Влияние условий выращивания на форму фронта кристаллизации и структуру монокристаллов германия Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.315.592

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВЫРАЩИВАНИЯ НА ФОРМУ ФРОНТА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И СТРУКТУРУ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ

Д. В. Ерёмин1, Т. О. Павлюк1, Ю. А. Петровская2

1Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: [email protected]

Изучено влияние формы фронта кристаллизации на плотность дислокаций в монокристаллах германия диаметром 100 мм, выращиваемых методом Чохральского. Установлено, что плотность дислокаций в кристаллах с выпуклым фронтом кристаллизации значительно выше.

Ключевые слова: германий, монокристалл, тепловое поле, фронт кристаллизации, дислокации.

INFLUENCE OF GROWING CONDITIONS ON THE FORM OF THE CRYSTALLIZATION FRONT AND STRUCTURE OF GERMANIUM MONOCRYSTALS

D. V. Eremin1, T. O. Pavliuk1, Y. A. Petrovskaia2

Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]

We have studied the influence of the shape of the crystallization front on the dislocation density in germanium single crystals 100 mm in diameter grown by the Czochralski method. We have found that the dislocation density in crystals with a convex crystallization front is much higher.

Keywords: germanium, single crystal, thermal field, crystallization front, dislocations.

Развитие технологии получения полупроводникового германия направлено на выращивание крупногабаритных монокристаллов с одновременным повышением требований к их структурному совершенству, которое оценивается по плотности дислокаций.

Монокристаллы германия с низкой плотностью дислокаций выращивают, как правило, методом Чохральского [1]. Схема получения кристаллов германия представлена на рис. 1. Поликристаллический германий расплавляется в кварцевом тигле. Сверху до соприкосновения с расплавом опускается монокристаллическая затравка требуемой ориентации. Далее, затравка поднимается с контролируемой скоростью, тем самым из расплава выращивается кристалл.

В большом числе работ [1-4] приводятся следующие условия получения кристаллов германия с совершенной структурой:

- фронт кристаллизации должен быть плоским или слабовогнутым;

- высота конуса разращивания слитка должна быть равна его диаметру;

- распределение температуры по высоте кристалла должно быть однородным;

- температурные градиенты в расплаве и кристалле должны быть низкими.

Практический опыт получения кристаллов показывает, что в таком виде рекомендации по

снижению плотности дислокаций слишком абстрактны и не дают представления о количествен-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1

ных параметрах процесса выращивания (значений температурных градиентов, кривизне фронта кристаллизации и т. п.).

Рис. 1. Схема выращивания монокристаллов германия по методу Чохральского [1]: 1 - затравка; 2 - монокристалл германия; 3 - кварцевый тигель; 4 - корпус печи;

5 - боковой экран; 6 - нагреватель из графита; 7 - графитовый тигель; 8 - нижний шток;

9 - поддон;10 - токоподвод

В связи с этим настоящая работа направлена на исследование взаимосвязи формы фронта кристаллизации и плотности дислокаций в монокристаллах германия.

Влияние формы фронта кристаллизации на плотность дислокаций в монокристаллах германия определяли экспериментально. Выращены более 20 кристаллов диаметром 100 мм с плотностью дислокаций от 50 до 103 см-2. Взаимосвязь отклонения фронта кристаллизации от плоской формы и экспериментально определенной плотностью дислокаций в слитках германия представлена на рис. 2.

«

к я-

й

R

и

К И

£

о о x Ь о R

К

-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2

Отклонение фронта кристаллизации от плоскостности , мм

Рис. 2. Влияние отклонения фронта кристаллизации от плоской формы на плотность дислокаций в слитках германия

Установлено, что среднее значение плотности дислокаций в экспериментальных слитках при изменении отклонения фронта кристаллизации от плоскостности в пределах от -1,5 до +1,5 возрастает от 75 до 103 см-2 в случае выпуклой формы и до 700 см-2 для вогнутого фронта. При большей кривизне фронта кристаллизации исследования не проводили, так как плотность дислокаций при этом резко увеличивалась.

1600

у = 386х2 + 190х + 132

1200

у = 270х2 + 197х + 180

Повышенную плотность дислокаций в кристаллах с выпуклым фронтом кристаллизации можно объяснить на основе известных представлений о протекании гидродинамических процессов в расплаве [2]. В условиях вынужденной конвекции в центре тигля формируется приповерхностный вихрь с восходящей к фронту кристаллизации струей 1, как показано на рис. 3. Вблизи стенки тигля формируется подъемное течение 2 и натекание расплава на кромку кристалла, вызывающее его подплавление и изменение формы фронта кристаллизации (рис. 3).

Согласно схеме движения расплава, представленной на рис. 3, восходящий поток 2 направлен к выпуклой поверхности фронта кристаллизации под относительно большим углом и взаимодействует с ней, а в случае вогнутой поверхности - по касательной вдоль нее. Исходя из этого, можно заключить, что влияние организованной конвекции в расплаве на геометрию фронта кристаллизации, соответственно, на однородность температурного поля вблизи него и напряжения в растущем кристалле возрастает в случае выпуклого фронта кристаллизации.

В методе Чохральского сложно сформировать плоскую межфазную границу. Выращивание кристаллов германия с повышенными требованиями к структуре целесообразно производить со слабо вогнутым фронтом кристаллизации.

1. Cor Claeys L., Simoen E. Germanium-based technologies: from materials to devices. Berlin [etc.] : Elsevier, 2007. 449 p.

2. Тепло- и массообмен при получении монокристаллов / П. К. Конаков, Г. Е. Веревочкин, Л. А. Горяинов [и др.]. М. : Металлургия, 1971. 239 с.

3. Seebauer G., Meredith C. Kratzer Edmund Charged Semiconductor Defects: Structure, Thermodynamics and Diffusion / Edmund. - Berlin [etc.]: Springer, 2008. 294 p.

4. Peter Y. Yu, Manuel Cardona. Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties. Berlin [etc.]: Springer, 2009. 775 p.

Рис. 3. Схема движения расплава в условиях вынужденной конвекции [2]

Библиографические ссылки

© Ерёмин Д. В., Павлюк Т. О., Петровская Ю. А., 2017