1.3.Застосування германію в напівпровідниковій електроніці

В 1945 році германій послужив матеріалом для створення крапкового діода, в 1948–для транзистора, а в 1950 році шляхом змінного легування були вирощені p-n-переходи (сплавні діоди). Після засвоєння епітаксійної технології з’явились можливості для отримання високоякісних приладів. Зараз германій використовують для виготовлення тензодавачів і для параметричних діодів. На основі германію, сильно легованого галієм, виготовляють тунельні діоди.

2. Метод витягування монокристалів германію із розплаву по Чохральському

Найбільш досконалі монокристали германію отримані витягуванням по методу Чохральського з тигля, в якому знаходиться розплав при температурі, близькій до температури кристалізації германія (937⁰С). На рис.1 представлена схема установки для витягування монокристалів германія.

1. Т римач затравки

2. Монокристалічна затравка

3. Перетяжка

4. Манокристал заданого діаметру

5. Розплав

6. Тигель

7. Підставка для тигля

8. Нагрівач

В теперішній час застосовуються установки з нагрівом тигля з германієм графітовим нагрівачами опору. Це пояснюється більш простою системою регулювання до автоматизації нагріву опором. Плавильні камери установки виготовляють із металу, причому кожух охолоджується водою. Робоча атмосфера для плавки германія – вакуум у межах 1*10^-3 – 1*10^-7 мм.рт.ст., очищений водень або захисні інертні гази.

Процес витягування монокристалів із розплаву зводиться до наступного. Орієнтована монокристалічна затравка (напрямок росту співпадає з напрямком <111>) опускається згори в розплав, який знаходиться в графітовому тиглі. Монокристали, з яких вирізаються затравки, не повинні мати високу концентрацію дислокацій, малокутових границь і скупчень дислокацій, а питомий опір затравки не повинен бути нижче питомого опору кристалу, що витягується. Перед загрузкою германій травлять в 10%-му розчині перекису водню для очистки від забруднень і оксидної плівки. Підготовлена загрузка германію до 3-4 кг розташовується в тиглі з допомогою пінцету з оргскла. Вакуумний ковпак установки опускається й проводиться відкачка до тиску менше 1*10^-3 мм.рт.ст., після чого робоча камера заповнюється аргоном. Після розплавлення германію вмикається обертання тигля, швидкість обертання зазвичай знаходиться в межах 6-18 об/хв., швидкість підйому затравки 1-2 мм/хв. До вирощування монокристалу затравка опускається в розплав на 1-2 мм., підплавлюється і після встановлення режиму кристалізації вмикається механізм підйому затравки. Температура розплаву підтримується дещо вищою за температуру плавлення, що приводить до підплавлення нижньої частини затравки, що дотикається до розплаву. Пониження температури розплаву і підняття затравки призводять до росту з розплаву монокристалу, причому кристал "виводиться на діаметр" і надалі температурний режим повинен забезпечувати ріст кристалу сталого діаметру. Переріз затравки становить 1-2 мм², а переріз монокристалу германію приблизно 1000 мм² (діаметр 30-35 мм²). В окремих випадках цим способом вирощуються монокристали біля 150 мм в діаметрі і масою в декілька кілограмів. Після плавного виведення кристалу на необхідний діаметр відбувається процес росту монокристалу сталого діаметру. Наприкінці процесу діаметр злитка плавно зменшується, кристал відривається від розплаву і піднімається на висоту 20-30 мм над розплавом.

За характером розподілу домішок процес витягування з розплаву цілком аналогічний процесу напрямленої кристалізації. Основна частина домішок (К <1) концентрується в нижній частині монокристалу. Велике значення для отримання рівномірного розподілу домішок по довжині кристала з досконалою структурою має форма фронту кристалізації – поверхні розділу між розплавом і кристалом, що росте. Як опуклий, так і увігнутий фронт кристалізації в значній мірі погіршують структуру кристала.

Намагаються створити теплові режими, які забезпечують плоский фронт кристалізації. Це досягається регулюванням положення тигля в нагрівачі, екрануванням нагрівача, зміною швидкості росту кристала і швидкості відводу теплоти через затравку.