Главная / Производство

Производство

Выращивание монокристаллов

Германий – свойства и применение

21

Среди различных материалов для инфракрасных приложений широко используется германий, хорошо пропускающий в диапазоне от 2 до 15 микрон. В частности, германиевые линзы также благодаря высокому показателю преломления являются незаменимыми компонентами для ИК-систем построения изображения, работающих в двух «атмосферных окнах»: 3-5 и 8-12 микрон.

Для изготовления оптических компонентов может использоваться как монокристаллический, так и поликристаллический германий. Ниже представлены основные свойства германия:

Физические свойства германия

Атомный номер

32

Атомный вес

72.6

Кристаллическая структура

Алмазная кубическая

Постоянная решётки при 25oC, A

5.657

Плотность (298 K), г/см3

5.323

Атомная плотность, атомов/см3

4.42 × 1022

Поверхностное натяжение, жидкая форма при температуре плавления, мН/м

650

Модуль разрыва, МПа
                        Фунты/Кв.Дюйм (ФКД)

72.4
1.05×104

Твёрдость по Моссу

6

Твёрдость по Викерсу, 25 г нагрузки, кг/мм2

746 (52 Ом×см)

Вязкость разрушения , МПа1/2

1.004 (плоскость разлома – 110)

Сопротивление тепловому удару, °C

125

Коэффициент Пуассона , 125-375 K

0.278

Термические параметры германия 

Температура плавления, oC

937

Точка кипения, oC

2830

Удельная теплоёмкость (0-100oC), кал/г×oC

0.074

Скрытая теплота плавлениякал/моль Дж/г

8100 466.5

Скрытая теплота парообразования, Дж/г

4602

Коэффициент линейного теплового расширения (293K), см/oC

6.1 × 10-6

Теплоёмкость, 25°C, Дж/(кг×K)

322

22

Рис. 1  Зависимость линейного теплового коэффициента расширения и 
           теплопроводности германия от температуры

Электронные свойства германия

Ширина запрещённой зоны (300 K), эВ

0.67

Концентрация собственных носителей (300 K), см-6

p, n=5.5 × 1026

Собственная дрейфовая подвижность (300 K), см2/на: 
электронов 
дырок


3800 
1820

Коэффициент диффузии (300 K ), см2/сек: 
электроны 
дырки


101 
49

Собственное сопротивление (300 K), Ом×см

52

Количество собственных электронов , см-3

2.12 × 1013

1 Ом×см (n-тип) соответствует, 10 15 /см-3

1.1

1 Ом×см (p-тип) соответствует, 10 15 /см-3

2.3

23

Рис. 2 Типичное пропускание германия оптического качества (толщина образца  2 мм)

24

Рис. 3 Типичный коэффициент поглощения германия

Германий имеет низкий коэффициент поглощения инфракрасного излучения в диапазоне длин волн от 2 до 12 микрон. Запрещённая зона германия величиной 0.67эВ является причиной увеличения поглощения в коротковолновом ИК-диапазоне. В дальнем ИК-диапазоне преобладает решёточное (фононное) поглощение.

При высокой температуре германий оптического качества имеет избыточное поглощение вследствие увеличивающегося количества термически генерированных дырок.

Поглощение на свободных носителях (электронах и дырках) и решёточное поглощение (фононное) являются причиной поглощения в оптическом ИК-диапазоне.

Показатель преломления германия 

λ, микроны

n( λ )

λ, микроны

n( λ )

2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
10.6
11.0 

4.1079
4.0653 
4.0446
4.0255
4.0170
4.0122
4.0092
4.0074
4.0067
4.0061
4.0056
4.0052
4.0048
4.0045

11.3
11.5
11.7
11.9
12.0
12.3
12.7
13.0
13.3
14.0
14.1
15.0
15.6
16.0

4.0043
4.0042
4.0041
4.0040
4.0039
4.0038
4.0036
4.0035
4.0034
4.0032
4.0031
4.0029
4.0027
4.0026

Для изготовления оптических компонентов обычно используется материал со следующими параметрами:

Ориентация

111

Отклонение от ориентации, угл. град.

≤ 2

Тип проводимости

n

Удельное сопротивление , Ом×см

5-40

Неоднородность показателя преломления, n

≤ 2 x 10-4

Плотность дислокаций, см-2

≤ 1 x 104

Пропускание образца толщиной 1 мм, %

≥ 46.8 на 10.6 микрон 
> 46.0 от 2.5 до 11 микрон

Коэффициент внутреннего рассеяния на 2.5 микрон, %

≤ 5

Возможно изготовление оптических компонентов различных форм: сферической, эллиптической, прямоугольной, плоскопараллельной, плосковыпуклой/плосковогнутой, менисковой, клиновидной, стержней.
Возможные габаритные размеры: от 2 мм до 250 мм для монокристаллов и до 300 мм для поликристаллов.

25

Рис.4 Спектральная зависимость коэффициента пропускания при различном легировании

26

Рис. 5 Растущий кристалл

27

Рис. 6 Внешний вид установок роста кристаллов

28

Рис. 7 Автоматическая система выращивания кристаллов

29

Рис. 8 Внешний вид камеры выращивания

30

Рис. 9 Монокристалл германия (слева) и поликристалл (справа)

31

Рис. 10 Измерение параметров

32

Рис. 11 Германиевая линза

 Метод выращивания монокристаллов германия и кремния

Немного найдет в мире фамилий, которые так часто повторяются в современной жизни, как имя профессора Яна Чохральского - польского исследователя-металлурга и ученого. По некоторым сведениям, 31-летний Ян Чохральский, работавший тогда в Берлине в Allegmenete Electricitats-Gesellschaft, случайно открыл свой знаменитый метод в 1916 году, когда уронил ручку в тигель с расплавленным оловом. Вытягивая ручку из тигля, он обнаружил, что вслед за пером тянется нить застывшего олова. Чохральский установил, что образующаяся таким образом металлическая нить имеет монокристаллическую структуру. Скорее всего, это очаровательная легенда. Но в экспериментах, проведенных Чохральским, были получены монокристаллы металлов размером около одного миллиметра в диаметре и до 150 см длиной. Чохральский изложил суть своего открытия в статье «Новый метод измерения степени кристаллизации металлов», опубликованной в немецком журнале «Zeitschrift für Physikalische Chemie» (1918).

Сегодня метод Чохральского — метод выращивания монокристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава с инициацией начала кристаллизации путём приведения затравочного кристалла заданной структуры и кристаллографической ориентации в контакт со свободной поверхностью расплава. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Получаемый монокристалл на исходной затравке постепенно вытягивают из расплава. При выращивании монокристалла, согласно принципу Неймана, его внешняя форма определяется взаимодействием симметрии вещества и симметрии внешнего поля. В результате взаимодействия теплового поля, поверхностного натяжения, вращения слитка, растущий кристалл имеет внутреннюю симметрию, присущую данному веществу, но внешняя форма будет цилиндрической. Кристалл и фронт кристаллизации в процессе получения не имеет контакта с тиглем, что обуславливает высокое качество и чистоту. Поверхность расплава доступна для выполнения различных технологических приемов (легирование, подпитка), возможно прямое наблюдение за процессом и вмешательство вплоть до повторения процесса в случае неудачного начала. Расплав в тигле нагревают, как правило, извне большей частью резистивным способом. Вследствие этого в расплаве температура понижается от периферии к центру — возникает радиальный градиент температуры, а за счет отвода тепла растущим монокристаллом — осевой градиент.

Для выращивания монокристаллов с совершенной структурой и формой необходимо соблюдение очень жестких требований к симметрии теплового поля, постоянству температуры во времени и т. д. Это достигается, во-первых, устройством теплового узла установки для выращивания, во-вторых, вращением растущего монокристалла и тигля с расплавом в разные стороны и регулированием температуры нагревателей. Скорость роста в основном лимитируется теплоотводом от фронта кристаллизации.

33

Рис. 12 Численное моделирование условий роста кристаллов

Этими методами выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды, халькогениды, вольфраматы, ниобаты и другие вещества. Метод наиболее известен применительно к выращиванию монокристаллического кремния и монокристаллического германия.

Производство по выращиванию монокристаллов германия в Лыткарино

С начала апреля 2017 года компания ООО «Инфракристалл» модернизировала и запустила установки по производству монокристаллов германия (Ge) и кремния (Si) методом Чохральского, внедрены передовые технологии получения монокристаллов германия с повышенной однородностью монокристаллов.

Организовано производство с полным циклом, учитывая переработку собственных отходов. Компанией ведется проработка таких направлений, как получение кристаллов германия с повышенной однородностью диаметром до 500 мм.

Из полученных монокристаллов оборудование и технологии компании позволяют изготавливать асферические линзы, которые в последствии применяются при изготовлении линейки ИК-объективов под брендом «АСТРОН», тем самым удешевляя при неизменно высоком качестве стоимость для конечного потребителя. При изготовлении асферики используются лучшие образцы зарубежного оборудования фирмы Optotech (Германия).

В основе работы ООО «Макрооптика» лежат многолетние научные исследования, высокотехнологичное современное оборудование и незаменимый опыт, сосредоточенный в руках наших специалистов.

Высокий уровень качества выпускаемой продукции подтверждается сертификатами соответствия системы менеджмента качества внедренных на нашем предприятии и стандартам ISO9001:2008, ГОСТРВ15.002-2003, ГОСТРИСО9001:2008, а также премиями, дипломами и наградами.

34

Рис. 13 Реконструкция исторического открытия Чохральского

35

Рис. 14 Информация о Яне Чохральском

36

Рис. 15 Прогресс в области выращивания кристаллов за полвека

О истории становления германиевой промышленности в мире и СССР можно прочитать здесь.

Продукция

«ИнфраКристалл» производит монокристаллы кремния и германия. Обращаем Ваше внимание на то, что мы поставляем кристаллы как в необработанном виде, так и готовые, полированные компоненты.  Наши инженеры со средним стажем работы в данной области более 30-ти лет могут производить высококачественные кристаллы для Ваших нужд. Особое внимание мы уделяем вопросам качества выращиваемых кристаллов. Мы предлагаем гибкие, конкурентные цены за высококачественную, профессионально изготовленную продукцию и надежные своевременные поставки. Предприятие имеет квалифицированный персонал, обеспечивающий поставку готовой продукции как в разные регионы России, так и на экспорт. 

Монокристаллы германия предназначены, в основном, для ИК-применений. Выращивание монокристаллов германия для оптических изделий ведется из расплава методом Чохральского на установках типа «Редмет-30». Выращиваемые кристаллы имеют плотность дислокаций на уровне 5102- 103 см-2.

Последнее время стал бурно развиваться рынок подложек для электронной техники, в частности для изготовления солнечных элементов космического назначения. Солнечные элементы на германиевых подложках с использованием полупроводниковых материалов на основе систем InGaP/InGaAs/Ge, используются для бортовых источников питания космических спутников. Материал для таких подложек должен иметь совершенную кристаллическую структуру, так как многие дефекты структуры (дислокации, малоугловые границы, линии скольжения и т.д.) при эпитаксии наследуются растущим слоем. Это в свою очередь снижает качество, эффективность и долговечность формируемых на основе эпитаксиальных слоев электронных приборов. Такая подложка должна быть бездислокационной или иметь минимальную (<102см-2) плотность дислокаций при отсутствии малоугловых границ и линий скольжения.

Нам удалось разработать и заложить основы промышленной технологии получения бездислокационных монокристаллов германия диаметром до 100 мм. Перед нами сейчас стоят задачи сделать технологию выращивания кристаллов больших диаметров, сделать технологию воспроизводимой и стабильной.

pu