СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ НА ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ГЕРМАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК C30B29/08 C30B33/12 H01L21/02 

Изобретение относится к области материаловедения, связанного с технологиями, направленными на создание пористых микро- и наноструктур на поверхности полупроводниковых материалов, а именно изготовления пористой микроструктуры на поверхности монокристаллов германия, которая может быть использована при разработке электродов для аккумуляторных литиевых батарей, полупроводниковых слоев в приборах и интегральных схемах, в фотопреобразователях.

Известен способ получения наноструктурированного пористого германия, полученного методом ионной имплантации, с различными дозами имплантации ионов Ge+ [Платонов, Н.Д. Наноструктурированный пористый германий в качестве электродов электрохимических конденсаторов / Н.Д. Платонов, Н.М. Сулейманов, В.В. Базаров // Тинчуринские чтения - 2021 «Энергетика и цифровая трансформация»: Материалы Международной молодежной научной конференции. В 3 томах, Казань, 28-30 апреля 2021 года. Том 1. - Казань: ООО ПК «Астор и Я», 2021. - С. 215-219].

Недостатки данного метода: ионная имплантация германия приводит к аморфизации в приповерхностном слое и повышенной концентрации дефектов структуры.

Известен способ формирования слоев пористого германия путем селективного удаления матрицы GeO₂ из гетерослоев GeO2<Ge-НК> в деионизованной воде или HF, при котором образуется каркас скелетного типа из слипшихся Ge наночастиц. [Горохов Е.Б., Астанкова К.Н., Володин В.А., Кравцова А.Ю., Латышев А.В. Формирование слоев пористого германия и их исследование оптическими методами // Сибирский физический журнал. 2018. Т. 13, № 3. С. 78-81].

Недостаток известного метода - нестабильность размеров Ge нанокристаллов за счет окисления на воздухе.

Известен способ создания тонкого поверхностного слоя пористого германия, сформированного на пластине из монокристаллического германия, включающий ионно-имплантированную примесь переходного металла (кобальт, хром или железо). [Подложка монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия. Степанов А.Л., Рогов А.М., Нуждин В.И., Валеев В.Ф. RU 2734458 C1. 2020.10.16]. Данный метод подходит для создания композитных материалов за счет введения ионно-имплантированной примеси переходного металла в монокристалл германия.

Известен способ создания тонкого поверхностного слоя пористого германия, сформированного химическим методом анодирования монокристаллического германия в растворе электролита на основе плавиковой кислоты (HF) [Fkamand G., Poortmans J., Dessein K. Formation of porous Ge using HF-based electrolytes. Phys. Stat. Sol. C. 2005. V. 9. P. 3243-3247].

Недостаток известного метода - загрязнение поверхности германия остаточными продуктами химической реакции.

Известен способ изготовления подложки, состоящей из монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия, сформированном методом термического отжига слоя диоксида германия, находящегося на поверхности монокристаллического германия, в атмосфере водорода [Jing C. et al. Fabrication and characteristics of porous germanium films // Science and Technology of Advanced Materials. - 2009].

Недостатком является то, что при данном способе изготовления подложки монокристаллического германия с тонким поверхностным слоем пористого германия в данной структуре в больших количествах присутствует фаза диоксида германия.

Наиболее близким к заявляемому (прототип) является способ получения пористой структуры на поверхности монокристаллического германия, описанный в статье A.A. Lomov et al, Characterization of the Structure of Porous Germanium Layers by High-Resolution X-Ray Diffractometry (Crystallography Reports, 2003, v. 48, no. 2, p.p. 326-334), включающий травление кристаллографически ориентированной пластины монокристаллического германия с последующим их отжигом в атмосфере водорода.

Недостатком прототипа является отсутствие сведений о чистоте поверхности, возможное инициирование окисления поверхности пластин монокристаллов германия за счет освещения лампой накаливания при травлении, отсутствие предварительной обработки монокристаллов германия.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение пористой микроструктуры поверхности кристаллического германия, заданной геометрии и свободной от оксида германия.

Данная задача решается благодаря тому, что в заявляемом способе получение пористой структуры поверхности включает механическую шлифовку и полировку, термическое травление при температуре 600°С при температурном градиенте, в результате чего с поверхности удаляется оксид германия, негативно влияющий на свойства и поверхность монокристаллов германия. В итоге образуется пористый приповерхностный слой, который обладает равномерным распределением по размерам пор, геометрия которых зависит от кристаллографических индексов поверхности.

Из кристалла германия вырезается пластина определенного кристаллографического направления. Поверхность пластины подвергается шлифовке абразивными порошками, затем осуществляется полировка суспензиями алмазных порошков различной крупности зерна. Далее полированная пластина подвергается термическому отжигу. Процесс термического травления проводится при Т≈0,6 Т_пл (Т_пл Ge 937°С) в высокотемпературной трехзонной трубчатой печи в условиях низкого вакуума в течение 20 часов, при этом создается температурный градиент порядка 2°С/см, что способствует удалению оксида германия (GeO) с поверхности образца.

Сущность изобретения поясняется рисунками, на которых изображено:

На Фиг. 1 представлено РЭМ изображение пористой структуры поверхности германиевой пластины кристаллографической плоскости (100) (растровый электронный микроскоп JEOL JSM-6610 LV).

На Фиг. 2 представлен 3D профиль полученной структуры германиевой пластины (100) (оптический профилометр NanoMap 1000WLI).

На Фиг. 3 представлено РЭМ изображение пористой структуры поверхности германиевой пластины кристаллографической плоскости (111) (растровый электронный микроскоп JEOL JSM-6610 LV).

Пример реализации заявляемого способа.

Из кристалла германия, выращенного методом Чохральского в определенном кристаллографическом направлении, вырезается пластина. Поверхность пластины шлифуется абразивными порошками корунда с размером зерна 40-10 мкм, затем осуществляется полировка суспензиями алмазных порошков с зерном 2-0,5 мкм. Далее проводится термическая обработка пластины при температуре 600°С в высокотемпературной трехзонной трубчатой печи TZF 15/610 CARBOLITE. Термическое травление обеспечивается взаимодействием с кислородом в условиях низкого вакуума (10^-5 Па) в течение 20 часов. В процессе термического травления создается температурный градиент 2°С/см, способствующий удалению оксида германия. В результате, на поверхности пластины образуется структура с равномерным распределением пор, геометрия которых определяется кристаллографическим направлением плоскости пластины.

Полученные пористые структуры были исследованы на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6610 LV (РЭМ) и оптическом профилометре NanoMap 1000WLI. Получены РЭМ изображения Фиг. 1 и Фиг. 3 и 3D профиль Фиг. 2 пористой структуры, образованной в результате термического травления при температурном градиенте.

Поставленная задача создания пористой микроструктуры на поверхности монокристалла германия решена с помощью указанного способа.

Данная структура может быть использована при создании фотодетекторов и солнечных батарей, в полупроводниковых устройствах.

Изобретение относится материаловедению и может быть использовано при изготовлении электродов для аккумуляторных литиевых батарей, полупроводниковых слоёв в приборах и интегральных схемах и фотопреобразователях. Сначала осуществляют подготовку кристаллографически ориентированной пластины монокристаллического германия путём её резки, шлифовки и полировки. Затем пластину подвергают термическому травлению при температуре 600°С в условиях низкого вакуума 10^-5 Па в течение 20 ч при температурном градиенте 2°С/см. Сформированная пористая структура на поверхности монокристаллического германия имеет заданную геометрию и свободна от оксида германия. 3 ил.

Способ получения пористой структуры на поверхности монокристаллического германия, включающий травление кристаллографически ориентированной пластины монокристаллического германия, отличающийся тем, что сначала осуществляют подготовку пластины путем ее резки, шлифовки и полировки, а затем ее подвергают термическому травлению при температуре 600°С в условиях низкого вакуума 10^-5 Па в течение 20 ч при температурном градиенте 2°С/см, в результате чего формируют заданную структуру.