THE INFLUENCE OF OPTICALLY ACTIVE OXYGEN CONTENT ON THE DEFECT STRUCTURE OF SINGLE CRYSTAL GERMANIUM

Full Text

Монокристаллы германия с минимальным содер- для эпитаксиальных Аш-^ оптико-электронных жанием дефектов, прежде всего дислокаций, имеют структур, которые используются для изготовления сол-колоссальную перспективу в связи с развитием полу- нечных элементов на основе систем GaInP/GaInAs/Ge, проводниковых нанотехнологий. Такие кристаллы являющихся эффективными фотопреобразователями, востребованы в фотоэлектронике в качестве подложек имеющими КПД выше 39 %. Бездислокационный 129 Технологические процессы и материалы германий обеспечивает решение проблем, возникающих в связи с использованием кремния при создании наноразмерных транзисторных структур. Высокая подвижность носителей заряда > 2 000 см2/В*с (минимум в 2 раза выше, чем в Si) позволяет с большим успехом использовать его для создания быстродействующих ячеек памяти. Малодислокационный германий необходим в производстве радиационно стойких фотоэлектрических детекторов, где требуются кристаллы с содержанием линейных дефектов порядка 100 см-2 и менее [1; 2]. Одной из вредных примесей, оказывающих влияние на дефектную структуру и свойства монокристаллов Ge, является кислород [3; 4]. В связи с этим целью работы явилось определение содержания оптически активного кислорода в моно-кристаллическом германии различных марок и выявление взаимосвязи концентрации кислорода и плотности дислокаций. Методика проведения исследования. Для проведения экспериментов применяли ИК-Фурье-спектро-метр Nicolet 380. За основу принимали стандартную методику определения содержания кислорода в кремнии [5]. В отличие от Si, исследование Ge производили с использованием модернизированной приставки нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) Smart Performer. Из конструкции приставки удаляли кристалл ZnSe и на его место устанавливали исследуемый образец, к поверхности которого прижимали наконечник спектрометра. Такая методика измерений позволяет исключить из оптической схемы держатель образцов и исследовать кристаллы произвольной формы с плоскопараллельными противолежащими поверхностями в широком диапазоне их геометрических размеров. В таких условиях возможна работа с пластинами большого диаметра до 160 мм, без их разрушения. Регистрацию ИК-спектров осуществляли в диапазоне волновых чисел от 700 до 1 000 см-1 с накоплением 32 спектров. Расчет содержания О2 проводили по интенсивности кислородного пика с волновым числом 842,780 см-1 [6] относительно базовой линии по известной формуле [5], скорректированной на длину луча: N = 1,05-1017 | 2,3cos10,080 — 2d см -3 (1) где D - оптическая плотность относительно базовой линии в интервале волновых чисел от 700 до 1000 см-1; d - толщина образца; 10,08 o - угол, под которым ИК-излучение проходит через кристалл германия с показателем преломления, равным 4,0, в исследуемом волновом диапазоне. Объектами исследования служили монокристаллы германия, выращенные в кристаллографическом направлении по методу Чохральского. Из исследуемых кристаллов вырезали образцы в форме пластин толщиной 10 мм, затем их обрабатывали на шлифовальном станке Satis L0H-200 и подвергали полированию до шероховатости поверхности Ra = 0,01. Для выявления дислокаций пластины травили в течение 3 мин в водном растворе, содержащем 12 масс. % КОН и 8 масс. % K3Fe(CN)6. Результаты и обсуждение. Регистрацию ИК-спектров проводили на монокристаллах германия оптического качества марки ГМО и особо чистого германия (ОЧГ), плотность дислокаций в которых составляла 2,5-103 см-2, а также на бездислокационных кристаллах р-типа, легированных галлием. Галлий добавляется в расплав германия с целью связывания растворенного в нем кислорода, как рас-кислитель, имеющий большее химическое сродство к кислороду, нежели германий. При этом кислород выводится из расплава в составе шлака, а также связывается в кластерные структуры и в неактивной форме захватывается растущим кристаллом [7]. Микрофотографии протравленной на дислокации поверхности исследуемых образцов приведены на рис. 1. ИК-спектры кристаллов ОЧГ и ГМО оказались подобными. Пример их типичного спектра приведен на рис. 2, кривая 1. Он характеризуется наличием интенсивного пика с волновым числом 842,780 см-1, обусловленного присутствием в кристаллах оптически активного кислорода. М 1ш 4 4 *44 44 б Рис. 1. Микрофотографии поверхности монокристаллических образцов, *100: а - ГМО и ОЧГ с плотностью дислокаций ~ 2 500 см-2; б - бездислокационный кристалл а 130 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева По результатам расчета по формуле (1) содержание атомов кислорода в исследуемых кристаллах составляет (0,90.1,20)- 1016 см-3. кислородом среды. Оценим вероятность протекания взаимодействия германия с кислородом при температуре выращивания кристаллов германия 1273 К по величине AG i273 K реакции: Ge+02 = Ge02. (2) Можно показать, что для данной реакции AGj0273K составляет -334 995 Дж. В соответствии с законом действующих масс ^G1273K =~RT lnKp = RT lnP02(Ge02) (3) где P02 ^Ge02) - давление диссоциации Ge02, являющееся критерием сродства германия к кислороду. По результатам расчета по уравнению (3) значение 02 (Ge02) при 1273 K составляет 1,7610 атм. Рис. 2. ИК-спектры кристаллов германия: 1 - образцы ГМО и ОЧГ; 2 - малодислокационный германий; 3 - базовая линия Спектр бездислокационных кристаллов (рис. 2, кривая 2) отличается от рассмотренных отсутствием пика, отвечающего колебаниям связи Ge-0, что является следствием низкого содержания О2 на уровне чувствительности спектрометра < 0,201016 см-3. Полученные экспериментальные данные корелли-руют с результатами работы [6], в которой также изучались ИК-спектры бездислокационных кристаллов Ge р-типа. Исследования проводились на монокристаллах непосредственно после их выращивания, а также после отжига в вакууме при 10-8 атм и температуре 700 К. Полученные ИК-спектры приведены на рис. 3. Рис. 3. ИК-спектры бездислокационного германия, легированного галлием: 1 - до отжига; 2 - после отжига в вакууме при 700 К [6] Как следует из приведенных данных, кислородный пик в спектре бездислокационных кристаллов отсутствует, как и в нашем случае. Вместе с тем данный пик появляется после отжига кристаллов в вакууме, как следствие взаимодействия германия с остаточным Из этого можно сделать вывод о том, что в течение процесса выращивания монокристаллов Ge из расплава при парциальном давлении кислорода в газовой фазе, превышающем расчетную величину 1,76 10-14 атм (что соответствует содержанию кислорода в газе, равному 1,76-Ш-4 ppm, при давлении в системе 1 атм), будет протекать реакция окисления германия с образованием в расплаве гетерогенных включений Ge02, являющихся источником образования дислокаций, и, соответственно, будет наблюдаться нарушение структуры растущего кристалла. На основании проведенных исследований можно заключить, что плотность дислокаций и концентрация О2 в монокристаллах германия взаимосвязаны, причем, кислород является одним из факторов, определяющих структурное совершенство кристаллов.

About the authors

O. I. Podkopaev

Email: germanium@krasmail.ru

A. F. Shimansky

Email: shimanaf@mail.ru

P. S. Bychkov

Email: fiz-chim@mail.ru

V. V. Vahrin

Email: witus@mail.ru

References

Supplementary files