КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 2, с. 234-238
РЕАЛЬНАЯ СТРУКТУРА КРИСТАЛЛОВ
УДК 548.5
МАЛОУГЛОВЫЕ ГРАНИЦЫ В ГЕРМАНИИ1
© 2004 г. И. А. Каплунов, А. И. Колесников
Тверской государственный университет E-mail: ivan.kaplunov@tversu.ru Поступила в редакцию 26.02.2003 г.
Рассмотрены возможные механизмы образования дислокационных дефектов - малоугловых границ - в монокристаллах германия, используемых в оптике.
ВВЕДЕНИЕ
Распределение дислокаций в объеме монокристаллов в значительной степени определяется процессами движения и взаимодействия дислокаций в поле напряжений. В условиях ограниченных пробегов может происходить микрораспределение дислокаций в локальных областях кристалла, приводящее к образованию характерных расположений - полос скольжения, малоугловых границ и т.д. [1-5]. Малоугловые границы значительно снижают структурное совершенство монокристаллов, что делает невозможным их применение для изготовления подложек радиационностойких фотоэлектрических преобразователей, где необходимы малодислокационные монокристаллы германия без двумерных линейных структурных дефектов. Малоугловые границы ухудшают оптические свойства монокристаллов - предположительно они являются одной из основных причин рассеяния инфракрасного излучения в монокристаллах германия [6]; и в итоге могут приводить к прямой поликристаллизации при росте слитков.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЗУЛЬТАТЫ
В работе исследовались малоугловые границы в монокристаллах оптического германия, выращенных различными способами в различных кристаллографических направлениях с отличающейся геометрией самих слитков и фронта кристаллизации (ФК).
На рис. 1 представлена зависимость длины малоугловых границ (Ь) в сечении, перпендикулярном направлению роста, от высоты монокристаллов германия (й), полученных методами Степанова и Чохральского. Наблюдается тенденция увеличения общей длины малоугловых границ с увеличением линейных размеров кристаллов, выращенных с вогнутым в кристалл ФК (кривые 1 и
1 Работа была представлена на Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2002, Москва).
2). Для монокристалла с выпуклым в расплав ФК (кривая 3) длина малоугловых границ практически не изменяется. Поскольку исследуемые монокристаллы имели разные диаметры, то более точную сравнительную характеристику можно провести путем построения зависимости плотности малоугловых границ в сечении (площадь сечения - 5) от высоты кристаллов (рис. 2). Минимальная постоянная плотность малоугловых границ характерна для кристаллов с выпуклым в расплав ФК, получаемых способом Чохральско-го. Монокристаллы, полученные методом Степанова, имеют значительно большее значение плотности малоугловых границ; рост плотности наблюдается на начальной по высоте части слит-ка.Анализ распределения малоугловых границ также проводился на крупногабаритных кристаллах германия, имеющих форму диска и полученных способом направленной кристаллизации. На рис. 3 показана типичная зависимость средней по сечению величины плотности малоугловых границ для кристаллов диаметром 200 мм, которая характеризуется значительным ростом по высоте кристалла. Величина плотности малоугловых
Ь, мм
h, мм
Рис. 1. Зависимость общей длины Ь малоугловых границ в сечении от высоты й кристаллов, полученных по способу Степанова, вогнутый в кристалл ФК (1), Чохральского, диаметр 43 мм, вогнутый в кристалл ФК (2), Чохральского, диаметр 48 мм, выпуклый в расплав ФК [9] (3).
к, мм
Рис. 2. Зависимость средней по сечению плотности Ь/Б малоугловых границ от высоты к кристаллов, полученных по способу Степанова, вогнутый в кристалл ФК (1), Чохральского, вогнутый в кристалл ФК (2), Чохральского, выпуклый в расплав ФК (3).
границ в этом случае примерно на порядок ниже, чем для монокристаллов, полученных вытягиванием из расплава способом Степанова.
Во всех исследуемых кристаллах распределение малоугловых границ по сечению, размеры малоугловых границ различались, что объясняется механизмами образования границ при выращивании монокристаллов германия из расплава.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Известно несколько механизмов образования малоугловых границ. Ряд авторов связывает образование малоугловых границ при выращивании монокристаллов германия с процессами полигони-зации - перестройки дислокаций из линий скольжения в стенки (малоугловые границы) [1-5].
Существует точка зрения образования малоугловых границ под влиянием поля термических напряжений в растущем монокристалле. Причина образования малоугловых границ при таком рассмотрении - миграция подвижных дислокаций под воздействием термических напряжений в области монокристалла, где их уровень близок к нулю [4, 5, 7].
Образование малоугловых границ также связывают с механизмом роста [2, 8]. В этом случае рассматривается поверхность раздела (ФК), на которой образуется несколько двумерных зародышей, расположенных в разных местах. Если слои, растущие от разных зародышей, к месту встречи подойдут несколько разориентирован-ными, образуются дислокации; дислокации будут образовывать малоугловые границы, расположенные в плоскостях, параллельных направлению выращивания. Если к месту встречи участки монокристалла, растущие от разных зародышей, подойдут с одинаковой ориентацией, дислокации образовываться не будут. Ориентации участков, растущих от разных зародышей, зависят от степе-
Ш, см-1
к, мм
Рис. 3. Зависимость средней по сечению плотности Ь/Б малоугловых границ от высоты к для кристаллов германия диаметром 200 мм.
ни совершенства поверхности - наличия и количества дислокаций.
Изучение характера распределения малоугловых границ в исследуемых кристаллах показало, что механизм их образования может быть разным и зависит от температурных условий и метода выращивания.
Способ Степанова. Для монокристаллов, полученных способом Степанова в кристаллографическом направлении (111), характерна высокая плотность малоугловых границ, определяемая соотношением Ь/Б. Они преимущественно располагаются в областях сечения, образованных "неявными" гранями. Малоугловые границы, направленные по направлению (112) от неявных граней, являются следствием роста кристалла от двумерных зародышей, образовавшихся в области "явных" граней, что предопределяется вогнутым в кристалл ФК. Малоугловые границы имеют вид не четких прямых линий, они размыты и состоят из параллельных, плотно примыкающих нескольких стенок. Монокристаллы, выращенные таким способом, имеют значительно вогнутый в кристалл ФК, поэтому можно предположить, что на фронте кристаллизации зародыши могут образовываться не только у боковой поверхности около явных граней, но и на некотором расстоянии от боковой поверхности - на ступеньках плоскостей {111}, появляющихся при большой кривизне ФК. Такое расположение двумерных зародышей может привести к образованию дополнительных, небольших по протяженности малоугловых границ со всевозможными направлениями. Суммарное количество малоугловых границ в этом случае достаточно велико, что подтверждается экспериментальными результатами. В целом можно заключить, что основным механизмом образования малоугловых границ в монокристаллах, выращенных способом Степанова, является механизм связанный с зародышеобразо-ванием.
(б)
(а)
Ш-'Ш
Рис. 4. Расположение малоугловых границ по сечению кристаллов, выращенных в направлениях (111) (а), (100) (б).
Можно отметить, что механизм образования малоугловых границ путем полигонизации для всех исследованных кристаллов неприемлем, поскольку в монокристаллах не наблюдалось наличия явно выраженных линий скольжения.
Способ Чохралъского. Монокристаллы, полученные способом Чохральского, при близких геометрических размерах были выращены приблизительно в одинаковых температурных условиях, но различались геометрией фронта кристаллизации - радиусом кривизны и кристаллографическими направлениями выращивания - (111) и (100). Картина распределения малоугловых границ по сечению кристаллов, величина плотности малоугловых границ указывают на то, что образование малоугловых границ связано как с механизмом роста, так и с полем термических напряжений в кристаллах. Монокристаллы с вогнутым в кристалл ФК имеют такой же характер расположения малоугловых границ, как и в кристаллах, полученных способом Степанова, что обусловлено ростовым механизмом образования малоугловых границ. Основная картина размещения малоугловых границ в сечении кристалла - прямые линии, располагающиеся в трех плоскостях {110} (параллельных оси роста монокристалла) и составляющие с направлением роста угол 19°28'. Вид малоугловых границ такого типа представлен на рис. 4а. По мере увеличения длины слитка малоугловые границы разрастаются - увеличивается количество боковых ответвлений - и в итоге занимают практически все сечение кристалла.
Характер расположения малоугловых границ в монокристалле, выращенном в направлении (100), представлен на рис. 46. Максимальная концентрация границ четко наблюдается в восьми областях на периферии слитка. Появление и развитие малоугловых границ в данном случае можно связать с наличием восьми начальных центров кристаллизации и ростом от них отдельных слоев на ФК. В целом анализ структуры кристаллов,
выращенных в направлении (100), показал, что наличие и развитие малоугловых границ в отдельных участках приводит к значительной разо-риентации участков и в дальнейшем - к быстрой поликристаллизации. В отличие от этого, исследования показывают, что в кристаллах с кристаллографическим направлением (111) может наблюдаться очень высокая плотность малоугловых границ без явно выраженного перехода к поликристаллизации.
В монокристаллах с выпуклым в расплав ФК, выращенных в направлении (111), появления и развития малоугловых границ в областях неявных граней не наблюдается. Картина расположения малоугловых границ по сечению в этом случае не носит кристаллографических особенностей. Плотность (длина) малоугловых границ здесь минимальна и остается практически постоянной. Если учесть, что ростовой механизм образования малоугловых границ отсутствует, а малоугловые границы в кристалле наблюдаются, то наиболее вероятным объяснением этог
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.