Спосіб легування кристалів znse<te> рідкісноземельними елементами

Реферат: Спосіб легування кристалів ZnSe рідкісноземельними елементами включає відпал -4 напівпровідникових пластин у вакуумованій до 10 Торр кварцовій ампулі при температурі 1400±10 K. Відпал пластин ZnSe товщиною d проводять у присутності елементарного селену та подрібненого рідкісноземельного металу (ітербію або гадолінію) протягом часу ta, 6 2 який розраховується за формулою ta4·10 ·d , с, де d – вимірюється в см. UA 107292 U (54) СПОСІБ ЛЕГУВАННЯ КРИСТАЛІВ ZnSe РІДКІСНОЗЕМЕЛЬНИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ UA 107292 U UA 107292 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області технології виготовлення напівпровідникових матеріалів, призначених, зокрема, для використання у силовій оптиці інфрачервоного діапазону. Селенід цинку є унікальним матеріалом для інфрачервоної (ІЧ) силової оптики внаслідок високої температури плавлення, стійкості до дії атмосфери, механічної міцності та значного (5060 %) пропускання у широкому інтервалі довжин хвиль λ=0,5-20 мкм [1]. Крім того, особливістю ZnSe є також його прозорість у видимому діапазоні, що суттєво спрощує юстирування оптичних систем з елементами на базі цього матеріалу порівняно з аналогічними на основі Ge, GaAs і CdTe. Зауважимо, що високі оптичні характеристики притаманні лише високочистому монокристалічному ZnSe, який, на жаль, має низьку стійкість до дії різних типів іонізуючих випромінювань і потужних лазерних потоків. Її можна суттєво підвищити шляхом введення в матеріал ізовалентної домішки, що було успішно реалізовано для кристалів ZnSe, які характеризуються високими термічною і радіаційною стійкостями, а також часовою стабільністю [2]. Недоліком таких кристалів є практично нульове пропускання при 6 мкм, що унеможливлює їх використання в одних з найбільш поширених системах силової ІЧ-оптики, які містять СО2-лазер (m=10,6 мкм). Таким чином, пошук способів збільшення прозорості кристалів ZnSe, в околі робочої довжини хвилі m при збереженні їх термічної та радіаційної стійкостей є актуальною науково-технічною задачею. Одним із шляхів вирішення даної проблеми - "очищення" матеріалу введенням у нього відповідних домішок, зокрема рідкісноземельних елементів. Основним недоліком відомого способу "очищення" селеніду цинку шляхом легування кристалів "томами ітербію (Yb) у процесі росту [3] є принципова неможливість його використання для уже вирощених реальних кристалів будь-якого напівпровідникового матеріалу, у тому числі й ZnSe. Цього позбавлений метод дифузії [4], який дозволяє створювати леговані області будь-якої площі та товщини, у тому числі усього об'єму підкладинки. Найближчим аналогом до способу, що заявляється, є технологія, яка полягає в наступному [5]. На поверхню пластин кремнію n-типу (діаметром ~10 мм і товщиною ~0,4 мм) напилювалась плівка металічного Yb (джерело дифузії), після чого зразки відпалювались на повітрі або в 4 евакуйованій до 10" Торр, або в евакуйованій та заповненій аргоном ампулах при температурах Та1400-1500 К протягом ta5-72 год. Після відпалу зразки багатократно відмивались у плавиковій кислоті, царській горілці, а також у киплячій суміші Н 2О2:НСl, що дозволяє практично повністю видалити залишки плівки Yb з поверхні пластини. Натомість, розглянутий спосіб вимагає використання додаткових операцій - стравлювання залишкової металевої плівки або заповнення аргоном попередньо вакуумованої ампули. Крім того, для нанесення на підкладинку плівки рідкісноземельного металу необхідне достатньо складне і вартісне обладнання. І нарешті, проведення дифузії на повітрі при згаданих Та для ZnSe, на відміну від Si, у принципі неможливе, оскільки за даних умов він перетворюється в оксид цинку [6]. Усунення зазначених недоліків вимагає розробки інших способів легування кристалів селеніду цинку рідкісноземельними елементами. В основу корисної моделі поставлена задача отримання кристалів ZnSe з високим пропусканням на довжині хвилі 10,6 мкм за рахунок зміни складу джерела дифузії та його просторового розташування відносно зразка. Поставлена задача вирішується тим, що у способі легування кристалів ZnSe рідкісноземельними елементами легуюча домішка вводиться в кристал шляхом дифузії з -4 парової фази при температурі 1400±10 К в евакуйованій до 10 Торр кварцовій ампулі, у якій, крім зразка, знаходиться також елементарний Se та подрібнений рідкісноземельний елемент ітербій (Yb) або гадоліній (Gd). Спектри оптичного пропускання вихідних та легованих рідкісноземельними елементами Yb і Gd підкладинок ZnSe зображено на графічному зображенні. Апробація запропонованого способу проводилась на пластинах товщиною ~1 мм, вирізаних з об'ємного кристалу ZnSe діаметром ~15мм. Останній був вирощений з розплаву стехіометричного складу під тиском інертного газу і легований у процесі росту ізовалентною домішкою Те. Пластини проходили поетапно механічне та хімічне полірування у травнику складу СrO3:НСl=2:3, а також ретельну відмивку в дистильованій воді та фінішне сушіння. Якість обробки поверхні контролювалась візуально за появою об'ємної оранжевої люмінесценції (характерної для кристалів ZnSe [2]), яка збуджувалась N2-лазером. Легування Yb або Gd -4 здійснювалось у відкачаній до 10 Торр і запаяній кварцовій ампулі. Для запобігання ерозії поверхні пластин разом з подрібненим рідкісноземельним елементом завантажувалась також наважка елементарного селену. Крім того, Se також перешкоджає входженню рідкісноземельного елемента в аніонну підгратку, збільшуючи тим самим ймовірність його 1 UA 107292 U 5 10 15 20 25 30 35 40 входження у цинкові вузли (катіонна підгратка). Зауважимо, що саме така схема заміщення залишає в катіонних вузлах атоми ізовалентної домішки Те, не змінюючи при цьому викликані нею термічну і радіаційну стійкості матеріалу. Під час проведення дифузії пластина і джерело дифузії (селен і подрібнений рідкісноземельний елемент) знаходились у різних кінцях ампули, а процес відбувався в ізотермічних умовах. Температура відпалу Та вибиралась з врахуванням наступних факторів. З одного боку, вона має бути якомога вищою для забезпечення максимальної концентрації Nd легуючої домішки при мінімальному часі ta однорідного легування всієї товщини пластини. Натомість, при перевищенні Та деякого максимального значення стінки кварцової ампули стають "прозорими" для сторонніх домішок, які можуть "забруднювати" підкладинку. Крім того, кварц частково втрачає свою міцність, внаслідок чого ампула може зазнати руйнації. Врахування цих факторів дозволяє вважати оптимальною температурою дифузії Та=1400±10К. Зауважимо також, що для запобігання взаємодії рідкісноземельних елементів з кварцом та частина ампули, яка містила джерело дифузії, покривалась зсередини тонким шаром пірографіту. Виявлено, що після відпалу базові пластини змінюють свій колір з жовто-оранжевого на світло-сірий, що дозволяє не лише знайти за допомогою оптичного мікроскопа товщину 2 дифузійного шару d, але й оцінити коефіцієнт дифузії D за відомою формулою Dd /ta [4]. Експериментальні значення D для вибраних домішок Yb і Gd виявились близькими і становлять . -7 2 ~5 10 см /с. Оцінка часу дифузії на відстань половини товщини пластини (d0,5 мм), оскільки дифузія проходить з усіх сторін зразка, приводить до величини 2,5 год. Відмітимо, що час, який необхідний для однорідного легування пластини ZnSe будь-якої товщини d при Та1400 К . 6. 2 легко знайти по формулі ta4 10 d , с. Звернемо також увагу на те, що поверхня відпалених пластин залишається дзеркальною і не містить слідів дифузанту. У зв'язку з цим, зразки можуть використовуватись для подальших досліджень без будь-яких додаткових обробок, які є обов'язковими для прототипу[5]. Спектри оптичного пропускання Тλ всіх об'єктів досліджень в абсолютних одиницях наведено на графічному зображенні, з якої видно, що легування пластин ZnSe домішками Yb і Gd відновлює Тλ до значень 35-50 %, які є типовими для бездомішкових кристалів ZnSe. Натомість, перші з них мають більш високі термічну та радіаційну стійкості завдяки присутності ізовалентної домішки Те [2]. Джерела інформації: 1. Гаврищук Е.М., Яшина Э.В. Оптические элементы из сульфида цинка и селенида цинка для инфракрасной техники. // Оптический журнал, 2004, Т.71, №12, С. 24-31. n VI 2. Рыжиков В.Д. Сцинтилляционные кристаллы полупроводниковых соединений A B . Получение, свойства, применение. М:НИИТЭХИМ, 1989, 123 с. 3. Иванов Г.Н., Касиян В.А., Недеогло Д.Д. Электрические и люминесцентные свойства монокристаллов ZnSe, легированных иттербием. // ФТП, 1995, Т.29, В.4, С.621-626. 4. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. - М.: Радио и связь, 1991,528 с. 5. Назыров Д.Э. Диффузия иттербия в кремнии. // ФТП, 2003, Т.37, В.9, С.1056-1057. 6. Хуснутдінов С.В. Фізичні властивості гетерошарів оксиду цинку. // Дис. канд. фіз.-мат. наук, Чернівці: 2010, 158 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Спосіб легування кристалів ZnSe рідкісноземельними елементами, що включає відпал -4 напівпровідникових пластин у вакуумованій до 10 Торр кварцовій ампулі при температурі 1400±10 K, який відрізняється тим, що відпал пластин ZnSe товщиною d проводять у присутності елементарного селену та подрібненого рідкісноземельного металу (ітербію або 6 2 гадолінію) протягом часу ta, який розраховується за формулою ta4·10 ·d , с, де d - вимірюється в см. 2 UA 107292 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3