RU2734458C1 - Monocrystalline germanium substrate with thin surface layer of porous germanium - Google Patents
Monocrystalline germanium substrate with thin surface layer of porous germanium Download PDFInfo
- Publication number
- RU2734458C1 RU2734458C1 RU2019133550A RU2019133550A RU2734458C1 RU 2734458 C1 RU2734458 C1 RU 2734458C1 RU 2019133550 A RU2019133550 A RU 2019133550A RU 2019133550 A RU2019133550 A RU 2019133550A RU 2734458 C1 RU2734458 C1 RU 2734458C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- germanium
- porous
- surface layer
- thin surface
- ion
- Prior art date
Links
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 103
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 103
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 27
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims abstract description 6
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 42
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 5
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 2
- 229910001428 transition metal ion Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 33
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 13
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 10
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 6
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N germanium dioxide Chemical compound O=[Ge]=O YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 3
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 229940119177 germanium dioxide Drugs 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000011022 opal Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/58—After-treatment
- C23C14/5826—Treatment with charged particles
- C23C14/5833—Ion beam bombardment
-
- 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
- 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
- C30B31/00—Diffusion or doping processes for single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure; Apparatus therefor
- C30B31/20—Doping by irradiation with electromagnetic waves or by particle radiation
- C30B31/22—Doping by irradiation with electromagnetic waves or by particle radiation by ion-implantation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
- H01L21/02532—Silicon, silicon germanium, germanium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/26—Bombardment with radiation
- H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
- H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation
- H01L21/26506—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation in group IV semiconductors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/04—Processes of manufacture in general
- H01M4/0402—Methods of deposition of the material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/139—Processes of manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области материаловедения, связанного с пористыми средами, в частности, тонкими поверхностными слоями пористого германия. Слои пористого германия находят применение при разработке анодных электродов аккумуляторных литиевых батарей [1], а также фотодетекторов и солнечных элементов [2]. Полупроводник германий характеризуется достаточно высокой подвижностью электронов и дырок, а поскольку ширина запрещенной зоны в германий составляет ~0.67 эВ вблизи комнатной температуры (300 К), то германий способен поглощать фотоны с длиной волны до 1800 нм, что востребовано для высокоэффективных солнечных элементов и термофотовольтаических ячеек [3].The invention relates to the field of materials science associated with porous media, in particular, thin surface layers of porous germanium. Layers of porous germanium are used in the development of anode electrodes for storage lithium batteries [1], as well as photodetectors and solar cells [2]. The semiconductor germanium is characterized by a sufficiently high mobility of electrons and holes, and since the band gap in germanium is ~ 0.67 eV near room temperature (300 K), germanium is capable of absorbing photons with a wavelength of up to 1800 nm, which is in demand for highly efficient solar cells and thermophotovoltaic cells. [3].
Известна подложка, состоящая из монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия, сформированного химическим методом анодирования монокристаллического германия в растворе электролита на основе HF [4].Known substrate, consisting of single-crystal germanium with a thin surface layer of porous germanium, formed by the chemical method of anodizing single-crystal germanium in an electrolyte solution based on HF [4].
Недостатком первого аналога является то, что тонкий поверхностный слой пористого германия на подложке из монокристаллического германия изготавливается в химическом растворе, а, следовательно, пористая поверхность германия неизбежно загрязняется остаточными продуктами химической реакции. Кроме того, как отмечают сами авторы работы [4], при проведении химической реакции очень сложно осуществить приемлемый контроль над воспроизводимой толщиной сформированных тонких поверхностных слоев пористого германия.The disadvantage of the first analogue is that a thin surface layer of porous germanium on a single crystal germanium substrate is made in a chemical solution, and, therefore, the porous surface of germanium is inevitably contaminated with residual products of the chemical reaction. In addition, as the authors of [4] themselves note, when carrying out a chemical reaction, it is very difficult to exercise an acceptable control over the reproducible thickness of the formed thin surface layers of porous germanium.
Известна подложка, состоящая из монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия, сформированным методом термического отжига слоя диоксида германия, находящегося на поверхности монокристаллического германия, в атмосфере водорода [5].Known substrate, consisting of single-crystal germanium with a thin surface layer of porous germanium, formed by thermal annealing of a layer of germanium dioxide, located on the surface of single-crystal germanium, in a hydrogen atmosphere [5].
Недостатком второго аналога является то, что тонкий поверхностный слой пористого германия на подложке из монокристаллического германия содержит в своей структуре фазу диоксида германия, которая может затруднять изготовления электронных устройств.The disadvantage of the second analogue is that a thin surface layer of porous germanium on a single-crystal germanium substrate contains a germanium dioxide phase in its structure, which can complicate the manufacture of electronic devices.
Известна подложка, состоящая из монокристаллического германия с поверхностным слоем пористого германия толщиной от 150 до 250 нм, сформированном методом высокоэнергетической имплантации монокристаллического германия ионами Ge+ при энергиях от E=100-300 кэВ и дозах D=2.0⋅1015-1.0⋅1017 ион/см2 (Патент US 2014/0127580).Known substrate consisting of single-crystal germanium with a surface layer of porous germanium with a thickness of 150 to 250 nm, formed by the method of high-energy implantation of single crystal germanium with Ge + ions at energies from E = 100-300 keV and doses D = 2.0⋅10 15 -1.0⋅10 17 ion / cm 2 (US Patent 2014/0127580).
Данная подложка из монокристаллического германия с поверхностным слоем пористого германия, является наиболее близкой к заявляемому техническому решению и поэтому выбрана в качестве прототипа.This substrate made of single-crystal germanium with a surface layer of porous germanium is the closest to the claimed technical solution and is therefore chosen as a prototype.
Недостатком прототипа является:The disadvantage of the prototype is:
- сформированный при данных условиях ионной имплантации поверхностный слой пористого германия на монокристаллическом германии является достаточно толстым 150 до 250 нм, что не позволяет создавать тонкослойные миниатюрные электронные устройства на основе пористого германия;- the surface layer of porous germanium on single-crystal germanium formed under the given conditions of ion implantation is quite thick 150 to 250 nm, which does not allow the creation of thin-layer miniature electronic devices based on porous germanium;
- в качестве иона для имплантации используется только один тип иона - ион Ge+, что не позволяет формировать слои пористого германия различной морфологии и топографии.- only one type of ion is used as an ion for implantation - the Ge + ion, which does not allow the formation of layers of porous germanium of various morphology and topography.
Решаемая техническая задача в заявляемом техническом решении - заключается в выполнении подложки из монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия с заданной морфологией.The technical problem to be solved in the claimed technical solution consists in making a substrate made of single-crystal germanium with a thin surface layer of porous germanium with a given morphology.
Поставленная задача в предлагаемом техническом решении исполнения подложки монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия, достигается тем, что тонкий поверхностный слой пористого германия с заданной морфологией, сформирован на пластине из монокристаллического германия, и содержит ионно-имплантированную примесь переходного металла, и в качестве последнего используют кобальт, хром или железо.The problem posed in the proposed technical solution for the execution of a single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium is achieved by the fact that a thin surface layer of porous germanium with a given morphology is formed on a plate of single-crystal germanium, and contains an ion-implanted impurity of a transition metal, and as the latter use cobalt, chromium or iron.
На фиг. 1. показан в изометрии чертеж фрагмента изделия - подложки монокристаллического германия 1, с тонким поверхностным слоем пористого германия 2.FIG. 1 shows an isometric drawing of a fragment of a product - a substrate of single-
На фиг. 2. показано изображение, полученное на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), подложки монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия, сформированного низкоэнергетической имплантацией пластины монокристаллического германия ионами металла Со+.FIG. 2. shows a scanning electron microscope (SEM) image of a single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium formed by low-energy implantation of a single-crystal germanium plate with Co + metal ions.
На фиг. 3 показано СЭМ-изображение бокового скола подложки монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия, сформированного низкоэнергетической имплантацией пластины монокристаллического германия ионами Со+, наблюдаемое при падении зондирующего электронного пучка на образец под углом 40°.FIG. 3 shows an SEM image of a side cleavage of a single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium, formed by low-energy implantation of a single-crystal germanium plate with Co + ions, observed when the probe electron beam is incident on the sample at an angle of 40 °.
На фиг. 4. показано изображение, полученное на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), подложки монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия, сформированного низкоэнергетической имплантацией пластины монокристаллического германия ионами Fe+.FIG. 4. shows a scanning electron microscope (SEM) image of a single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium formed by low-energy implantation of a single-crystal germanium plate with Fe + ions.
На фиг. 5. показано изображение, полученное на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), подложки монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия, сформированного низкоэнергетической имплантацией пластины монокристаллического германия ионами Cr+.FIG. 5. shows a scanning electron microscope (SEM) image of a single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium, formed by low-energy implantation of a single-crystal germanium plate with Cr + ions.
Рассмотрим осуществление предлагаемого технического решения.Consider the implementation of the proposed technical solution.
Рассмотрим подложку монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия на конкретных примерах. Условие изготовления данной подложки, заключается в формировании тонкого поверхностного слоя пористого германия заданной морфологии имплантацией пластины монокристаллического германия низкоэнергетическими 10-90 кэВ ионами при высоких дозах 1015-5.0⋅1017 ион/см2.Let us consider a single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium using specific examples. The condition for the manufacture of this substrate is the formation of a thin surface layer of porous germanium of a given morphology by implantation of a single-crystal germanium plate with low-energy 10-90 keV ions at high doses of 10 15 -5.0⋅10 17 ion / cm 2 .
На фиг. 1. показан в изометрии чертеж фрагмента изделия, содержащего: подложку 1 (выполненную из материала монокристаллического германия) с тонким поверхностным слоем пористого германия толщиной 20-90 нм заданной морфологии 2 (содержащим ионно-имплантированную примесь кобальта, хрома, или железа), сформированном на поверхности пластины монокристаллического германия 1 ионной имплантацией низкоэнергетическими 10-90 кэВ ионами при высоких дозах 1015-5.0⋅1017 ион/см2.FIG. 1.shown in isometric drawing of a fragment of an article containing: a substrate 1 (made of a material of single-crystal germanium) with a thin surface layer of porous germanium with a thickness of 20-90 nm of a given morphology 2 (containing an ion-implanted impurity of cobalt, chromium, or iron), formed on the surface of a plate of single-
Пример 1. Подложка монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия заданной морфологии сформирована на пластине из монокристаллического германия и содержит ионно-имплантированную примесь Со+. Формирование тонкого поверхностного слоя пористого германия заданной морфологии происходит имплантацией пластины монокристаллического германия толщиной 0.5 мм марки ГДГ-45 низкоэнергетическими 40 кэВ ионами Со+ при дозе 5.0⋅1016 ион/см2 на ионном ускорителе ИЛУ-3 при комнатной температуре облучаемого германия.Example 1. A single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium of a given morphology is formed on a single-crystal germanium plate and contains an ion-implanted Co + impurity. The formation of a thin surface layer of porous germanium of a given morphology occurs by implanting a plate of single-crystal germanium 0.5 mm thick, brand GDG-45, with low-energy 40 keV Co + ions at a dose of 5.0 ион10 16 ions / cm 2 on an ILU-3 ion accelerator at room temperature of irradiated germanium.
На фиг. 2 приведено СЭМ-изображение подложки монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия, сформированного низкоэнергетической имплантацией пластины монокристаллического германия ионами Со+, наблюдаемое при нормальном падении зондирующего электронного пучка на образец при измерении на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ Merlin, Carl Zeiss). На фиг. 2 из СЭМ-изображения видно, что пористая структура германия представляет собой трехмерную сетку, состоящую из тонких нитей со сферически-подобными образованиями на их пересечении.FIG. 2 shows a SEM image of a single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium, formed by low-energy implantation of a single-crystal germanium plate with Co + ions, observed at normal incidence of the probe electron beam on the sample as measured with a scanning electron microscope (SEM Merlin, Carl Zeiss). FIG. 2 from the SEM image it can be seen that the porous structure of germanium is a three-dimensional network consisting of thin filaments with spherical-like formations at their intersection.
Моделирование концентрационных профилей распределения имплантированного кобальта с энергией 40 кэВ в облучаемом образце с помощью компьютерного алгоритма SRIM-2013, показало, что глубина проникновения иона Со+ в германии составляет порядка 60 нм.Modeling the concentration profiles of the distribution of implanted cobalt with an energy of 40 keV in the irradiated sample using the SRIM-2013 computer algorithm showed that the penetration depth of the Co + ion in germanium is about 60 nm.
На фиг. 3 приведено СЭМ-изображение бокового скола подложки монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия, сформированного низкоэнергетической имплантацией пластины монокристаллического германия ионами Со+, наблюдаемое при падении зондирующего электронного пучка на образец под углом 40°. Из данной микрофотографии видно, что толщина поверхностного тонкого слоя пористого германия составляет величину 80 нм. Данная толщина несколько отличается от глубины проникновения ионов Со+ в германии вследствие распухания поверхности германия при имплантации.FIG. 3 shows an SEM image of a side cleavage of a single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium, formed by low-energy implantation of a single-crystal germanium plate with Co + ions, observed when the probe electron beam is incident on the sample at an angle of 40 °. It can be seen from this micrograph that the thickness of the surface thin layer of porous germanium is 80 nm. This thickness is somewhat different from the penetration depth of Co + ions in germanium due to the swelling of the germanium surface during implantation.
Пример 2. Подложка монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия отличающаяся тем, что тонкий слой пористого германия заданной морфологии формируется на поверхности пластины из монокристаллического германия толщиной 0.5 мм марки ГДГ-45, имплантацией низкоэнергетическими 40 кэВ ионами Fe+ при дозе 5.0⋅1016 ион/см2 на ионном ускорителе ИЛУ-3 при комнатной температуре облучаемого германия. На фиг. 4 из СЭМ-изображения видно, что пористый германий представляет собой трехмерные мембраноподобные структуры, располагающиеся друг над другом.Example 2. A single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium, characterized in that a thin layer of porous germanium of a given morphology is formed on the surface of a plate made of single-crystal germanium 0.5 mm thick, brand GDG-45, by implantation with low-energy 40 keV Fe + ions at a dose of 5.0⋅10 16 ion / cm 2 at the ILU-3 ion accelerator at room temperature of irradiated germanium. FIG. 4 from the SEM image it can be seen that porous germanium is a three-dimensional membrane-like structure located one above the other.
Пример 3. Подложка монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия отличающаяся тем, что тонкий слой пористого германия заданной морфологии формируется на поверхности пластины из монокристаллического германия толщиной 0.5 мм марки ГДГ-45, имплантацией низкоэнергетическими 40 кэВ ионами Cr+ при дозе 5.0⋅1016 ион/см2 на ионном ускорителе ИЛУ-3 при комнатной температуре облучаемого германия. На фиг. 5 из СЭМ-изображения видно, что пористая структура германия становится лабиринто-подобной.Example 3. A single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium, characterized in that a thin layer of porous germanium of a given morphology is formed on the surface of a plate made of single-crystal germanium 0.5 mm thick, brand GDG-45, by implantation with low-energy 40 keV Cr + ions at a dose of 5.0⋅10 16 ion / cm 2 at the ILU-3 ion accelerator at room temperature of irradiated germanium. FIG. 5, the SEM image shows that the porous structure of germanium becomes labyrinthine-like.
Выбор режимов ионной имплантации, энергия ионов Е=10-90 кэВ, D - доза облучения обеспечивающая количество вводимых атомов металла в облучаемой подложке 1015-5.0⋅1017 ион/см2, обуславливается тем, что за границами этих режимов не достигается необходимый технический результат получения тонкого поверхностного слоя пористого германия на поверхности монокристаллического германия.The choice of ion implantation modes, the ion energy E = 10-90 keV, D is the radiation dose providing the number of introduced metal atoms in the irradiated substrate 10 15 -5.0510 17 ion / cm 2 , due to the fact that beyond the boundaries of these modes the required technical the result of obtaining a thin surface layer of porous germanium on the surface of single-crystal germanium.
Энергия иона Е обуславливает величину его среднего проекционного пробега, которое определяет глубину залегания имплантированного иона, а, следовательно, толщину модифицированного слоя от поверхности образца. Сверху энергия ускорения иона ограничена величиной Е=90 кэВ, поскольку при увеличении данной энергии происходит столь глубокое проникновение имплантированных ионов металла, что происходит образование толстого поверхностного пористого слоя на поверхности монокристаллической пластины германия. Ограничение снизу величиной E=10 кэВ, связано с тем, что при дальнейшем уменьшении Е не удается получить достаточно крупные элементы структуры пористого германия, что бы характеризовать их как поры, а наблюдается лишь распыление его поверхностного слоя.The energy of the E ion determines the value of its average projection path, which determines the depth of the implanted ion, and, consequently, the thickness of the modified layer from the sample surface. From above, the ion acceleration energy is limited to E = 90 keV, since with an increase in this energy, the implanted metal ions penetrate so deeply that a thick porous surface layer is formed on the surface of a single-crystal germanium plate. The lower limit of E = 10 keV is due to the fact that with a further decrease in E, it is not possible to obtain sufficiently large structural elements of porous germanium to characterize them as pores, but only sputtering of its surface layer is observed.
Доза облучения D определяется количеством атомов металлического вещества, приводящих к массовой генерации вакансий, объединение которых вызывает формирование пористой структуры. Это условие, согласно нашим исследованиям зависимости появления пор на поверхности облучаемого германия от дозы имплантации, выполняется при внедрении ионов в объем облучаемого материала в количестве порядка 1015 ион/см2. При этом количество внедренной примеси не должно превышать разумного времени облучения, и по нашим оценкам составляет дозу не более 5.0⋅1017 ион/см2.The radiation dose D is determined by the number of atoms of the metallic substance, leading to the massive generation of vacancies, the combination of which causes the formation of a porous structure. This condition, according to our studies of the dependence of the appearance of pores on the surface of irradiated germanium on the implantation dose, is satisfied when ions are introduced into the volume of the irradiated material in an amount of about 10 15 ions / cm 2 . In this case, the amount of the introduced impurity should not exceed a reasonable irradiation time, and according to our estimates, the dose is no more than 5.0⋅10 17 ion / cm 2 .
Техническим результатом является то, что подложка монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия может быть создана заданной морфологии, что определяется выбором имплантированного иона металла.The technical result is that a single-crystal germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium can be created with a given morphology, which is determined by the choice of the implanted metal ion.
Список цитируемой литературыList of cited literature
1. Graetz J., Ahn С.С., Yazami R., Fultz В. Nanocrystalline and thin films germanium electrodes with high lithium capacity and high rate capabilities. J. Electrochemical Soc. 2004. V. 151. P. A698-A702.1. Graetz J., Ahn C.C., Yazami R., Fultz B. Nanocrystalline and thin films germanium electrodes with high lithium capacity and high rate capabilities. J. Electrochemical Soc. 2004. V. 151. P. A698-A702.
2. Song Т., Jeon Y., Samal M., Han H., Park H., Ha J., Yi D.K., Choi J.-M., Paik U. A Ge inverse opal with porous walls as an anode for lithium ion battaries. Energy Environ. Sci. 2012. V. 5. P. 9028-9033.2. Song T., Jeon Y., Samal M., Han H., Park H., Ha J., Yi DK, Choi J.-M., Paik U. A Ge inverse opal with porous walls as an anode for lithium ion battaries. Energy Environ. Sci. 2012. V. 5. P. 9028-9033.
3. Rojas E.G., Hensen J., Carstensen J., 
4. Fkamand G., Poortmans J., Dessein K. Formation of porous Ge using HF-based electrolytes. Phys. Stat. Sol. C. 2005. V. 9. P. 3243-3247.4. Fkamand G., Poortmans J., Dessein K. Formation of porous Ge using HF-based electrolytes. Phys. Stat. Sol. C. 2005. V. 9. P. 3243-3247.
5. Jing C., Zhang C., Zang X., Zhou W., Bai W., Lin Т., Chu J. Fabrication and chracterisation of porous germanium films. Sci. Technol. Adv. Mater. 2009. V. 10. P. 65001-1 - 65001-6.5. Jing C., Zhang C., Zang X., Zhou W., Bai W., Lin T., Chu J. Fabrication and chracterisation of porous germanium films. Sci. Technol. Adv. Mater. 2009. V. 10.P. 65001-1 - 65001-6.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019133550A RU2734458C1 (en) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | Monocrystalline germanium substrate with thin surface layer of porous germanium |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019133550A RU2734458C1 (en) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | Monocrystalline germanium substrate with thin surface layer of porous germanium |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2734458C1 true RU2734458C1 (en) | 2020-10-16 |
Family
ID=72940485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019133550A RU2734458C1 (en) | 2019-10-21 | 2019-10-21 | Monocrystalline germanium substrate with thin surface layer of porous germanium |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2734458C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2813191C1 (en) * | 2023-08-09 | 2024-02-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" | Method for obtaining porous structure on surface of single-crystalline germanium |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140127580A1 (en) * | 2011-06-29 | 2014-05-08 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Structures including porous germanium, methods of making, and methods of use thereof |
-
2019
- 2019-10-21 RU RU2019133550A patent/RU2734458C1/en active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140127580A1 (en) * | 2011-06-29 | 2014-05-08 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Structures including porous germanium, methods of making, and methods of use thereof |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| BOTTGER R. et al. From holes to sponge at irradiated Ge surfaces with increasing ion energy - An effect of defect kinetics?, "Appl. Phys. A", 2013, 113, 53-55 * |
| СТЕПАНОВ А.Л. и др. Создание пористых слоев германия имплантацией ионами серебра, "Письма в ЖТФ", 2018, том 44, вып. 8, с. 84-92, , стр.85-88, фиг.1. B * |
| СТЕПАНОВ А.Л. и др. Создание пористых слоев германия имплантацией ионами серебра, "Письма в ЖТФ", 2018, том 44, вып. 8, с. 84-92, реферат, стр.85-88, фиг.1. BOTTGER R. et al. From holes to sponge at irradiated Ge surfaces with increasing ion energy - An effect of defect kinetics?, "Appl. Phys. A", 2013, 113, 53-55. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2813191C1 (en) * | 2023-08-09 | 2024-02-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет" | Method for obtaining porous structure on surface of single-crystalline germanium |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yuan et al. | Effects of multiple ion reactions based on a CoSe2/MXene cathode in aluminum‐ion batteries | |
| Becking et al. | Lithium‐metal foil surface modification: an effective method to improve the cycling performance of lithium‐metal batteries | |
| Chen et al. | An amorphous Si thin film anode with high capacity and long cycling life for lithium ion batteries | |
| Esmanski et al. | Silicon inverse‐opal‐based macroporous materials as negative electrodes for lithium ion batteries | |
| Qiao et al. | Thermodynamic instability at the stoichiometric LaAlO3/SrTiO3 (001) interface | |
| Crowther et al. | Primary Li-air cell development | |
| Wan et al. | Two dimensional silicon nanowalls for lithium ion batteries | |
| Rudawski et al. | Ion beam-mixed Ge electrodes for high capacity Li rechargeable batteries | |
| US20150372296A1 (en) | Structures including ion beam-mixed lithium ion battery electrodes, methods of making, and methods of use thereof | |
| Lipson et al. | Enhanced lithiation of doped 6H silicon carbide (0001) via high temperature vacuum growth of epitaxial graphene | |
| WO2012118944A2 (en) | Techniques for producing thin films of single crystal diamond | |
| Moriguchi et al. | Nano-tube-like surface structure in graphite particles and its formation mechanism: A role in anodes of lithium-ion secondary batteries | |
| US8946061B2 (en) | Engineering of porous coatings formed by ion-assisted direct deposition | |
| Borhani-Haghighi et al. | Synthesis of nanostructured LiMn2O4 thin films by glancing angle deposition for Li-ion battery applications | |
| Uedono et al. | Vacancy-boron complexes in plasma immersion ion-implanted Si probed by a monoenergetic positron beam | |
| Wang et al. | Electrochemical performances and volume variation of nano-textured silicon thin films as anodes for lithium-ion batteries | |
| RU2734458C1 (en) | Monocrystalline germanium substrate with thin surface layer of porous germanium | |
| Peng et al. | Raman spectroscopy of graphene irradiated with highly charged ions | |
| RU2737692C1 (en) | Method of producing monocrystalline germanium substrate with a thin surface layer of porous germanium | |
| Hwang et al. | Evolution of solid electrolyte interphase during cycling and its effect on electrochemical properties of LiMn2O4 | |
| CN108914075A (en) | A kind of preparation method based on the base nanometer crystal thin-film material of W containing helium | |
| Reddy et al. | LiNiVO4–promising thin films for use as anode material in microbatteries | |
| Kakitani et al. | The interface between platinum nanoparticle catalysts and an Ar+-irradiated carbon support | |
| Sharkeev et al. | Dislocation structure in coarse-grained copper after ion implantation | |
| Bader et al. | CARRIER CONCENTRATION PROFILES OF ION‐IMPLANTED SILICON |