Направленная кристаллизация твердых растворов Ge1-xSix

Технологические достижения за последние два–три десятилетия дают возможность получить монокристаллы Ge—Si как с переменным, так и постоянным аксиальным составом во всем непрерывном ряду твердых растворов, и тем самым обеспечить потребности в этом материале для научных исследований. Однако для рентабельности получения слитков твердых растворов в промышленных масштабах требуется полная автоматизация технологии выращивания монокристаллов Ge—Si на базе методов бестигельной зонной плавки и Чохральского. В случае применения этих методов, возможность достижения высоких градиентов температуры у фронта кристаллизации позволяет обеспечить рост совершенных монокристаллов при существенно более высоких скоростях кристаллизации расплава. 
В результате анализа опубликованных результатов исследований по получению твердых растворов германий—кремний оценены возможности развития технологии получения однородных кристаллов методами направленной кристаллизации расплавов.
Установлено, что твердые растворы Ge_1-xSi_x, обогащенные Ge, изучены недостаточно и требуют проведения фундаментальных исследований в связи с перспективным практическим применением. Предложена конструкция модифицированной установки для синтеза материалов с заданным составом и однородным распределением второго компонента по длине слитка при уровнях легирования менее 1 %. 
Разработанные в ходе выполнения исследования тепловые узлы позволили обеспечить тепловые режимы, благоприятные для образования твердого раствора Ge_1-xSi_x. Результаты энергетического дисперсионного рентгеновского микроанализа свидетельствуют о вхождении кремния в поликристаллическую матрицу германия и распределении по всей длине кристалла.

1. Basu R. A review on single crystals and thin films Si-Ge alloy: growth and applications. Materials Advances. 2022; 3(6): 4489—4513. https://doi.org/10.1039/d2ma 00104g

2. Schilz J., Romanenko V.N. Review bulk growth of silicon-germanium solid solutions. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 1995; 6: 265—279. https://doi.org/10.1007/BF00125881

3. Аждаров Г.Х. Выращивание кристаллов твердых растворов германий- кремний модернизированным методом Бриджмена. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2004; (2): 69—71.

4. Margalit N., Xiang C., Bowers S.M., Bjorlin A., Blum R., Bowers J.E. Perspective on the future of silicon photonics and electronics. Applied Physics Letters. 2021; 118(22): 220501. https://doi.org/10.1063/5.0050117

5. Кульчицкий Н.А., Наумов А.В., Старцев В.В. Фотонные и терагерцовые приложения как следующий драйвер рынка арсенида галлия. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2020; 23(3): 167—176. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2020-3-167-176

6. Erko A., Abrosimov N.V., Alex V. Laterally-graded SiGe Crystals for high resolution synchrotron optics. Crystal Research and Technology. 2002; 37(7): 685—704. https://doi.org/10.1002/1521-4079(200207)37:7<685::AID-CRAT685>3.0.CO;2-Z

7. Haller E. Germanium: from its discovery to sige devices. Materials Science in Semiconductor Processing. 2006; 9(4-5): 408—422. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2006.08.063

8. Harame D.L., Meyerson B.S. The early history of IBM’s SiGe mixed signal technology. IEEE Transactions on Electron Devices. 2001; 48(11): 2555—2567. https://doi.org/10.1109/16.960383

9. Basu R., Singh A. High temperature Si-Ge alloy toward thermoelectric applications: A comprehensive review. Materials Today Physics. 2021; 21(32): 100468. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100468

10. Szweda R., O'Connell T., Racanelli M. Experts see SiGe holding its own. III-Vs Review. 2004; 17(6): 32—35. https://doi.org/10.1016/S0961-1290(04)00658-1

11. Single Crystal Semiconductor Silicon-Germanium (SiGe) (LAR-TOPS-320). A suite of methods for efficient manufacturing of SiGe and other semiconductors. URL: https://technology.nasa.gov/patent/LAR-TOPS-320

12. Caño P., Hinojosa M., Nguyen H., Morgan A., Marrón D.F., Garcia I., Johnson A., Rey-Stolle I. Hybrid III-V/SiGe solar cells grown on Si substrates through reverse graded buffers. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2020; 205(3): 110246. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110246

13. Kissinger G., Pizzini S. (eds.). Silicon, germanium, and their alloys: growth, defects, impurities, and nanocrystals. Boca Raton: CRC Press; 2014. 431 p. https://doi.org/10.1201/b17868

14. Глазов В.М., Земсков В.С. Физико-химические основы легирования полупроводников. М.: Наука; 1967. 371 с.

15. Yonenaga I. Growth and fundamental properties of Si- Ge bulk crystals. Journal of Grystal Growth. 2005; 275: 91—98. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.10.071

16. Usami N. Types of silicon—germanium (SiGe) bulk crystal growth methods and their applications silicon–germanium (SiGe) nanostructures production, properties and applications in electronics. In: Woodhead publishing series in electronic and optical materials; 2011. P. 72—82. https://doi.org/10.1533/9780857091420.2.72

17. Yonenaga I., Murakami Y. Segregation during the seeding process in the Czochralski growth of GeSi alloys. Journal of Crystal Growth. 1998; 191(3): 399—404. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(98)00166-3

18. Yonenaga I., Nonaka M. Czochralski growth of bulk crystals of Ge1-xSix alloys: II. Si-rich alloys. Journal of Crystal Growth. 1998; 191(3): 393—398. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(98)00133-X

19. Seevakan K., Bharanidharan S. Different types of crystal growth methods. International Journal of Pure and Applied Mathematics. 2018; 119(12): 5743—5758.

20. Tatau N. (ed.). Handbook of crystal growth, fundamentals. 2nd ed. In 3 vol. Vol. IA. Thermodynamics and kinetics. Elsevier; 2015.

21. Tatau N. (ed.). Handbook of crystal growth, fundamentals. 2nd ed. In 3 vol. Vol. IB. Transport and stability. Elsevier; 2015.

22. McGinty J., Yazdanpanah N., Price Ch., ter Horst J.H., Sefcik J. Ch. 1. Nucleation and crystal growth in continuous crystallizatio. In: The handbook of continuous crystallization; 2020. P. 1—50. https://doi.org/10.1039/9781788013581-00

23. May A.F., Yan J., McGuire M.A.-J. A practical guide for crystal growth of van der Waals layered materials. Journal of Applied Physics. 2020; 128(5): 051101. https://doi.org/10.1063/5.0015971

24. Tachibana M. Beginner’s guide to flux crystal growth. Springer; 2017. 139 p. https://doi.org/10.1007/978-4-431-56587-1

25. Muehlberg M. General aspects of crystal growth technology. In: Scheel H.J., Capper P. (eds.). Crystal growth technology: from fundamentals and simulation to large scale production. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; 2008. Ch. 1. P. 2—26. https://doi.org/10.1002/9783527623440

26. Kanatzidis M.G., Po¨ttgen R., Jeitschko W. The metal flux: A preparative tool for the exploration of intermetallic compounds. Angewandte Chemie. 2005; 44(43): 6996—7023. https://doi.org/10.1002/anie.200462170

27. Dold P., Barz A., Recha S., Pressel K., Franz M., Benz K.W Growth and characterization of Ge1-xSix (x≤10 at. %) single crystals. Journal of Crystal Growth. 1998; 192(1-2): 25—135. https://doi.org/10.1016/s0022-0248(98)00410-2

28. Azhdarov P., Agaev N. Component distribution in Ge-Si crystals growth from the melt. Inorganic Materials. 1999; 35(8): 763—765.

29. 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; 51(1): S192—S195. https://doi.org/10.1134/S1063774506070273

30. Зейналов З.М., Алекперов А.И., Аждаров Г.Х. Выращивание монокристаллов Ge-Si методом Бриджмена с использованием кремниевой затравки. Известия НАН Азербайджана, серия физико-математических и технических наук. 2006; 26(2): 51—54.

31. Armour N., Dost S., Lent B. Effect of free surface and gravity on silicon dissolution in germanium melt. Journal of Crystal Growth. 2007; 299(1): 227—233. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2006.11.240

32. Azhdarov G., Kyazimzade R. Growth of homogeneous single crystals of Ge-Si solid solutions using a Ge seed by the modified Bridgman method. Crystallography Reports. 2005; 50(s1): 149—115. https://doi.org/10.1134/1.2133992

33. Dold P., Szofran F.R., Benz K.-W. Thermoelectromagnetic convection in vertical Bridgman grown germanium-silicon. Journal of Crystal Growth. 2006; 291(1): 1—7. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2006.02.055

34. Usami N., Kitamura M., Kitamura M., Obara K., Nose Y., Shishido T., Nakajima K. Floating zone growth of Sirich Si-Ge bulk crytal using pre-synthesidod SiGe feed rod with uniform composition. Journal of Grytal Growth. 2005; 284(1-2): 57—64. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2005.06.060

35. Ostrogorsky A. Growth of Ga-doped Ge0.98Si0.02 by vertical Bridgman method with a baffle. Journal of Crystal Growth. 2000; 211(1-4): 378—383. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(99)00825-8

36. Fisher I.R., Shapiro M.C., Analytis J.G. Principles of crystal growth of intermetallic and oxide compounds from molten solutions. The Philosophical Magazine A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics. 2012: 92(19-21): 2401—2435. https://doi.org/10.1080/14786435.2012.685192

37. Fornari R. (ed.). Electronic materials and crystal growth single crystals of electronic materials growth and properties. In: Woodhead publishing series in electronic and optical materials; 2019. P. 1—3. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102096-8.00001-X

38. Dario A., Sicim H.O., Balikci E. A comparative study on the growth of germanium-silicon single crystals grown by the vertical Bridgman and axial heat processing techniques. Journal of Crystal Growth. 2012; 351(1): 1—8. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2012.04.008

39. Friedrich J., Stockmeier L., Mu¨ller G. Constitutional supercooling in czochralski growth of heavily doped silicon crystals. Acta Physica Polonica Series A. 2013; 124(2): 219—226. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.124.219

40. Scheel H.J. Historical aspects of crystal growth technology. Journal of Crystal Growth. 2000; 211(1): 1—12. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(99)00780-0

41. Deal A., Balikci E., Abbaschian R. Enhanced morphological stability in Sb-doped Ge. Metallurgical and Materials Transactions A. 2007; 38(1): 100—115. https://doi.org/10.1007/s11661-006-9013-5

42. Zemskov V.S., Belokurova I.N., Titkov A.N., Shulpina I.L. Solidification of Ge-Si solid solution in near-zero-G conditions. Advances in Space Research. 1981; 1: 129—132.

43. Иванов Л.И., Земсков В.С., Кубасов В.Н., Пименов В.Н., Белокурова И.Н., Гуров К.П., Демина Е.В., Титков А.Н., Шульпина И.Л. Плавление, кристаллизация и фазообразование в невесомости. М.: Наука; 1979. 199 с.

44. Helmers J. Schilz G. Bаhr W.A. Kaysser macrosegregation during Bridgman growth of Gel-xSix mixed crystals. Journal of Crystal Growth. 1995; 154(1-2): 60—67.

45. Thurmond C.D. Equilibrium thermo chemistry of solid and liquid alloys of Ge and of Si. solubility of Ge and Si in elements of groups III, IV and V. The Journal of Physical Chemistry. 1953; 57(8): 827—830. https://doi.org/10.1021/j150509a019

46. Sidorov V.S., Zakharov B.G., Serebryakov Yu.A., Pereverzev A.V., Nagaev E.M., Strelov V.I. Аn updated facility for crystal growth with modeling of the conditions of crystallization in microgravity. Instruments and Experimental Techniques. 1999; 42(2): 279—283.

47. Пат. (РФ) № 2698830 С1. Кожемякин Г.Н., Супельняк С.И. Устройство для выращивания кристаллов вертикальным методом Бриджмена. Заявл.: 20.03.2019; опубл.: 30.08.2019.

48. Сангвал К. Травление кристаллов. Теория, эксперимент, применение. Пер. с англ. М.: Мир; 1990. 492 с.