4.4. Дефекты структуры кристаллов германия и связь их образования с ростовой кинетикой

Для исследований дефектов структуры, а также связанных с ними оптических аномалий в кристаллах германия, полученных при различных условиях роста способом Чохральского (рисунок 4.22), были изготовлены образцы, вырезанные из буль, сориентированные на рентгеновском дифрактометре ДСО2В2, отшлифованные и отполированные по максимально высоким классам чистоты.

Центральные - приосевые области образцов соответствовали плоским участкам фронтов, на которых зафиксированы выходы плоских сингулярных граней {111}, и которые были сформированы при послойном механизме роста.

Рисунок 4.22 - Выращенные монокристаллы германия диаметром 100-150 мм

после отделения верхнего и нижнего конусов

Рисунок 4.23 - Исследовательские образцы германия диаметром 39 мм

Для исследования связи образования дислокаций с условиями роста кристаллов производилось селективное химическое травление. Травление проводилось в кипящем водном растворе железосинеродистого калия (80 г/л) и KOH (120 г/л) в течение 2-3 минут с последующей промывкой горячей водой. Изображение протравленных поверхностей с образовавшимися дислокационными ямками на кристалле германия выращенном способом Чохральского, представлено на рисунке 4.24.

Рисунок 4.24 - Изображения поверхности монокристалла германия с ямками дислокационного травления (увеличение, слева направо) ?30, ?70 и ?230

Исследования дислокационной структуры оптических монокристаллов германия показывают, что в них присутствуют дислокации, дислокационные дефекты (малоугловые границы, линии скольжения).

На рисунках 4.25 и 4.26 представлены полученные в результате статистической обработки изображений протравленных поверхностей и подсчета плотности дислокаций Nj данные о распределении дислокаций по высоте H и по радиусу г, соответственно.

Их анализ приводит к следующим закономерностям:

• Высокая величина плотности дислокаций на нижней части слитков и прилегающих областях (кривые 5 и 6) объясняется "термическим ударом" при отрыве от расплава.

Рисунок 4.25 - Распределение плотности дислокаций Nj по высоте H монокристаллов германия, выращиваемых способом Чохральского

Рисунок 4.26 - Распределение плотности дислокаций Nj по радиусу кристалла г

• Несколько повышенная величина плотности дислокаций и неоднородное распределение их по сечению для верхней части кристалла (кривая 1); причина заключается в неоднородности температурного поля при смене режимов выращивания.

• На средних по высоте сечениях дислокации наиболее равномерно распределены; величина плотности дислокаций минимальна.

• Наблюдается неравномерность в распределении дислокаций по сечению - максимальные значения величины плотности дислокаций наблюдаются в объемах, сформированных округлыми участками фронта кристаллизации при нормальном механизме роста.

Исследования распределения плотности дислокаций по сечению кристаллов показали наличие секториальности, определяющейся кристаллографической особенностью выращивания монокристаллов: все монокристаллы выращивались в направлении . На рисунке 4.27 эта секториальность хорошо заметна: плотность дислокаций в пирамидах тангенциального роста сингулярных граней {111} по крайней мере на порядок ниже, чем в несингулярных участках, сформированных округлым фронтом кристаллизации при росте по нормальному механизму.

Рисунок 4.27 - Секториальное периодическое распределение дислокационных ямок травления на кристалле германия, выращенном способом Чохральского в направлении {111}, в различных срезах, ортогональных оси вытягивания

C целью установления возможной корреляции между периодичностями неровностей рельефа поверхностей кристаллов германия и плотностью дислокаций, генерируемых в процессе роста, в настоящей работе было проведено селективное химическое травление кристаллов, полученных способом Чохральского. Важной особенностью опытов по выявлению дислокаций было то, что травлению подвергались необработанные кристаллы с ювенильной поверхностью. При этом не проводилась обычно применяемая предварительная химическая полировка, поскольку она могла бы существенно сгладить и исказить изначальный профиль поверхностей.

Анализ полученных изображений свидетельствует о том, что на кристаллах германия проявляется достаточно чёткая корреляция между периодичностями неровностей профиля и периодичностями распределения ямок травления, причем на кристалле, полученном направленной кристаллизацией эта связь имеет более выраженный характер. Это можно заметить на представленных снимках, не прибегая к подсчёту ямок. Максимумы плотности дислокаций соответствуют выступам профиля, минимумы - впадинам на кристаллах обоих типов. Такое распределение дислокаций с теоретической точки зрения вполне закономерно, поскольку именно выступы рельефа соответствуют наиболее высокой скорости кристалла и, следовательно, наиболее интенсивному захвату примесей.

Установлена корреляция между распределением дислокаций в радиальном направлении и неровностями профиля на кристаллах германия, получаемых направленной кристаллизацией, а также между распределением дислокаций в направлении оси вытягивания и неровностями профиля на боковой поверхности кристаллов германия, выращиваемых по Чохральскому. Максимумы плотности дислокаций зафиксированы на выступах профиля, минимумы - во впадинах.

Рисунок 4.28 - Боковая поверхность кристалла германия, выращенного способом Чохральского, с дислокационными ямками травления.

Поскольку максимальное количество ямок травления наблюдается в местах с наибольшей высотой неровностей профиля, меры технологического характера, направленные на подавление по крайней мере самых больших колебаний температуры на фронте кристаллизации, могут способствовать заметному улучшению структурного и оптического качества кристаллов германия.

Влияние кинетики кристаллизации на оптические характеристики кристаллов германия, выращиваемых способом Чохральского, было также исследовано путем измерения чрезвычайно чувствительной к структурному качеству материала характеристики - оптическому пропусканию Т. Действительно, согласно [9, 10, 19, 63], эта величина может заметно снижаться в кристаллах с высокой плотностью дислокаций, с неравномерными по объему концентрациями фоновых и легирующих примесей, с МУТ (малоугловыми границами), с проявлениями блочности и наличием двойников. Указанные

дефекты структуры вызывают остаточные механические напряжения, а те, вследствие эффекта фотоупругости приводят к рассеянию света на неоднородностях и к искажениям волновых фронтов из-за вариаций показателей преломления. Для измерений пропускания в настоящей работе использовались образцы с одинаковой толщиной 20 мм, но изготовленные из кристаллов, вытянутых из расплава при различных скоростях (рисунок 4.29).

Рисунок 4.29 - Спектры пропускания монокристаллов германия толщиной

20 мм, вытянутых спсобом Чохральского при различных скоростях: 1 -

0,2 мм/мин, 2 - 0,5 мм/мин, 3-1 мм/мин

Снижение коэффициента пропускания T с теоретически максимального значения 46% (для длины волны λ = 10,6 мкм), зафиксированного у кристалла, вытянутого с минимальной скоростью 0,2 мм/мин, при которой реализуется послойный механизм роста грани (Ill) до 42%, измеренного у кристалла, вытянутого с максимальной скоростью 1 мм/мин, подтверждают явную

зависимость структуного и оптического качества германия от типа кинетики, преобладающей во время роста кристаллов.

Основные результаты и выводы к главе 4

• Изучена морфология крупногабаритных (диметром до 85 мм) монокристаллов парателлурита в зависимости от скоростей роста и переохлаждений расплава, установлены закономерности в огранении кристаллов, выявлены сингулярные грани с индексами, проявляющимися при приближении условий роста к равновесным.

• Исследована морфология крупногабаритных (диаметром до 150 мм) кристаллов германия, выращенных способом Чохральского.

• В микроморфологии боковых поверхностей кристаллических буль германия и парателлурита отражены флуктуации температуры, в том числе, соответствующие временам периодического обращения вихрей переохлажденного расплава.

• Подтверждена асимметрия процессов кристаллизации и плавления, выраженная в различиях модулей радиальной скорости роста при одинаковых отклонениях температуры от равновесной.

• Методами селективного травления, с помощью методов РЭМ, АСМ, спектрометрии и коноскопии установлена связь между плотностями дислокаций и других дефектов структуры и оптических аномалий со скоростями роста кристаллов парателлурита и германия. Минимальные плотности дислокаций IO²-IO³см^-2, а также других дефектов структуры зафиксированы в объемах кристаллов обоих типов, сформированных при послойном механизме роста.

• C помощью установленных в работе закономерностей кинетики роста произведена корректировка технологий получения кристаллов, в результате чего выращены образцы парателлурита и германия с заметно улучшенными структурными и оптическими характеристиками.