CC BY
61
УДК 681.7.036
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ КИСЛОРОДА В МОНОКРИСТАЛЛАХ ГЕРМАНИЯ
М. А. Грачёва1, Н. О. Голубовская2
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: [email protected]
Проведены исследования поведения кислорода в монокристаллах германия методом ИК-фурье спектрометрии. Концентрация кислорода в кристаллах рассчитана по высоте пика на волновом числе 843 см-1. Установлено, что содержание кислорода в германии изменяется от 0,21016 до 1,11016 см-3. Максимум кислородной полосы смещается на волновое число 856 см-1 при увеличении концентрации кислорода вследствие отжига монокристаллов германия в атмосфере с P02 < 10-3 Па.
Ключевые слова: монокристаллический германий, волновое число, ИК-спектрометрия.
INVESTIGATION OF OXYGEN BEHAVIOR IN GERMANIUM SINGLE CRYSTALS
M. A. Gracheva1, N. O. Golubovskaya2
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
2 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E -mail: [email protected]
Oxygen impurity in germanium single crystals has been characterized using Fourier transformed infrared spectrometry. The oxygen concentration in crystals was determined on optical density from the absorption band at 843 cm-1. It was established that oxygen dissolved concentration in germanium is variable from 0,21016 to 1,1 1016 сm-3. The oxygen band maximum shifts toward 856 cm-1 when its concentration increases under the influence of annealing in the oxygen containing atmosphere with < 10-3 Ра.
Keywords: germanium single crystals, wave number, IR-spectrometry.
К наиболее наукоемким и высокотехнологичным промышленным секторам, потребляющим монокристаллический германий с повышенными требованиями к структуре и содержанию примесей, принадлежит аэрокосмическая техника, где данный материал используется для создания преобразователей солнечной энергии в электрическую с высоким КПД, достигающим 40 %.
Наличие посторонних примесей и дислокаций затрудняет применение германия фотоэлектронике, так как они искажают кристаллическую решетку германия и снижают соответствующие свойства монокристаллов [1]. Одной из основных примесей в германии, определяющей образование микродефектов, является кислород. Концентрация кислорода в кристаллах германия, как правило, определяется по интенсивности ИК поглощения в максимуме полосы на волновом числе v, равном 856 cм-1, которое отождествляется c антисимметричными колебаниями v3 квазимолекулы Ge-O-Ge [2-5]. При этом содержание кислорода в германии составляет 1017 см-3. В недавних работах [6-8] показано, что колебаниям кислорода может отвечать полоса 843 см-1.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 2
В связи с противоречивым характером имеющихся результатов настоящая работа направлена на исследование растворенного в кристаллах Ge кислорода методом ИК-спектроскопии с использованием ИК-Фурье спектрометра Nicolet 380. В интервале волновых чисел от 800 до 1000 ст-1 для всех исследуемых образцов в ИК-спектре наблюдается лишь одна полоса, максимум которой при комнатной температуре отвечает волновому числу 843 см1, что иллюстрирует рис. 1. Данная полоса интерпретируется нами как «кислородная». По ее интенсивности относительно базовой линии определена концентрация кислорода в исследуемых кристаллах германия. Установлено, что концентрация кислорода в монокристаллах германия изменяется от 0,20-1016 до 1,101016 см-3.
0.8
1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700
-1
Wave number, cm
Рис. 1. ИК-спектры германия при температурах: 1 - 287 К, 2 - 313 К, 3 - 333 К, 4 - 353 К
На основании сопоставления результатов проведенных экспериментов с литературными данными [6-8] выдвинута гипотеза, согласно которой положение кислородного пика зависит от содержания кислорода в германии. Для подтверждения данной гипотезы были проведены исследования влияния диффузионного отжига кристалла Ое в газовой среде, содержащей кислород на положение «кислородного» пика в спектре поглощения. Установлено, что после проведения отжига в течение 4 часов происходит увеличение интенсивности пика на волновом числе 843 см-1, при этом концентрация кислорода увеличивается до 1,301016 см-3. Отжиг в течение 6-8 часов приводит к появлению новой полосы при 856 см-1, а концентрация кислорода увеличивается до 51016 см-3 (рис. 2).
п 0.60
0,58 0,56 0,54" 0,52" 0,50 0,48 0,46" 0,44 | 0,42 0,40" 0,38" 0,36 |
0,34
0,32 :_
920
Рис. 2. Ик-спектры германия после отжига при температуре 673 К в течение 6 (1) и 8 (2) часов
Таким образом, при возрастании концентрации кислорода более 1,301016 см-3 происходит появление полосы на волновом числе 856 см-1, интенсивность которой возрастает с увеличением содержания кислорода.
References
1. Depuydt B., Theuwis A., Romandic I. Materials Science in Semiconductor Processing. 2006. No. 9 (4-5), pp. 437.
2. Claeys Cor L., Simoen E. Germanium-based technologies: from materials to devices. Elsevier, Oxford. 2007. 449 p.
3. Taishi T., Ise H., Murao Yu., Osawa T., Suezawa M., Tokumoto Y., Ohno Y., Hoshikawa K., Yonenaga I. // J. of Crystal Growth. 2010. No. 312 (19), рр. 2783.
4. Khirunenko L. I., Shakhotsov V. I., Shinkarenko V. K., Vorobkalo F. M. Sov. Phys. Semicond. 1990. No. 24, рр. 663.
5. Pajot B., Clauws P. The Proceedings of the 18th International Conference on the Physics of Semiconductors. 1987. 911.
6. Inoue K., Taishi T., Tokumoto Y., Murao Y., Kutsukake K. // J. Appl. Phys. 2013. No. 113, рр.073501.
7. Pajot B., Clerjaud B. Optical absorption of impurities and defects in semiconducting crystals electronic absorption of deep centres and vibrational spectra. Springer, Berlin. 2013. 510.
8. K. Seref, I. Romandicb, A. Theuwisb. Materials Science in Semiconductor Processing. 2006. No. 9, рр.753.
© Грачёва М. А., Голубовская Н. О., 2015
