Получение монокристаллов германия с минимальным содержанием кислорода для наноэлектроники Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 621.315.592

О. И. Подкопаев ОАО «Германий», Россия, Красноярск

А. Ф. Шиманский, Н. О. Молотковская Сибирский федеральный университет, Россия, Красноярск

ПОЛУЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ С МИНИМАЛЬНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ КИСЛОРОДА ДЛЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Проведен термодинамический анализ процесса растворения в Ge остаточного кислорода, содержащегося в газовой фазе. Предложена схема установки для очистки газовой фазы от кислорода посредством высокотемпературного окисления в ней паров магния.

Монокристаллы германия с минимальным содержанием дефектов и примесей необходимы для нано-электроники в качестве подложек эпитаксиальных Аш_ву оптико-электронных структур, которые требуются для изготовления солнечных элементов на основе систем Оа1пР/Оа1пАБ/Ое, являющихся эффективными фотопреобразователями [1]. В последнее время особое внимание исследователей привлекает наличие кислорода в кристаллах ве и возможность образования в них преципитатов ве-О, а также гетерогенных включений веО2 в расплаве, затрудняющих бездислокационный рост монокристаллов [2]. Поскольку структурное совершенство монокристаллов ве и, соответственно, параметры полупроводниковых приборов, изготовленных на их основе, в значительной степени зависят от содержания примеси кислорода [О], современная технология должна обеспечивать низкую концентрацию [О] на уровне 1015 см-3 [3].

В связи с этим цель работы - термодинамический анализ взаимодействия остаточного О2, содержащегося в газовой фазе, с расплавом германия в процессе выращивания монокристаллов и поиск решения проблемы снижения в них концентрации кислорода.

В ходе выращивания кристалла германия температура расплава выше на несколько градусов точки его плавления 1 210 К. Поэтому термодинамический анализ взаимодействия О2 с ве выполнен при температуре 1 223 К в приближении, что из насыщенного раствора кислорода в германии выделяется низший оксид германия (веО) и его термодинамическая активность аоеО при насыщении раствора равна 1.

По результатам расчетов установлено, что давление кислорода над расплавом описывается уравнением

P>2(GeO) = 2,95.10-

• х2

Таким образом, для достижения требуемой концентрации кислорода в германии 1015 см-3 парциальное давление кислорода в газовой фазе должно быть ниже значения 1,5 • 10-18 Па.

Требуемое парциальное давление кислорода в среде выращивания монокристалла германия может быть достигнуто очисткой посредством высокотемпературного окисления в ней паров металла, имеющего высокое сродство к О2, например магния:

2Mg + O2 = 2 MgO,

ДО0.

= -946 990 Дж.

(2)

О , (1)

где ХО - мольная доля кислорода в расплаве германия.

Полученное уравнение позволяет определить давление кислорода над ненасыщенным раствором кислорода в германии при 1 223 К, исходя из его мольной доли в расплаве. Можно показать, что РО2(веО)

над германием, содержащим О2 в количестве, необходимом для получения кристаллов с концентрацией 1015 см-3 [О] составляет 1,5-10-18 Па.

Расчет по уравнению стандартного химического сродства с учетом значения ДО°173 реакции (2) приводит к величине парциального давления кислорода в газовой фазе над расплавом магния при температуре 1 223 К, равному 2,4 • 10-40 Па, что является достаточным для получения монокристаллов германия требуемого качества.

Предлагается следующая схема установки для очистки газовой фазы (например, аргона) от кислорода, основные узлы которой: баллон с аргоном 1, вакуумный кран 2, микровинт 3, камера испарения магния 4, рабочая камера 5, циркуляционный насос 6, вакуумный кран 7 (см. рисунок).

Можно заключить, что для достижения низкой концентрации кислорода в германии порядка 1015 см-3 парциальное давление кислорода в газовой фазе не должно превышать 1,53 • 10-18 Па. Требуемое парциальное давление кислорода в среде выращивания может быть достигнуто посредством высокотемпературного окисления в ней паров магния.

Библиографические ссылки

1. Dimroth F., Kurtz S. High efficiency multijunction solar cells / MRS Bull. 2007. 32 (3). Р. 230-235.

2. Czochralski-growth of germanium crystals containing high concentrations of oxygen impurities / Т. Taishi [et al.] // J. of Crystal Growth. 2010.

3. Claeys Cor L., Simoen E. Germanium-based technologies: from materials to devices. Elsevier, 2007. P. 449.

Решетневскце чтения

Схема установки очистки аргона от кислорода

O. I. Podkopaev JSC «Germanium», Russia, Krasnoyarsk

А. F. Shimanskiy, N. O. Molotkovskaya Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk

GROWTH OF GERMANIUM MONOCRYSTALS WITH THE MINIMUM CONTENT OF OXYGEN FOR A NANOELECTRONICS

A thermodynamic analysis of the dissolution process of oxygen in germanium during of crystal growth was carried out. The installation scheme for cleaning of the gas environment (for example, argon) from oxygen by means of high-temperature oxidation in pairs of magnesium was offered.

© Подкопаев О. И., Шиманский А. Ф., Молотковская Н. О., 2012

УДК 621.38

О. П. Пчеляков, А. К. Гутаковский, А. В. Латышев, В. М. Владимиров, Н. А. Паханов, В. В. Преображенский, М. А. Путято, Б. Р. Семягин Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Новосибирск

А. С. Паршин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

РАЗВИТИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

Создание высокоэффективных приборов микро-, нано- и фотоэлектроники на основе полупроводниковых наногетероструктур, состоящих из соединений III—V, выращенных на дешевых и прочных Б1-подложках, является одной из приоритетных задач современного полупроводникового материаловедения. Решение этой проблемы крайне важно и для развития высокоэффективной фотовольтаики.

Современные высокоэффективные солнечные элементы (СЭ) представляют собой сложные многослойные гетеросистемы с КПД до 40 % при интенсив-ностях солнечного излучения в несколько сотен солнц. Они состоят из трех основных /»-«-переходов выполненных из ве, InGaAs, 1пваР, соединенных по-

следовательно туннельными диодами. Поскольку эти материалы совместимы по постоянной кристаллической решетки, гетероструктуры для СЭ на их основе выращиваются в едином ростовом процессе на германиевом /-«-переходе-подложке или на арсениде галлия. В перспективе крайне желательно заменить доро-