RU2783391C1 - Полупроводниковый материал, инфракрасный светоприемный элемент и способ производства полупроводникового материала - Google Patents
Полупроводниковый материал, инфракрасный светоприемный элемент и способ производства полупроводникового материала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2783391C1 RU2783391C1 RU2021116564A RU2021116564A RU2783391C1 RU 2783391 C1 RU2783391 C1 RU 2783391C1 RU 2021116564 A RU2021116564 A RU 2021116564A RU 2021116564 A RU2021116564 A RU 2021116564A RU 2783391 C1 RU2783391 C1 RU 2783391C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- semiconductor material
- synthesis
- reaction vessel
- melting
- heating
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 116
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 93
- 229910019021 Mg 2 Sn Inorganic materials 0.000 claims description 59
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 35
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 33
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 31
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 31
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 claims description 31
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 29
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 29
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 23
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 16
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 10
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 6
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 26
- 230000003078 antioxidant Effects 0.000 abstract description 8
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 229910019743 Mg2Sn Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 20
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 12
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 11
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 5
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 5
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000004455 differential thermal analysis Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 3
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N AI2O3 Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910019074 Mg-Sn Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910019382 Mg—Sn Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003064 anti-oxidating Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001809 detectable Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011236 particulate material Substances 0.000 description 2
- 238000000550 scanning electron microscopy energy dispersive X-ray spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- YTHCQFKNFVSQBC-UHFFFAOYSA-N Magnesium silicide Chemical compound [Mg]=[Si]=[Mg] YTHCQFKNFVSQBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019018 Mg 2 Si Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017706 MgZn Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003708 ampul Substances 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000023077 detection of light stimulus Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021338 magnesium silicide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к полупроводниковому материалу, инфракрасному светоприемному элементу и способам производства полупроводникового материала. Предложен полупроводниковый материал, характеризующийся улучшенной противоокислительной стойкостью. Данный полупроводниковый материал включает монокристалл, описывающийся следующей формулой состава: Mg2Sn⋅Zna, в которой а представляет собой содержание Zn в диапазоне от 0,1 до 0,5% (ат.) по отношению к Mg2Sn, и содержащий один или более элементов из B, C, N, Na, Al, Si, P, Ca, Cr, Mn, Fe, Ge, As и Sb с общим содержанием 0,5 ат.% или менее. Технический результат заключается в получении полупроводникового материала, характеризующегося улучшенной противоокислительной стойкостью, и инфракрасного светоприемного элемента с улучшенными эксплуатационными свойствами. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к полупроводниковому материалу, инфракрасному светоприемному элементу и способу производства полупроводникового материала.
Уровень техники
В свете сделанных за недавнее время радикальных технологических инноваций в отношении искусственного интеллекта (ИИ) и тому подобного энергично проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в сфере систем, осуществляющих автоматическое наблюдение и управление, вместо человеческих глаз и рук. В таких системах для автоматического наблюдения и управления на основе различной входной информации, такой как свет, температура и голос, определяется надлежащая ответная операция, так что аппаратное обеспечение детектирования входящих сигналов будет ключевым устройством, играющим важную роль во всей системе. В особенности применительно к детектированию световых входных сигналов можно добиться передового автоматического наблюдения и автоматического управления путем использования устройства, выполняющего функцию человеческих глаз или, в некоторых случаях, способного детектировать информацию в областях, которые не могут восприниматься человеческими глазами.
Примеры устройств, детектирующих световые входные сигналы, включают соответствующие устройства, имеющие элементы, преобразующие световые сигналы в электрические сигналы, которые могут подвергаться электронной обработке. Одним примером такого базового элемента является фотодетектирующий элемент, содержащий полупроводниковый материал.
Фотодетектирующий элемент, содержащий полупроводниковый материал, характеризуется различными диапазонами детектируемых длин волн в зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов. В целях обеспечения передового контроля, который может быть использовано для автоматического наблюдения ночью и для автоматического управления автомобилем, в дополнение к информации об излучении в области видимого света и изображений требуется также входная информация в отношении излучения в инфракрасной области. Поэтому имеется сильная потребность в инфракрасных светоприемных элементах и устройствах, способных детектировать входной свет с повышенной чувствительностью в области инфракрасного излучения, и стимулируются активные исследования и разработки с использованием различных полупроводниковых материалов.
В качестве материала, используемого для фотодетектирующих элементов, предлагали кристаллический материал силицида магния (Mg2Si), представляющий собой полупроводниковое соединение, образованное магнием (Mg) и кремнием (Si), и были получены определенные результаты (источники непатентной литературы 1 и 2).
Перечень процитированной литературы
[Источник непатентной литературы 1] T. Akiyama et al., Proc. Asia-Pacific Conf. Semicond. Silicides Relat. Mater. 2016, JJAP Conf. Proc. Vol. 5, 2017, pp. 011102-1-011102-5
[Источник непатентной литературы 2] K. Daitoku et al., Proc. Int. Conf. Summer School Adv. Silicide Technol. 2014, JJAP Conf. Proc. Vol. 3, 2015, pp. 011103-1-011103-4
Сущность изобретения
Техническая проблема
Обычно для областей инфракрасных светоприемных элементов проводились научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в сфере полупроводниковых материалов, характеризующихся хорошим коэффициентом оптического поглощения. Однако, полупроводниковый материал может вступать в реакцию с воздухом в атмосфере и может окисляться и демонстрировать снижение качества, что приводит к возникновению таких проблем, как ухудшение эксплуатационных свойств устройства.
Настоящее раскрытие нацелено на решение описанных выше технических проблем. Одна из целей настоящего раскрытия заключается в получении полупроводникового материала, характеризующегося улучшенной противоокислительной стойкостью, другая цель заключается в получении инфракрасного светоприемного элемента, содержащего полупроводниковый материал, и еще одна цель заключается в получении способа производства такого полупроводникового материала.
Решение проблемы
Авторы настоящего изобретения исследовали различные соединения в качестве полупроводниковых материалов, которые могут решать вышеупомянутые проблемы, и сконцентрировались на соединении Mg2Sn, которое, как было общеизвестно, подходит, с учетом его характеристик, для использования в качестве материала элемента для термоэлектрического преобразования. Как было обнаружено авторами изобретения в результате проведенных интенсивных исследований, данный материал также подходит и для использования в качестве материала для инфракрасного светоприемного элемента, и легирование этого материала цинком (Zn) приводит к улучшенной противоокислительной стойкости.
На основании сделанных открытий и идей в настоящем раскрытии предлагаются следующие изобретения:
1) Полупроводниковый материал, включающий монокристалл, описывающийся следующей далее формулой состава:
формула состава: Mg2Sn⋅Zna,
в которой а представляет собой содержание Zn в диапазоне от 0,05 до 1% (ат.) по отношению к Mg2Sn.
2) Полупроводниковый материал, соответствующий пункту 1), где а находится в диапазоне от 0,1 до 0,5% (ат.) в формуле.
3) Инфракрасный светоприемный элемент, содержащий полупроводниковый материал, соответствующий пункту 1) или 2).
4) Способ производства полупроводникового материала, соответствующего пункту 1) или 2), включающий легирование цинком (Zn) на стадии приготовления материала исходного сырья и/или стадии синтеза.
5) Способ производства полупроводникового материала, соответствующий пункту 4), где в способе осуществляется любое из следующего:
способ прямого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре, равной температуре плавления продукта или более, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтеза для получения продукта; или
способ плавления под давлением в атмосфере инертного газа, заключающийся в нагреве и плавлении материала исходного сырья в находящейся под давлением реакционной емкости, заполненной материалом исходного сырья, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтеза для получения продукта.
6) Способ производства полупроводникового материала, соответствующий пункту 4), где в способе осуществляется способ твердо-жидкого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре, равной температуре плавления Mg2Sn или меньше, для стимулирования твердо-жидкого синтеза, и охлаждении после синтеза для получения продукта, а затем, необязательно, отжиге продукта.
7) Способ производства полупроводникового материала, соответствующего пункту 1) или 2), где полупроводниковый материал производят с использованием способа прямого плавления, включающего следующие далее стадии (1)-(5):
(1) стадия приготовления материала исходного сырья, заключающаяся в приготовлении дисперсного материала исходного сырья, содержащего Mg, Sn и Zn;
(2) стадия заполнения материалом исходного сырья, заключающаяся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, приготовленным на стадии (1);
(3) стадия синтеза, заключающаяся в нагреве всей реакционной емкости для стимулирования прохождения химической реакции при плавлении;
(4) стадия охлаждения расплава, полученного на стадии (3), для осаждения монокристалла Mg2Sn⋅Zna; и
(5) стадия удаления монокристалла Mg2Sn⋅Znа, осажденного на стадии (4), из реакционной емкости.
Преимущества изобретения
В соответствии с настоящим раскрытием можно получить полупроводниковый материал, характеризующийся улучшенной противоокислительной стойкостью.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой график, демонстрирующий результаты измерения порошковой рентгеновской дифракции в соответствии с Примером в настоящем раскрытии;
фиг. 2 представляет собой график, демонстрирующий результаты измерения с использованием метода СЭМ-ЭДРС в соответствии с Примером в настоящем раскрытии;
фиг. 3 представляет собой график, демонстрирующий результаты термогравиметрического измерения в соответствии с Примером в настоящем раскрытии;
фиг. 4 представляет собой график, демонстрирующий результаты дифференциального термического анализа в соответствии с Примером в настоящем раскрытии; и
фиг. 5 представляет собой график, демонстрирующий результаты оценки коэффициента оптического поглощения и запрещенной энергетической зоны в соответствии с Примером в настоящем раскрытии.
Подробное описание изобретения
Полупроводниковый материал
Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, является полупроводниковым материалом, включающим монокристалл, описывающийся следующей далее формулой состава:
формула состава: Mg2Sn⋅Zna,
в которой а представляет собой содержание Zn в диапазоне от 0,05 до 1% (ат.) по отношению к Mg2Sn.
Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, получают путем легирования Mg2Sn цинком (Zn) для получения целостного монокристалла. То есть, Zn не присутствует на границах зерен Mg2Sn, но присутствует в состоянии гомогенного твердого раствора в таком кристалле. Это может объясняться замещением Mg легирующим элементом Zn в кристалле. Таким образом, поскольку Mg2Sn⋅Zna представляет собой монокристалл, у него отсутствуют границы кристаллических зерен, и он характеризуется выровненными ориентациями кристалла. Поэтому ему свойственны эффекты, способные обеспечивать точный контроль электрических и оптических свойств кристалла, а также способные обеспечивать точную обработку, такую как резка, полировка и травление. Данный полупроводниковый материал подходит для использования в качестве подложки для инфракрасных светоприемных элементов.
В полупроводниковом материале, соответствующем настоящему раскрытию, а представляет собой содержание Zn в диапазоне от 0,05 до 1% (ат.) по отношению к Mg2Sn в формуле состава: Mg2Sn⋅Zna. В случае содержания Zn, меньшего, чем 0,05% (ат.), может не достигаться достаточная противоокислительная стойкость. Кроме того, в случае содержания Zn, большего, чем 1% (ат.), присутствие Zn в состоянии твердого раствора в Mg2Sn становится затруднительным, что может приводить к проблеме, заключающейся в выделении элемента Zn, не способного образовывать твердый раствор, в виде мелких отложений или к переходу кристалла в поликристаллическую форму. В формуле состава Mg2Sn⋅Zna а более предпочтительно находится в диапазоне от 0,1 до 0,5% (ат.).
Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, демонстрирует по существу такую же концентрацию носителей заряда, что и материал, состоящий только из Mg2Sn, но характеризуется улучшенным коэффициентом оптического поглощения, так что светоприемные эксплуатационные характеристики могут быть улучшены в результате использования такого инфракрасного светоприемного элемента вследствие легирования Mg2Sn цинком (Zn) в количестве от 0,05 до 1% (ат.). Например, в описанных ниже Примерах в результате легирования 0,5% (ат.) Zn коэффициент оптического поглощения при энергии фотона в области 0,35 эВ увеличился приблизительно в 5 раз.
Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, демонстрирует по существу такую же концентрацию носителей заряда, что и материал, состоящий только из Mg2Sn, но полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, может характеризоваться уменьшенной запрещенной энергетической зоной (Eg) вследствие легирования Mg2Sn цинком (Zn) в количестве в диапазоне от 0,05 до 1% (ат.). В результате длина волны детектируемого света расширяется и смещается в область больших длин волн, что более полезно при использовании в инфракрасном светоприемном элементе. Например, в описанных ниже Примерах в результате легирования 0,5% (ат.) Zn значение Eg снизилось с 0,25 эВ до 0,21 эВ. При производстве детектора инфракрасного излучения это может обеспечить возможность расширения максимальной детектируемой длины волны (длины волны отсечки) от приблизительно 5 мкм до приблизительно 6 мкм.
Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, может быть образован монокристаллом, описывающимся формулой состава: Mg2Sn⋅Zna, или он может содержать неизбежные примеси, примешанные к монокристаллу, описывающемуся формулой Mg2Sn⋅Zna. Неизбежные примеси являются примесями, которые неизбежно примешиваются к материалам исходного сырья и на стадиях производства и включают такие элементы, как B, C, N, Na, Al, Si, P, Ca, Cr, Mn, Fe, Ge, As и Sb в совокупном количестве 0,5% (ат.) или меньше.
Инфракрасный светоприемный элемент
Инфракрасный светоприемный элемент может быть получен с использованием полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию. В инфракрасном светоприемном элементе полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, может быть использован, например, в качестве области оптического поглощения р-типа или n-типа, используемой в плоскостных фотодиодах с p-n-переходом, несмотря на то что изобретение не ограничивается только этим. В соответствии с полупроводниковым материалом по настоящему раскрытию можно предложить полупроводниковый материал, характеризующийся улучшенной противоокислительной стойкостью. Кроме того, увеличивается и коэффициент оптического поглощения вблизи от энергии запрещенной полосы, так что может быть увеличена чувствительность при детектировании света. Кроме того, при производстве может быть уменьшена запрещенная энергетическая зона (Eg) вплоть до значения приблизительно 0,21 эВ, что приводит к получению инфракрасного светоприемного элемента, который может расширить принимаемую длину волны отсечки до приблизительно 6 мкм и может детектировать инфракрасное излучение, характеризующееся большей длиной волны. Поэтому производство инфракрасного светоприемного элемента, содержащего полупроводниковый материал по изобретению, может снизить снижение качества различных устройств для детекции и визуализации в области инфракрасного излучения. В соответствии с этим, можно ожидать значительный вклад в технологии, такие как различные области анализа изображений и диагностики изображений, а также использующие их технологии автоматического наблюдения и управления, и в отрасли промышленности, использующие данные технологии.
Способ производства полупроводникового материала
На способ производства полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, никаких конкретных ограничений не накладывается, но предпочтительно могут быть использованы описанные далее способы.
То есть, в способе осуществляется любое из следующего: способ прямого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре, равной температуре плавления продукта или более, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтеза для получения продукта; или способ плавления под давлением в атмосфере инертного газа, заключающийся в нагреве и плавлении материала исходного сырья в находящейся под давлением реакционной емкости, заполненной материалом исходного сырья, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтезирования для получения продукта.
Кроме того, в способе может осуществляться способ твердо-жидкого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре, равной температуре плавления Mg2Sn или меньше, для стимулирования твердо-жидкого синтеза и охлаждении после синтеза для получения продукта, а затем, необязательно, осуществлении синтеза при плавлении.
Способ производства полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, характеризуется легированием цинком (Zn) на стадии приготовления материала исходного сырья и/или стадии синтеза.
В соответствии с данными способами может быть легко произведен монокристалл полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, с использованием известных способов производства.
Предпочтительно, например, монокристалл полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, может быть получен с использованием способа прямого плавления, включающего следующие далее стадии (1А)-(5А):
(1А) стадия приготовления материала исходного сырья, заключающаяся в приготовлении материала исходного сырья, содержащего частицы Mg и частицы Sn или частицы сплава Mg-Sn;
(2А) стадия заполнения материалом исходного сырья, заключающаяся в легировании материала исходного сырья, приготовленного на стадии (1А), цинком (Zn) и заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья;
(3А) стадия синтеза, заключающаяся в нагреве всей реакционной емкости для стимулирования прохождения химической реакции;
(4А) стадия охлаждения расплава, полученного на стадии (3А), для осаждения монокристалла; и
(5А) стадия удаления монокристалла, осажденного на стадии (4А), из реакционной емкости.
Zn, используемый для легирования на стадии (2А), может подаваться в виде монометаллического дисперсного материала. Он также может подаваться в виде сплава, такого как MgZn.
Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, может быть получен с использованием способа прямого плавления, включающего следующие далее стадии (1В)-(5В):
(1В) стадия приготовления материала исходного сырья, заключающаяся в приготовлении дисперсного материала исходного сырья, содержащего Mg, Sn и Zn;
(2В) стадия заполнения материалом исходного сырья, заключающаяся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, приготовленным на стадии (1В);
(3В) стадия синтеза, заключающаяся в нагреве всей реакционной емкости для стимулирования прохождения химической реакции при плавлении;
(4В) стадия охлаждения расплава, полученного на стадии (3В), для осаждения монокристалла Mg2Sn⋅Zna; и
(5В) стадия удаления монокристалла Mg2Sn⋅Znа, осажденного на стадии (4В), из реакционной емкости.
В материалах исходного сырья Mg и Sn, использованных в настоящем изобретении, предпочтительно могут использоваться высокоочищенные и комкообразные частицы, имеющие степень чистоты 4N (99,99%) или более, а более предпочтительно 5N (99,999%) или более, более предпочтительно 6N (99,99999%), и характеризующиеся средним размером частиц в диапазоне от приблизительно 2 до 3 мм. В общем случае Mg и Sn смешиваются таким образом, чтобы совокупность материалов исходного сырья в виде частиц Mg и частиц Sn характеризовалась соотношением элементов 2:1. Кроме того, Zn примешивается таким образом, чтобы атомная концентрация Zn находилась в диапазоне от 0,5 до 10% (ат.) по отношению к Mg2Sn.
Давление во время нагрева может быть атмосферным, но желательно осуществлять нагрев в газообразном Ar при приблизительно 3 атм. Температура нагрева находится в диапазоне от 770,5°С (температура плавления Mg2Sn) до 850°С, и, например, термическую обработку осуществляют на протяжении времени приблизительно от 15 минут до 14 часов в совокупности. При температуре, составляющей 770,5°С и более, Mg и Sn расплавляются с образованием расплава Mg-Sn, и Zn гомогенно расплавляется в этом расплаве. В данном случае количество элемента Zn, добавленного к материалу исходного сырья, приблизительно в десять раз превышает целевой уровень содержания Zn, хотя оно и варьируется в зависимости от условий синтеза кристалла, таких как скорость охлаждения. Например, в приведенных ниже Примерах содержание Zn в монокристалле находится в диапазоне, соответственно, от 0,5% (ат.) до 1% (ат.) для случаев, когда Zn добавляется к материалу исходного сырья, характеризующемуся соотношением Mg:Sn = 2:1, в количествах 5% (ат.) и 10% (ат.) при выращивании кристалла при скорости охлаждения 20°С/час.
На охлаждение полученного расплава никаких особенных ограничений не накладывается, и может быть использовано известное устройство для охлаждения, и может быть использован известный способ охлаждения. После синтеза расплав охлаждают для получения монокристалла. Охлаждение может быть естественным охлаждением, принудительным охлаждением или их комбинацией.
Предпочтительно протекание химической реакции между Mg и Sn стимулируется посредством перемешивания, поскольку это может обеспечивать более равномерное производства монокристалла на протяжении короткого периода времени. Перемешивание можно осуществлять с использованием известного устройства для перемешивания и известного способа перемешивания, несмотря на то что никаких конкретных ограничений в этом отношении не накладывается.
Кроме того, способом производства полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, может быть способ производства полупроводникового материала с использованием способа химического осаждения из паровой фазы (способа ХОПФ), включающего следующие далее стадии (1С)-(5С):
(1С) стадия приготовления материала исходного сырья, заключающаяся в приготовлении Mg, Sn, Zn или поликристаллического материала исходного сырья Mg2Sn, полученного в результате соответствующего синтеза;
(2С) стадия заполнения материалом исходного сырья, заключающаяся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, приготовленным на стадии (1С), совместно с материалом для переноса (Cl, Br, I и тому подобным);
(3С) стадия синтеза, заключающаяся в нагреве реакционной емкости для стимулирования прохождения химической реакции при плавлении;
(4С) стадия охлаждения расплава, полученного на стадии (3С), для осаждения монокристалла Mg2Sn⋅Zna; и
(5С) стадия удаления монокристалла Mg2Sn⋅Znа, осажденного на стадии (4С), из реакционной емкости.
На стадии синтеза (3С), как описано выше, реакционную емкость располагают в электрической печи, обеспечивающей температурный градиент, и выдерживают при нагреве. В данном случае сторону материала исходного сырья выдерживают при более высокой температуре, а сторону роста кристаллов выдерживают при более низкой температуре, в результате чего материал для переноса и материал исходного сырья могут вступать в реакцию и испаряться в более высокотемпературной части, и вещества материала исходного сырья могут переносятся в более низкотемпературную часть в газовой фазе. В более низкотемпературной части материал исходного сырья в газовой фазе вступает в реакцию и растет в виде кристаллов вследствие перенасыщения. В общем случае температура во время нагрева составляет 770,5°С или менее, что соответствует температуре плавления Mg2Sn в более высокотемпературной части, но она может и быть больше, чем указанная температура плавления. Более низкотемпературная часть, где растет кристалл, должна поддерживаться при температуре 770,5°С или менее.
Далее, монокристаллическая пленка полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, может использоваться в области оптического поглощения детектора для изготовления детектора инфракрасного излучения. В этом случае монокристаллическая пленка может быть получена с использованием общеизвестной методики осаждения полупроводниковой пленки, такой как способ молекулярно-пучковой эпитаксии (способ МПЭ), способ химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (ХОПФМС) и способ осаждения напылением.
В способе МПЭ в общем случае Mg, Sn и Zn одновременно подают с использованием молекулярного пучка, полученного в результате их выпаривания в вакуумной емкости, и соотношение между компонентами в композиции подбирают для осаждения Mg2Sn⋅Zna на подложке, такой как Mg2Sn. Во время осаждения подложку обычно нагревают. Температура нагрева в общем случае составляет 100°С или более и равна температуре плавления Mg или менее. В результате нагрева молекулы, осажденные на подложке, вступают в реакцию, что обеспечивает рост монокристаллической пленки из Mg2Sn⋅Zna.
В способе ХОПФМС в общем случае металлоорганические газы, содержащие Mg, Sn и Zn, одновременно подаются в реакционную емкость, и соотношение между компонентами в композиции подбирают для осаждения Mg2Sn⋅Zna на подложке, такой как Mg2Sn. Во время осаждения подложку обычно нагревают. Температура нагрева в общем случае составляет 100°С или более и равна температуре плавления Mg или менее. В результате нагрева металлоорганические газы вступают в реакцию на подложке, что обеспечивает рост монокристаллической пленки из Mg2Sn⋅Zna.
В способе осаждения напылением, в общем случае, на твердую мишень, содержащую Mg, Sn и Zn, распыляют ионы Ar в реакционной емкости для получения напыляемых молекул, и соотношение между компонентами в композиции подбирают для осаждения Mg2Sn⋅Zna на подложке, такой как Mg2Sn. Во время осаждения подложку обычно нагревают. Температура нагрева в общем случае составляет 100°С или более и равна температуре плавления Mg или менее. В результате нагрева напыляемые молекулы вступают в реакцию на подложке, что приводит к росту монокристаллической пленки Mg2Sn⋅Zna.
Следует отметить, что описания приведенных выше вариантов осуществления приведены для разъяснения сути настоящего изобретения, и они не предназначены для ограничения объема изобретений, представленных в формуле изобретения. Кроме того, конфигурация каждой части настоящего изобретения не ограничивается указанными выше вариантами осуществления, и в пределах технического объема формулы изобретения возможны различные модификации.
Примеры
Ниже в настоящем документе техническое содержание настоящего раскрытия будет описано конкретно на основании примеров. Следующие далее Примеры являются просто конкретными примерами для облегчения понимания технического содержания настоящего раскрытия, и данные конкретные Примеры не накладывают никаких ограничений на технический объем настоящего изобретения.
Получение полупроводникового материала
В тигле из оксида алюминия (трубке Таммана из оксида алюминия), имеющем внутренний диаметр 12 ммϕ и длину 11 см, располагали частицы Mg со степенью чистоты 4N [комковый материал (средний размер частиц в диапазоне от 2 до 3 мм) от компании RARE METALLIC Co., Ltd.], частицы Sn со степенью чистоты 5N [комковый материал (средний размер частиц в диапазоне от 2 до 3 мм) от компании OSAKA ASAHI METAL MFG CO., LTD.] и цинк [дисперсный материал (размер частиц 1 мм), степень чистоты 99,99999% от компании OSAKA ASAHI METAL MFG CO., LTD.].
После этого тигель запечатывали в кварцевой ампуле с газообразным Ar при 560 торр и располагали в электрической печи (печи с резистивным нагреванием) и нагревали до 780°С (отображаемая температуры) на протяжении 1 часа. После дальнейшего нагревания при той же самой температуре на протяжении 14 часов для расплавления материала температуру электрической печи уменьшали до 300°С со скоростью охлаждения 20°С/час для выращивания кристаллов. После этого печи позволяли остыть естественным образом, и при достижении комнатной температуры тигель удаляли из электрической печи для получения полупроводникового материала, соответствующего Примеру.
Кроме того, с использованием того же способа, что использован в описанном выше Примере, за исключением отсутствия добавления Zn в смеси материалов исходного сырья, получали полупроводниковый материал, соответствующий Сравнительному Примеру.
Композиция полупроводникового материала
Композицию полупроводникового материла, соответствующего Примеру, измеряли с использованием флуоресцентного рентгеновского анализатора. В результате, композиция представляла собой Mg2Sn⋅Zn0,5 (то есть, содержание Zn составляло 0,5% (ат.) по отношению к Mg2Sn). Кроме того, с использованием того же метода измеряли композицию полупроводникового материала, соответствующего другому Примеру. В результате, это оказался материал Mg2Sn⋅Zn1 (то есть, содержание Zn составляло 1% (ат.) по отношению к Mg2Sn).
С другой стороны, с использованием того же самого метода измеряли композицию полупроводникового материла, соответствующего Сравнительному Примеру, и в результате это оказался материал Mg2Sn.
Измерение порошковой рентгеновской дифракции
Для полученных полупроводниковых материалов измеряли порошковую рентгеновскую дифракцию. В результате, Пример, имеющий формулу состава Mg2Sn⋅Zn0,5 (Zn: 0,5% (ат.)) характеризовался наличием пика в положении, подобном соответствующему положению у Сравнительного Примера (нелегированного), описывающегося формулой состава Mg2Sn, как это показано на фиг. 1. То есть, как было установлено, кристалл из Примера, описывающегося формулой состава Mg2Sn⋅Zn0,5, имел единственную фазу, также как в случае Mg2Sn, и не содержал дисперсии Zn на границах зерен и образовывал монокристалл твердого раствора в виде кристалла. То же самое было обнаружено и для примера, описывающегося формулой состава Mg2Sn⋅Zn1.
Наблюдение с использованием метода СЭМ-ЭДРС
Поперечное сечение полученного полупроводникового материала исследовали с использованием метода СЭМ-ЭДРС. В результате, границу зерен Mg2Sn увидеть не удалось, что означает гомогенный монокристалл, как это показано на фиг. 2. Кроме того, было подтверждено, что никаких мельчайших отложений легирующего Zn не наблюдалось, и Zn находился в гомогенном твердом растворе в Mg2Sn.
Измерение противоокислительной стойкости
Полученные полупроводниковые материалы нагревали в условиях атмосферного тока со скоростью 300 мл/мин и со скоростью увеличения температуры 10°С/мин от комнатной температуры, используя коммерчески доступное устройство для термогравиметрического-дифференциального термического анализа (ТГ-ДТА), и обнаружили увеличение массы (% мас.) при достижении температуры 700°С. Результаты показаны на фиг. 3. График на фиг. 3 демонстрирует процентную долю увеличения массы (% мас.) по отношению к массе до нагрева. Как можно видеть из графика на фиг. 3, в Примере, описывающемся формулой состава Mg2Sn⋅Zn0,5 и легированном цинком (Zn), пороговая температура начала окисления при ТГ увеличивалась со значения приблизительно 420°С до значения приблизительно 450°С, и окисление протекало медленнее по сравнению со Сравнительным Примером, который не был легирован цинком. Это означает, что Пример, легированный цинком (Zn), характеризуется улучшенной противоокислительной стойкостью.
Кроме того, на фиг. 4 продемонстрированы результаты дифференциального термического анализа. Как установлено, исходя из фиг. 4, в Примере, описывающемся формулой состава Mg2Sn⋅Zn0,5 и легированном цинком (Zn), температура пика ДТА увеличивалась со значения 442°С до значения 472°С, и данный материал окислялся труднее по сравнению со Сравнительным Примером, который не был легирован цинком. Это означает, что Пример, легированный цинком (Zn), характеризуется улучшенной противоокислительной стойкостью.
Измерение коэффициента оптического поглощения и запрещенной энергетической зоны
Для полученных полупроводниковых материалов измеряли характеристики пропускания и отражения при комнатной температуре с использованием коммерчески доступного устройства ИК-ПФ в целях оценки коэффициента оптического поглощения и запрещенной энергетической зоны. Как показано на фиг. 5, было установлено, что в Примере, описывающемся формулой состава Mg2Sn⋅Zn0,5 и легированном цинком (Zn), увеличивается коэффициент оптического поглощения (в частности, коэффициент поглощения при энергии фотона в области 0,35 эВ увеличивается приблизительно в 5 раз), а запрещенная энергетическая зона уменьшается с 0,25 эВ до 0,21 эВ. Это означает увеличение чувствительности при детектировании инфракрасного излучения и расширение детектируемой длины волны, указывая на то, что полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, подходит для использования инфракрасном светоприемном элементе.
Claims (15)
1. Полупроводниковый материал, включающий монокристалл, описывающийся формулой:
Mg2Sn⋅Zna,
в которой а представляет собой содержание Zn в диапазоне от 0,1 до 0,5% (ат.) по отношению к Mg2Sn, и содержащий один или более элементов из B, C, N, Na, Al, Si, P, Ca, Cr, Mn, Fe, Ge, As и Sb с общим содержанием 0,5 ат.% или менее.
2. Инфракрасный светоприемный элемент, содержащий полупроводниковый материал по п. 1.
3. Способ производства полупроводникового материала по п. 1, включающий легирование цинком (Zn) на стадии приготовления материала исходного сырья и/или стадии синтеза.
4. Способ производства полупроводникового материала по п. 3, где в способе осуществляется любое из следующего:
способ прямого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре равной температуре плавления продукта или более, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтезирования для получения продукта; или
способ плавления под давлением в атмосфере инертного газа, заключающийся в нагреве и плавлении материала исходного сырья в находящейся под давлением реакционной емкости, заполненной материалом исходного сырья, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтезирования для получения продукта.
5. Способ производства полупроводникового материала по п. 3, где в способе осуществляют способ твердо-жидкого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре, равной температуре плавления Mg2Sn или менее, для стимулирования твердо-жидкого синтеза и охлаждении после синтеза для получения продукта, а затем, необязательно, отжиге продукта.
6. Способ производства полупроводникового материала по п. 1, где полупроводниковый материал получают с использованием способа прямого плавления, включающего следующие далее стадии (1)-(5):
(1) стадия приготовления материала исходного сырья, заключающаяся в приготовлении дисперсного материала исходного сырья, содержащего Mg, Sn и Zn;
(2) стадия заполнения материалом исходного сырья, заключающаяся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, приготовленным на стадии (1);
(3) стадия синтеза, заключающаяся в нагреве всей реакционной емкости для стимулирования прохождения химической реакции при плавлении;
(4) стадия охлаждения расплава, полученного на стадии (3), для осаждения монокристалла Mg2Sn⋅Zna; и
(5) стадия удаления монокристалла Mg2Sn⋅Znа, осажденного на стадии (4), из реакционной емкости.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018-213281 | 2018-11-13 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2783391C1 true RU2783391C1 (ru) | 2022-11-11 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2533624C1 (ru) * | 2013-07-04 | 2014-11-20 | Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности ОАО "Гиредмет" | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА n-ТИПА НА ОСНОВЕ ТРОЙНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Mg2Si1-xSnx |
| JP2017132655A (ja) * | 2016-01-27 | 2017-08-03 | 株式会社新興製作所 | Ｍｇ２Ｓｉ１−ｘＳｎｘ結晶の製造方法及び製造装置 |
| JP2018059160A (ja) * | 2016-10-06 | 2018-04-12 | 国立大学法人茨城大学 | Ｍｇ２ Ｓｉ（１−ｘ）Ｓｎｘ系多結晶体、その焼結体およびその製造方法 |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2533624C1 (ru) * | 2013-07-04 | 2014-11-20 | Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности ОАО "Гиредмет" | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА n-ТИПА НА ОСНОВЕ ТРОЙНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Mg2Si1-xSnx |
| JP2017132655A (ja) * | 2016-01-27 | 2017-08-03 | 株式会社新興製作所 | Ｍｇ２Ｓｉ１−ｘＳｎｘ結晶の製造方法及び製造装置 |
| JP2018059160A (ja) * | 2016-10-06 | 2018-04-12 | 国立大学法人茨城大学 | Ｍｇ２ Ｓｉ（１−ｘ）Ｓｎｘ系多結晶体、その焼結体およびその製造方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MIDONOYA et al. "P-type doping and electrical properties of Mg2Sn single crystals", 56th Meeting of JSAP (Spring 2009, No. 3, p. 1423, University of Tsukuba). * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fiederle et al. | Growth of high resistivity CdTe and (Cd, Zn) Te crystals | |
| Kim et al. | Investigation of p-type behavior in Ag-doped ZnO thin films by E-beam evaporation | |
| Kim et al. | New approaches for making large-volume and uniform CdZnTe and CdMnTe detectors | |
| WO2021251349A1 (ja) | ＧａＡｓインゴットおよびＧａＡｓインゴットの製造方法、ならびにＧａＡｓウエハ | |
| RU2783391C1 (ru) | Полупроводниковый материал, инфракрасный светоприемный элемент и способ производства полупроводникового материала | |
| US11935974B2 (en) | Semiconductor material, infrared light receiving element and method for producing semiconductor material | |
| Swain et al. | Study of different cool down schemes during the crystal growth of detector grade CdZnTe | |
| Fornaro et al. | Growth of lead iodide platelets for room temperature X-ray detection by the vapor transport method | |
| Thompson et al. | Preparation and properties of InAs1-xPx Alloys | |
| EP3995609A1 (en) | Mg2Si SINGLE CRYSTAL, Mg2Si SINGLE CRYSTAL SUBSTRATE, INFRARED RAY-RECEIVING ELEMENT, AND METHOD FOR MANUFACTURING Mg2Si SINGLE CRYSTAL | |
| Saucedo et al. | New ways for purifying lead iodide appropriate as spectrometric grade material | |
| JP7496974B2 (ja) | Ｍｇ２Ｓｉ単結晶体、Ｍｇ２Ｓｉ単結晶基板、赤外線受光素子及びＭｇ２Ｓｉ単結晶体の製造方法 | |
| US8969803B2 (en) | Room temperature aluminum antimonide radiation detector and methods thereof | |
| CN100369203C (zh) | 在镓砷衬底上生长铟砷锑薄膜的液相外延生长方法 | |
| Rajan et al. | Growth of Cd1-xMnxTe crystals by vertical Bridgman method and analysis of composition dependence on the bandgap | |
| De et al. | X-ray diffraction analysis of lattice defects of ZnSe thin films deposited at different substrate temperatures | |
| JP3237408B2 (ja) | 化合物半導体結晶の製造方法 | |
| Kim et al. | Improvement of CdMnTe detector performance by MnTe purification | |
| WO2022075112A1 (ja) | ＧａＡｓウエハ及びＧａＡｓインゴットの製造方法 | |
| Yan et al. | Optimizing the temperature gradient for CdZnTe crystal growth using the vertical Bridgman–Stockbarger method | |
| Matsushita et al. | Thermal analysis of the chemical-reaction process for CuGa1− xInxSe2 crystals | |
| Ramamoorthy et al. | Epi-n-ZnO/< 100> Si, GaAs and InP by L-MBE: a novel approach for III–V devices | |
| Ben-Dor et al. | Low temperature synthesis of pseudobinary chalcogenides | |
| Isshiki et al. | 9 Bulk Crystal Growth of Wide-Bandgap ll-Vl Materials | |
| Fornaro et al. | Lead iodide platelets: correlation between surface, optical and electrical properties with X and/spl gamma/ray spectrometric performance |