the work of [NV Abrosimov, SN Rossolenko, W. Thieme,
Figure 00000001
Czochralski growth of Si- and Ge-rich SiGe single crystals / Journal of crystal growth. - 1997. - Vol. 174. - No. 1. - P. 182-186].

Задачей является получение монокристаллов германия с улучшенными оптическими свойствами.The objective is to obtain single crystals of germanium with improved optical properties.

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.This is achieved by the fact that silicon is introduced into the melt containing antimony in an amount of from 1.3 × 10 20 cm -3 to 3 × 10 20 cm -3 (from 0.3 to 0.75 at.%) By dissolving the silicon rods during crystal growth.

Техническим результатом данного изобретения является повышение температурной стабильности оптических свойств кристаллов германия.The technical result of this invention is to increase the temperature stability of the optical properties of germanium crystals.

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.This amount of silicon in the melt provides higher temperature stability of the optical properties of single crystals of germanium compared with the prototype. An increase in the silicon content above 3⋅10 20 cm -3 (0.75 at.%) Leads to a violation of single crystallinity. Less silicon does not provide a technical result.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

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.Single crystals of germanium are grown by the Czochralski method using the Redmet apparatus in an argon atmosphere at an excess pressure of 0.02 MPa. Zone-cleaned germanium brand GPZ-1 is loaded into a graphite crucible. The main alloying admixture of antimony is introduced in the form of a ligature in the amount of 2.5⋅10 17 cm -3 , which provides the resistivity of the ingot at room temperature ~ 3 Ohm⋅cm. Elements are introduced into the design of the thermal unit, which make it possible to replenish the germanium melt with silicon by dissolving the Si rods after bringing them into contact with the melt. The crystal growth direction is [111], the speed of rotation of the seed and crucible is 20 and 4 rpm, and the growth rate is 0.1 mm / min.

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.Polished samples were prepared from the obtained ingots to determine the optical properties. The results of determining the optical characteristics of experimental samples at a wavelength of λ = 10.6 μm, such as transmittance and absorption coefficient at room temperature and at 60 ° C, are shown in the table.

Figure 00000002
Figure 00000002

Преимущества заявляемого способа заключаются в получении монокристаллов германия с повышенной температурной стабильностью оптических свойств.The advantages of the proposed method are to obtain single crystals of germanium with high temperature stability of optical properties.

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.As a result of the simultaneous introduction of antimony and silicon into the germanium melt in the claimed concentration range, a technical result is achieved that provides optical transmission at a wavelength of 10.6 μm at 60 ° C from 43.50% to 43.80% and, accordingly, the absorption coefficient from 0.059 up to 0.053 cm -1 , which exceeds the result achieved in the prototype.

Claims (1)

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.A method of growing germanium single crystals, including introducing into the melt the main dopant - antimony and additional - silicon, characterized in that silicon is introduced in an amount of from 1.3 × 10 20 cm -3 to 3 × 10 20 cm -3 by dissolving the silicon rods in during crystal growth.
RU2016147484A 2016-12-02 2016-12-02 Method for growing germanium monocrystals RU2626359C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016147484A RU2626359C1 (en) 2016-12-02 2016-12-02 Method for growing germanium monocrystals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016147484A RU2626359C1 (en) 2016-12-02 2016-12-02 Method for growing germanium monocrystals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2626359C1 true RU2626359C1 (en) 2017-07-26

Family

ID=59495659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016147484A RU2626359C1 (en) 2016-12-02 2016-12-02 Method for growing germanium monocrystals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2626359C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1461046A1 (en) * 1986-04-14 1996-10-27 Московский институт стали и сплавов Method of germanium crystal preparing
US20050167001A1 (en) * 2004-01-29 2005-08-04 Siltronic Ag Process for producing highly doped semiconductor wafers, and dislocation-free highly doped semiconductor wafers
CN102877121B (en) * 2012-10-23 2015-08-26 云南北方驰宏光电有限公司 The adulterating method of Ge mono crystal growth used for solar batteries
RU2563484C1 (en) * 2014-11-24 2015-09-20 Акционерное общество "ГЕРМАНИЙ" (АО "ГЕРМАНИЙ") Growing of germanium crystals

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1461046A1 (en) * 1986-04-14 1996-10-27 Московский институт стали и сплавов Method of germanium crystal preparing
US20050167001A1 (en) * 2004-01-29 2005-08-04 Siltronic Ag Process for producing highly doped semiconductor wafers, and dislocation-free highly doped semiconductor wafers
CN102877121B (en) * 2012-10-23 2015-08-26 云南北方驰宏光电有限公司 The adulterating method of Ge mono crystal growth used for solar batteries
RU2563484C1 (en) * 2014-11-24 2015-09-20 Акционерное общество "ГЕРМАНИЙ" (АО "ГЕРМАНИЙ") Growing of germanium crystals

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112015003573B4 (en) Method of controlling resistivity and N-type silicon single crystal
DE112014002781T5 (en) Oxygen precipitation in heavily doped silicon wafers cut from ingots grown by the Czochralski method
DE112009000360T5 (en) Process for growing a silicon carbide single crystal
Li et al. Bubbles defects distribution in sapphire bulk crystals grown by Czochralski technique
JP5729135B2 (en) Sapphire seed and manufacturing method thereof, and manufacturing method of sapphire single crystal
DE112012004731T5 (en) Method of Evaluating Silicon Single Crystal and Method of Producing Silicon Single Crystal
JP6883383B2 (en) Method for producing ScAlMgO4 single crystal
Taishi et al. Dislocation behavior in heavily germanium-doped silicon crystal
EP2990509A1 (en) METHOD FOR GROWING ß-Ga2O3-BASED SINGLE CRYSTAL
WO2009025342A1 (en) Silicon single crystal wafer for igbt and method for manufacturing silicon single crystal wafer for igbt
RU2626359C1 (en) Method for growing germanium monocrystals
JP2004307305A (en) Silicon single crystal and single crystal growing method
Shimanskii et al. Thermal stability of the properties of germanium crystals for IR optics
TW201542847A (en) Boron doped N-type silicon target
JP2005015296A (en) Method for manufacturing single crystal, and single crystal
DE112016002091T5 (en) Silicon epitaxial wafers and method of making the same
CN107523868A (en) Boron foundry alloy preparation method
JP2013087008A (en) N-type silicon single crystal and method of manufacturing the same
Dietz et al. Consortium für elektrochemische Industrie GmbH¹) Munich, Germany
KR101029141B1 (en) Process for Producing P Doped Silicon Single Crystal and P Doped N Type Silicon Single Crystal Wafer
TW201623703A (en) Method of fabrication of an ingot of n-type single-crystal silicon with a controlled concentration of oxygen-based thermal donors
RU2563484C1 (en) Growing of germanium crystals
Dario et al. A comparative study on the growth of germanium–silicon single crystals grown by the vertical Bridgman and axial heat processing techniques
Feigelson Improving optical transparency in CdGeAs2 crystals by controlling crystalline defects
Gotoh et al. Ga segregation during Czochralski-Si crystal growth with Ge codoping

Legal Events

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

Effective date: 20191203