Кислород в монокристаллах германия

Исходное сырье для выращивания монокристаллов - германий поликристаллический зонноочищенный - получают по хлоридной технологии, которая не позволяет обеспечить содержание кислорода в германии менее (1- 2)∙10¹⁶cm^³ [214].

большинстве случаев вредной, примесью (если не попадает в германий на стадии изготовления из него электронных приборов; например, при термообработке, окислении и др.). Концентрация кислорода в монокристаллах зависит от способа выращивания, среды процесса, материалов тигля и оснастки. Кислород в германии, как правило, является атомарной междоузельной, оптически активной примесью. Несмотря на высокую растворимость кислорода в твердом германии (до ~ 2,2∙ IO¹⁸см'¹ при температуре плавления), примесь не приводит к увеличению концентрации свободных носителей заряда, и является электрически нейтральной.

Анализ комплексов, образуемых кислородом в германии, предполагает наличие структур в виде квазимолекулы Ge-O-Ge₅а также различных преципитатов состава GeO_x, размеры, концентрация, форма которых зависят от общей концентрации кислорода, условий выращивания, термоообработки [111, 122, 215, 216]. Отжиг германия при температуре выше ~ 600 К приводит к активному образованию таких преципитатов, в том числе, влияющих на электропроводность (преципитаты, в основном, донорного типа; так называемые «термодоноры»). Образование преципитатов обычно сопровождается генерацией межузельных атомов германия, которые в зависимости от условий термообработки образуют дефекты структуры типа дислокационных петель или дефектов упаковки.

Рассмотрение поведения кислорода в германии предусматривает расчет и экспериментальную оценку процессов колебаний атомов квазимолекулы Ge-O-Ge [Ill₅ 122, 215]. Квантово-механические расчеты колебаний межузельных атомов кислорода [215] показывают наличие полосы поглощения в диапазоне частот 843-849 см'¹.

исследования показывают наличие основных полос поглощения 856 и 1264 см'¹, обусловленных примесью кислорода [1]. Полоса 856 см'¹ является наиболее интенсивной и ассоциируется с антисимметричными колебаниями трехатомной молекулы GeCh [I₅ 111]. Эксперименты по выращиванию бездислокационного германия при регулируемой концентрации кислорода также выявили полосу поглощения 856 см'¹[217]. В работе [218] показано, что полоса 865 см'¹ обусловлена антисимметричными колебаниями. Исследования оптических свойств бездислокационного германия [219], определили полосу поглощения 841 см'¹ как следствие наличия кислорода. В [220] объяснили частоту 843 см'¹ влиянием кислорода на поглощение при концентрации менее IO¹⁶см'³ в кристаллах, а затем выдвинули гипотезу, о том, что в зависимости от концентрации, «кислородная» полоса поглощения может находиться в диапазоне 841-861 см'¹[112].

Результаты наших исследований спектрального пропускания германия (рис. 5.1) с разным типом и природой примесей показывают наличие «кислородной» полосы поглощения на частоте 841 см'¹. Монокристаллы выращивались в вакууме (~ (0.5÷1.0)-10^⁴мм.рт.ст.) (кроме германий-висмут) в графитовой оснастке, что обеспечивало концентрацию кислорода менее IO¹⁵Cm'³.Характерно, что (таблица 5.1) концентрация и вид примеси не влияет на положение максимума «кислородной» полосы поглощения.

Выполнены спектральные исследования монокристаллов германия с высоким содержанием кислорода; параметры и полученные спектральные зависимости приведены в таблице 4.2 и на рисунке 4.2, соответственно. На частоте 855 см'¹ четко фиксируется интенсивный пик поглощения, амплитуда которого растет с увеличением концентрации кислорода. На спектре образца 1, концентрация кислорода в котором выше, чем для образцов, выращенных в вакууме, обнаружено 2 пика: на частоте 841 см'¹, характерной для германия с низкой концентрацией кислорода, и на частоте 855 см'¹ начинается формирование второго пика, характерного для германия с высокой концентрацией кислорода.

Таблица 4.2. Характеристики кислородосодержащих монокристаллов германия

Содержание оптически активного кислорода в монокристаллах германия определяет положение максимума соответствующей полосы решеточного поглощения и величину коэффициента ослабления в полосе.

Для низкой концентрации кислорода, характерной для монокристаллов, выращиваемых в вакууме (менее IO^bсм'¹), полоса поглощения соответствует частоте 841 см'¹. Для монокристаллов германия с высоким содержанием кислорода (IO^lb-IO¹⁷см'¹) наблюдается интенсивная полоса поглощения с максимумом при 855 см’¹. Для переходных концентраций обнаружено наличие сразу 2-х пиков поглощения в монокристаллах, максимумы которых соответствуют частотам 841 см'¹ и 855 см'¹. Определены численные значения коэффициентов ослабления в полосах, что важно для расчёта оптических элементов.

Рис. 4.2. Спектральные зависимости пропускания «кислородных» монокристаллов германия (стрелками показаны максимумы фононных полос поглощения с указанием соответствующих волновых чисел)

4.2.