mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2014-4-246-251mateltech-178Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSРАСПРЕДЕЛЕНИЕ Ge В СЛИТКЕ СПЛАВА Si0,9Ge0,1 ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ КРИСТАЛЛА ИЗ ТОНКОГО СЛОЯ РАСПЛАВАGe Distribution in Si0.9Ge0.1 Alloy Ingot Grown from Thin Melt LayerГоникМ. А.GonikM.

кандидат техн. наук, директор

Cand. Sci. (Eng.), Director

michael.a.gonik@gmail.comCröllA.CröllA.

Prof. Dr. rer. nat., Dipl.-Min., Director of Institute

Prof. Dr. rer. nat., Dipl.−Min., Director of Institute

WagnerA.WagnerA.

PhD, student

PhD, student

Центр материаловедения «Фотон», ул. Ческа Липа, д. 10, Александров, Владимирская область, 601655, РоссияРоссияCentre for Material Researches «Photon», 10 Cheska Lipa Str., Aleksandrov, Vladimir Region, 601655 RussiaRussian FederationInstitute för Geosciences of University of Freiburg, Hermann−Herder−Straße 5, 79104 Freiburg, GermanyГерманияInstitute för Geosciences of University of Freiburg, Hermann−Herder−Straβe 5, 79104 Freiburg, GermanyGermanyInstitute för Inorganic and Analytical Chemistry, Albertstraße 21, D−79104 Freiburg, GermanyГерманияInstitute för Inorganic and Analytical Chemistry, Albertstraβe 21, D−79104 Freiburg, GermanyGermany20140806201604246251Copyright © Гоник М.А., Cröll A., Wagner A., 20162016Гоник М.А., Cröll A., Wagner A.Gonik M., Cröll A., Wagner A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/178

Экспериментально и теоретически изучена возможность получения однородного по длине и сечению монокристаллического сплава SiGe, обогащенного со стороны кремния. Содержание второй компоненты в кристалле диаметром 15 мм и длиной 40 мм, выращенном модифицированным методом плавающей зоны из шихты составом 79,8 % (ат.) Si и 20 % (ат.) Ge и с добавками 0,2 % (ат.) бора, исследовано с помощью метода рентгеновского микроанализа как в отдельных точках образца, так и в режиме линейного сканирования вдоль оси кристалла и поперек. Установлено, что продольное изменение концентрации германия хорошо описывается аналитически уравнением, выведенным ранее для условий роста из тонкого слоя расплава монокристалла Ge, легированного примесью Sb или Ga, в присутствии погруженного в расплав нагревателя. Для более точного описания экспериментальных данных был проведен учет изменения толщины слоя расплава между растущим кристаллом и дном погруженного нагревателя по мере кристаллизации. Показано, что поперечное распределение второй компоненты, которое не превышало 5 % по диаметру, может быть существенно улучшено за счет уменьшения кривизны фазовой границы в процессе роста. 

We studied experimentally and theoretically the possibility to obtain a uniform single crystal of SiGe alloy enriched at the Si side. The content of the second component in a crystal 15 mm in diameter and 40 mm in length grown by the modified floating zone technique from the charge of 79.8 at.% Si and 20 at.% Ge composition with 0.2% B admixture has been investigated using selected area X−ray analysis in different points and in line scanning mode along and across the crystal axis. The longitudinal changes in the germanium concentration of proved to be well described by the analytical equation previously derived for conditions of Sb (Ga) doped Ge growth from a thin melt layer in the presence of a heater submerged into the melt. For a more accurate description of the experimental data we made allowance for the change in the melt layer thickness between the growing crystal and the bottom of the submerged heater. The lateral distribution of the second component, not exceeding 5% over a diameter of the crystal, can be significantly improved by reducing the curvature of the phase interface during the growth. 

установка и выращивание кристаллов модифицированным методом вертикальной зонной плавкипогруженный в расплав нагревателькремнийсплав с германиемрентгеновский микроанализоднородность кристаллаsetup and modified floating zone technique of crystal growthsubmerged into the melt heatersiliconalloy with germaniumX−ray microanalysiscrystal homogeneityReferencesAbrosimov, N. V. Growth and properties of Ge1−xSix mosaic single crystals for γ−ray lens application / N. V. Abrosimov, A. Lüdge, H. Riemann, V. N. Kurlov, D. Borissova, V. Klemm, P. Bastie, B. Hamelin, R. K. Smithe // J. Cryst. Growth. − 2005. − V. 275 − P. 495—500.Abrosimov N. V., Lüdge A., Riemann H., Kurlov V. N., Borissova D., Klemm V., Bastie P., Hamelin B., Smither R. K. Growth and properties of Ge1−xSix mosaic single crystals for γ−ray lens application. J. Cryst. Growth. 2005, vol. 275, pp. 495—500.Abrosimov, N. V. Automated control of Czochralski and shaped crystal growth processes using weighing techniques / N. V. Abrosimov, V. N. Kurlov, S. N. Rossolenko // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. − 2003. − P. 1—57.Abrosimov N. V., Kurlov V. N., Rossolenko S. N. Automated control of Czochralski and shaped crystal growth processes using weighing techniques. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2003, pp. 1—57.Cröll, A. Detached Bridgman growth of germanium−silicon crystals under microgravity / A. Cröll, A. Mitric, A. Senchenkov // Abs. in ICASP−2. − Seggau (Austria), 2008.Croell A., Mitric A., Senchenkov A. Detached Bridgman Growth of Germanium−Silicon crystals under microgravity. Abstracts in ICASP−2. Seggau (Austria), 2008.Campbell, T. A. Float−zone growth of Ge1−xSix (x < 10 at.%) single crystals: Influence of thermocapillary and solutocapillary convection / T. A. Campbell, M. Schweizer, P. Dold, A. Cröll, K. W. Benz // J. Cryst. Growth. − 2001. − V. 226. − P. 231—239.Campbell T. A., Schweizer M., Dold P., Cröll A., Benz K. W. Float−zone growth of Ge1−xSix (x < 10 at.%) single crystals: Influence of thermocapillary and solutocapillary convection. J. Cryst. Growth. 2001, vol. 226, pp. 231—239.Usami, N. Floating zone growth of Si−rich SiGe bulk crystal using pre−synthesized SiGe feed rod with uniform composition / N. Usami, M. Kitamura, K. Obara, Y. Nose, T. Shishido, K. Nakajima // J. Cryst. Growth. − 2005. − V. 284. – P. 57—64.Usami N., Kitamura M., Obara K., Nose Y., Shishido T., Nakajima K. Floating zone growth of Si−rich SiGe bulk crystal using pre−synthesized SiGe feed rod with uniform composition. J. Cryst. Growth. 2005, vol. 284, pp. 57—64.Kyazimova, V. K. Distribution of aluminum and indium impurities in crystals of Ge–Si solid solutions grown from the melt / V. K. Kyazimova, Z. M. Zeynalov, Z. M. Zakhrabekova, G. Kh. Azhdarov // Crystallography Reports. − 2006. − V. 51. − P. S192—S195.Kyazimova V. K., Zeynalov Z. M., Zakhrabekova Z. M., Azhdarov G. Kh. Distribution of aluminum and indium impurities in crystals of Ge–Si solid solutions grown from the melt. Crystallography Reports. 2006, vol. 51, pp. S192—S195.Nakajima, K. Growth of InGaAs and SiGe homogeneous bulk crystals which have complete miscibility in the phase diagrams / K. Nakajima, Y. Azuma, N. Usami, G. Sazaki, T. Ujihara, K. Fujiwara, T. Shishido // Int. J. Mater. and Product Technol. − 2005. − V. 22, N 1/2/3. − P. 185—212.Nakajima K., Azuma Y., Usami N, Sazaki G., Ujihara T., Fujiwara K., Shishido T. Growth of InGaAs and SiGe homogeneous bulk crystals which have complete miscibility in the phase diagrams. Int. J. Materials and Product Technology. 2005, vol. 22, no. 1/2/3, pp. 185—212.Kinoshita, K. Homogeneous SiGe crystal growth in microgravity by the travelling liquidus−zone method / K. Kinoshita, Y. Arai, Y. Inatomi, H. Miyata, R. Tanaka, T. Sone, J. Yoshikawa, T. Kihara, H. Shibayama, Y. Kubota, T. Shimaoka, Y. Warashina, K. Sakata, M. Takayanagi, S. Yoda // J. Phys.: Conf. Ser. − 2011. − V. 327. − P. 012017. DOI: 10.1088/1742−6596/327/1/012017.Kinoshita K., Arai Y., Inatomi Y., Miyata H., Tanaka R., Sone T., Yoshikawa J., Kihara T., Shibayama H., Kubota Y., Shimaoka T., Warashina Y., Sakata K., Takayanagi M., Yoda S. Homogeneous SiGe crystal growth in microgravity by the travellingKinoshita, K. Growth of a Si0.50Ge0.50 crystal by the traveling liquidus−zone (TLZ) method in microgravity / K. Kinoshita, Y. Arai, Y. Inatomi, H. Miyata, R. Tanaka, J. Yoshikawa, T. Kihara, H. Tomioka, H. Shibayama, Y. Kubota, Y. Warashina, Y. Sasaki, Y. Ishizuka, Y. Harada, S. Wada, C. Harada, T. Ito, M. Takayanagi, S. Yoda // J. Cryst. Growth. − 2014. − V. 388. − P. 12—16.liquidus−zone method. J. Phys.: Conf. Ser. 2011, vol. 327, p. 12017. DOI:10.1088/1742−6596/327/1/012017.Ostrogorsky, A.G. Single−crystal growth by the submerged heater method / A. G. Ostrogorsky // Meas. Sci. Technol. − 1990. − V. 1. − P. 463—464.Kinoshita K., Arai Y., Inatomi Y., Miyata H., Tanaka R., Yoshikawa J., Kihara T., Tomioka H., Shibayama H., Kubota Y., Warashina Y., Sasaki Y., Ishizuka Y., Harada Y., Wada S., Harada C., Ito T., Takayanagi M., Yoda S. Growth of a Si0.50Ge0.50 crystal by the traveling liquidus−zone (TLZ) method in microgravity. J. Cryst. Growth. 2014, vol. 388, pp. 12—16.Golyshev, V.D. A temperature field investigation in case of crystal growth from the melt with a plane interface on exact determination thermal conditions / V. D. Golyshev, M. A. Gonik // Cryst. Prop. and Preparation. − 1991. − V. 36–38. − P. 623.Ostrogorsky A. G. Single−crystal growth by the submerged heater method. Meas. Sci. Technol. 1990, vol. 1, pp. 463—464.Gonik, M. A. Silicon crystal growth by the modified FZ technique / M. A. Gonik, A. Cröll // CrystEngComm. − 2013. − V. 15(12). − P. 2287—2293. DOI: 10.1039/c2ce26480cGolyshev V. D., Gonik M. A. A temperature field investigation in case of crystal growth from the melt with a plane interface on exact determination thermal conditions. Cryst. Prop. and Preparation. 1991, vol. 36–38, p. 623.Marin, C. Growth of Ga−doped Ge0.98Si0.02 by vertical Bridgman with a baffle / C. Marin, A. G. Ostrogorsky // J. Cryst. Growth. − 2000. − V. 211. − P. 378.Gonik M.A., Cröll A. Silicon crystal growth by the modified FZ technique. CrystEngComm. 2013, vol. 15(12), pp. 2287—2293. DOI: 10.1039/c2ce26480cГоник, М.А. Влияние условий кристаллизации на однородность состава монокристаллов CdZnTe / М. А. Гоник, М. М. Гоник, А. С. Томсон // Неорган. материалы. − 2009. − Т. 45, No 10. − С. 1182—1191.Marin C., Ostrogorsky A. G. Growth of Ga−doped Ge0.98Si0.02 by vertical Bridgman with a baffle. J. Cryst. Growth. 2000, vol. 211, p. 378.Dutta, P. S. Nearly diffusion controlled segregation of tellurium in GaSb / P. S. Dutta, A. G. Ostrogorsky // J. Cryst. Growth. − 1998. − V. 191. − P. 904—908.Gonik M. A., Gonik M. M., Tomson A. S. Influence of growth conditions on the composition uniformity of CdZnTe crystals. Neorganicheskie materialy = Inorganic materials. 2009, vol. 45, no. 10, pp. 1182—1191. (In Russ.)Ostrogorsky, A.G. Diffusion−controlled distribution of solute in Sn−1% Bi specimens solidified by the submerged heater method / A. G. Ostrogorsky, F. Mosel, M. T. Schmidt // J. Cryst. Growth. − 1991. − V. l09, iss. 4. − P. 950—954.Dutta P. S., Ostrogorsky A. G. Nearly diffusion controlled segregation of tellurium in GaSb. J. Cryst. Growth. 1998, vol. 191, pp. 904—908.Гоник, М.А. Управление формой фронта кристаллизации по модели / М. А. Гоник, М. М. Гоник, Д. Циуляну // Тез. докл. XIV Нац. конф. по росту кристаллов. − М., 2010. − С. 98.Ostrogorsky A. G., Mosel F., Schmidt M. T. Diffusion−controlled distribution of solute in Sn−1% Bi specimens solidified by the submerged heater method. J. Cryst. Growth. 1991, vol. 109, pp. 950—954.Гоник, М. А. К возможности выращивания объемных кристаллов Si—Ge методом ОТФ / М. А. Гоник, A. Cröll // Изв. вузов. Материалы электрон. техники. − 2013. − No 3. − С. 12—19.Gonik M. A., Gonik M. M., Tsiulyanu D. Upravlenie formoi fronta kristallizatsii po modeli [Control of the crystallization front shape on the basis of the model]. XIV Natsionalnaya konferentsia po rostu kristallov = XIV National Conference on Crystal growth. Moscow, 2010. P. 98. (In Russ)Gonik, M. A. Potential for growth of Si−Ge bulk crystals by modified FZ technique / M. A. Gonik // J. Cryst. Growth. − 2014. − V. 385. − P. 38—43. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2013.04.057Gonik M. A., Cröll A. Si−Ge crystal growth by AHP method. Izvestiya vuzov. Materially elektronnoi tehniki = Materials of electronic technology, 2013, no. 3, pp. 12—19. (In Russ.)Wagner, A. C. Si1−xGex (x ≥ 0.2) crystal growth in absence of a crucible / A. C. Wagner, A. Croell, M. Gonik, S. Binetti, H. Hillebrecht // J. Cryst. Growth. − 2014. − V. 401. − P. 762—766. http://dx.doi. org/10.1016/j.jcrysgro.2013.11.065Gonik M. A. Potential for growth of Si−Ge bulk crystals by modified FZ technique. J. Cryst. Growth. 2014, vol. 385, pp. 38—43. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2013.04.057Марченко, М.П. Численное и экспериментальное исследование особенностей тепломассопереноса в процессе выращивания германия ОТФ методом / М. П. Марченко, В. Д. Голышев, М. А. Гоник, И. В. Фрязинов // Тр. конф. по росту монокристаллов и проблемам прочности, тепло− и массопереноса. − Обнинск, 2000. − С. 125—134.Wagner A. C., Croell A., Gonik M., Binetti S., Hillebrecht H. Si1−xGex (x ≥ 0.2) crystal growth in absence of a crucible. J. Cryst. Growth. 2014, vol. 401, pp. 762—766. http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2013.11.065Marchenko M. P., Golyshev V. D., Gonik M. A., Fryazinov I. V. Chislennoe i eksperimental’noe issledovanie osobennostei teplomassoperenosa v protsesse vyrashchivaniya germaniya OTF metodom [Numerical and experimental study of features of the heat and mass transfer in Ge crystal growth by AHP method]. Proc. of Int. Conf. on Single crystal growth and heat & mass transfer. Obninsk, 2000. Pp. 125—134. (In Russ.)Marchenko M. P., Golyshev V. D., Gonik M. A., Fryazinov I. V. Chislennoe i eksperimental’noe issledovanie osobennostei teplomassoperenosa v protsesse vyrashchivaniya germaniya OTF metodom [Numerical and experimental study of features of the heat and mass transfer in Ge crystal growth by AHP method]. Proc. of Int. Conf. on Single crystal growth and heat & mass transfer. Obninsk, 2000. Pp. 125—134. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.