Реальная структура мозаичных кристаллов в системе Ge-Si и условия ее возникновения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Борисова Дарья Александровна

«Реальная структура мозаичных кристаллов в системе Ge-Si и условия ее возникновения»

Специальность 01.04.10 «Физика полупроводников»

005060288

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

3 0 МАЙ 2013

Москва 2013

005060288

Диссертация выполнена на кафедре материаловедения полупроводников и диэлектриков Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и в Институте Металловедения / Материаловедения Технического Университета Фрайбергской Горной Академии

Научный руководитель:

Бублик Владимир Тимофеевич

доктор физико-математических наук, профессор, НИТУ "МИСиС"

Официальные оппоненты:

Мордкович Виктор Наумович

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией, ИГПГМ РАН

Смирнов Игорь Сергеевич

кандидат физико-математических наук, профессор, МИЭМНИУВШЭ

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»

Защита диссертации состоится «27» июня 2013 г. в 14:30 на заседании Диссертационного совета Д 212.132.06 при Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» по адресу: 119049, г. Москва, ГСП-1, Крымский Вал, д. 3, ауд. К-212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского технологического университета «МИСиС» Справки по телефону: + 7 (499) 237-84-45

Автореферат разослан «27» мая 2013 г. Ученый секретарь Диссертационного совета, доц., д.ф.-м.н. /'^¡«^З ' КостишинВ. Г.

Актуальность работы

Экспериментальное доказательство возможности использования дифракции у-излучения привело несколько лет назад к идее создания Гамма-телескопа. Основным элементом у-телескопа является кристаллическая дифракционная линза, состоящая из концентрически упорядоченных элементов (монохроматоров) прямоугольного сечения, расположеных в положении дифракции согласно закону Брэгга. Дифрагированное излучение регистрируется германиевым детектором. В качестве материала для монохроматоров у-излучения был выбран германий вследствие более высокого порядкового номера (чем, например, у кремния) и технологичности. Оптимизация монохроматоров показала, что для достижения более высокой эффективности телескопа, т.е. отражающей способности у-излучения в большем диапазоне энергий (ДЕ), необходимы кристаллы с определенной разориентацией структуры в объеме (параметром мозаичности), равной =20-50".

Появление мозаичности в кристаллах Ge связано со структурными нарушениями кристаллической решетки, которая может достигаться при сильном легировании и при образовании ячеистой структуры. Выбор кремния для легирования кристаллов германия объяииется неограниченной взаимной растворимостью обоих элементов при одинаковом типе и небольшом несоответствии параметра кристаллической решетки. Именно это несоответствие, а также сергегация элементов в процессе роста кристаллов, и позволяет целенаправленно создавать дефектную микроструктуру, приводящую к мозаичности. Исследованные в данной работе кристаллы Ge; ,Si,, выращенные по модифицированному методу Чохральского, использовались в рамках международного проекта „CLAIRE- First light for gamma-ray lens". Поддержку проекта осуществляло Французское Космическое Агенство (French Space Agency, CNES). Целью проекта являлось наблюдение у-излучения, поступающего из области Крабовидной туманности, которая служит "тестовым объектом" в астрофизике.

Исходные условия выращивания Gei_xSix- кристалов с требуемой мозаичностью были подобраны эмпирически. Однако, получение требуемого материала не имело под собой научной базы систематического исследования мозаичной структуры в кристаллах Gei.xSix и не был ясен механизм её возникновения, необходимые для оптимизации условий роста мозаичных кристаллов. Такие систематические исследования были проведены в рамках данной диссертационной работы, что явилось аналитической поддержкой оптимизации процессов роста мозаичных кристаллов, используемых для дифракции у- излучения.

Цель работы

Цель настоящей работы заключалась в подробном анализе реальной структуры мозаичных кристаллов в системе Ge-Si и установлении причин и механизма ее возникновения. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка комплекса структурно-аналитических методов для изучения структуры и свойств мозаичных кристаллов Gei.xSix, выращенных по методу Чохральского.

2. Установление корреляционных взаимосвязей между концентрацией Si и дефектной структурой мозаичных кристаллов Gei_xSix.

3. Определение основного механизма образования мозаичной структуры в кристаллах Gei.xSij.

Научная новизна

1. Понятие "ячеистая (мозаичная) структура", имеющее место в научной литературе, подразделено для кристаллов Ge, xSix на два типа: ростовые ячейки и дислокационная (ячеистая) структура. В границах ячеек выявлены разные типы дислокаций, в том числе геликоидальные, дислокационные узлы, дефекты упаковки, обусловленные несоответствием решетки вследствие флуктуации состава и термическими напряжениями.

2. Корреляция между концентрацией Si и образованием ячеистой структуры, управляемым процессами на фронте кристаллизации, позволяет сделать вывод, что доминирующим механизмом в процессе образования мозаичности в монокристаллах Gei.xSix является образование сегрегационной/ ростовой структуры, сопровождающееся повышением макрооднородности материала. Напряжения несоответствия решетки, обусловленные флуктуацией состава и вызывающие локальную разориентацию решетки (мозаичность), а также термические напряжения компенсируются генерацией дислокаций, упорядочивающихся вследствие высокотемпературной миграции аналогично полигонизации преимущественно в границах ростовых ячеек. Поддержание постоянного состава расплава в процессе роста кристалла при соблюдении постоянства других параметров выращивания (скорость вытягивания, скорости вращения тигля и кристалла) имеет определяющее вляние на образование необходимой мозаичности.

3. Предложена феноменологическая модель, отражающая механизм роста ячеистой структуры в монокристаллах Gei_xSix. Сделан аналитический вклад в исследование влияния тангенциальных потоков расплава вблизи фронта кристаллизации на образование ячеистой структуры.

Практическая значимость работы

1. На основе разработанного комплекса структурно-аналитических методов в работе предложен подход к изучению структуры и свойств мозаичных кристаллов Се 1_х81х, который можно применить к изучению кристаллов, выращенных в различных условиях.

2. Установлен интервал концентрации 51 в кристалле, в котором происходит образование мозаичной структуры при данных условиях выращивания, что является вкладом в усовершенствование процесса выращивания кристаллов Св1.х51х с управляемой мозаичностью.

3. Разработана методика металлографической подготовки образцов кристаллов Се1.х51х с целью оптимального выявления структурных дефектов, определения плотности дислокаций по ямкам травления (ерсГ) и междислокационных расстояний.

4. По параметрам локальной разориентации кристаллической решетки произведена оценка плотности нескомпенсированных дислокаций, а также соответствующих междислокационных расстояний при данных условиях выращивания.

5. Кристаллы Се|_х51х, исследованные в диссертации, были использованы для создания дифракционной Лауэ-линзы первого в мире у-телескопа для исследования космического гамма-излучения.

Научные результаты, выносимые на защиту

1. Разработка комплекса структурно-аналитических методов для изучения структуры и свойств мозаичных кристаллов Се^Б^, выращенных по методу Чохральского

2. Вывод о двойственном характере мозаичности на основе экспериментальной систематизациии мозаичной структуры в кристаллах Ос|

3. Корреляция между концентрацией в твердой фазе и локальной разориентацией в мозаичном кристалле. Механизм образования мозаичной/ ячеистой структуры.

4. Феноменологическая модель образования мозаичной структуры в кристаллах Се^Би на основе совокупности экспериментальных результатов и литературных данных.

Апробация работы

Результаты исследований, вошедшие в работу, доложены и обсуждены в рамках 6 национальных и международных конференций, а также опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в 3 работах в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

[1]: О. Воп^оуа, Е.Ви!^, V. Юетт, Н.1.Мб11ег, Р.Яаие; Выращивание и свойства кристаллов Б1Се, "Материалы Электронной Техники", Известия Вузов, Москва, 4 (2000) 3436.

[2]: N.V. Abrosimov, A. Lüdge, H. Riemann, V.N. Kurlov, D. Borissova, V. Klemm, H. Halloin, P. von Balmoos, P. Bastie, B. Hamelin, R.K. Smither; Growth and properties of Gei.xSi„ mosaic single crystals for y-ray lens application. Journal of Crystal Growth 275 (2005) e495-e500.

[3]: W. Miller, N.V. Abrosimov, I. Rasin, D. Borissova; Cellular growth of GeSi single crystals; Journal of Crystal Growth 310 (2008) 1405-1409.

[4]: D. Borissova, E. Burig, V. Klemm, H.-J. Möller, P. Raue: Выращивание и свойства кристаллов SiGe. Тезисы доклада на П Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния (Кремний 2000), 9-11 февраля 2000г., МИСИС, Москва, с. 138.

[5]: D. Borissova, V. Klemm, N.V. Abrosimov, V. Alex, U. Juda, H. Oettel: Mosaic structure in GeSi - bulk crystals: metallography and optical analysis, Abstracts of 2nd French German Crystal Growth Meeting (FGCGM), Nancy, 10-13 March 2003, S. 72.

[6]: M.Stockmeier, M.Weisser, D.Borissova, N.V.Abrosimov, R.Hock, A.Magerl: Mosaic structure in SiGe-Crystals investigated with High-Energy X-Ray diffraction. Abstracts of Deutsche Gesellschaft fuer Kristallographie DGK/ DGKK 15- 19 March 2004, Jena, Germany, p. 58.

[7]: N.V.Abrosimov, A.Lüdge, H.Riemann, V.N.Kurlov, D. Borissova, V.Klemm, H.Halloin, P.von Ballmoos, P.Bastie, B.Hamelin, R.K.Smither: Growth and properties of Gei.xSix mosaic single crystals for gamma ray lens application. Abstracts of 14th International Conference on Crystal Growth (ICCG), 9-13.08.2004, Grenoble, France, Edited by T.Duffar, M.Heuken, J.Villain, p. 277.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, 8 выводов, библиографического списка из 89 источников и 5 приложений. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 123 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проведений в Главе 1 „Теоретические основы" анализ литературных данных о свойствах и реальной структуре кристаллов системы Si-Ge, выращенных различными способами, в особенности по методу Чохральского, а также имеющихся представлений об образовании мозаичной/ ячеистой структуры показал, что мозаичные структуры в полупроводниках, в особенности в системе Si-Ge, изучены недостаточно. Тем не менее, некоторые фундаментальные представления о процессе образования ячеистых структур составляют основу для развития и успешного применения различных методик выращивания и исследования кристаллов.

Монокристаллический рост в системе Si-Ge возможен при концентрации второго компонента до 5-10ат%, в редкий случаях до 15ат%. Дальнейшее увеличение концентрации ведет к образованию поликристалла. Ячеистая структура в монокристаллах системы Si-Ge (обогащенных как Si, так и Ge) образуется по причине концентрационного переохлаждения вблизи фронта кристаллизации вследствие сегрегации второго компонента, различия параметров решетки Si и Ge, составляющего 4,2%, а также превышения предельно допустимой скорости выращивания для заданного состава.

Имеются некоторые качественные представления о процессе образования ячеистых структур, их кристаллографической и концентрационной зависимости, в частности, наблюдается зависимость между концентрационным переохлаждением, геометрией фронта кристаллизации, а также образованием и взаимодействием дислокаций и точечных дефектов при высоких температурах, которое, аналогично полигонизации, может приводить к возникновению мозаичности. Однако, в немногих имеющихся публикациях отсутствует подробное описание мозаичных структур в системе Si-Ge, в частности, количественная зависимость локальной разориентации как параметра мозаичности от концентрации второго элемента. Все это делает необходимыми дальнейшие детальные исследования, проведенные в данной диссертационной работе.

В Главе 2 рассматриваются методы исследования мозаичных кристаллов Gei .Si..

В разделе 2.1. проводится описание исследованных образцов. Монокристаллы Gei.xSix выращивались в Институте Роста Кристаллов в Берлине, Германия, относящемся к научному сообществу Лейбница (Leibniz Institut für Kristallzüchtung (1KZ) Berlin) по модифицированному методу Чохральского. Для получения равномерного распределения Si по длине кристалла обеднение расплава кремнием в процессе выращивания, происходящее вследствие того, что коэффициент распределения Si в Ge больше единицы, компенсировалось путем синхронного растворения в расплаве кремниевых стержней. В диссертационной работе исследовались кристаллы, выращенные с ориентациями (100), (111), (211), (110) и (130) при постоянных скорости выращивания б мм/час, температурном градиенте 25К/ем, и концентрации Si <2ат.% по длине кристалла. Образцы вырезались перпендикулярно (поперечный срез) и параллельно (продольный срез) оси кристалла.

Методика приготовления образцов была разработана для получения а) зеркально полированной поверхности для рентгеноструктурных исследований, б) качественного, быстрого и неагрессивного селективного протравливания образцов для оптико-микроскопического анализа. Подготовка образцов вследствие их уникальности, а также особенностей механических свойств Ge, осуществлялась автором работы индивидуально в лабораториях Института Металловедения/ Материаловедения Технического Университета

Фрайбергской Горной Академии (Institut für Metallkunde/ Institut für Werkstoffwissenschaft, TU Bergakademie Freiberg, в дальнейшем: IMK/IWW). Механическая шлифовка образцов осуществлялась на машине „Struers" при помощи шлифовальной бумаги „Struers" зернистостью 500-4000. Заключительная механическая полировка проводилась на машине „Struers" при помощи полировальных тканей для алмазных суспензий зернистостью в 3 и 1мкм на водной основе, что позволило получить идеальную зеркальную поверхность образцов. При выборе и усовершенствовании методики селективного травления Gei_xSix был учтен опыт исследования кристаллов SiGe [1], выращенных по методу Бриджмена. Тест селективных травителей: HN03:HF:CH3C00H (СР-4А), HF:HN03:H20, HN03:HF, К2Сг207:НР:Н20 (Secco), HF:Cr03 (Sirtl) привел в выбору оптимального раствора HF:HN03:CH3C00H (1:6:1). Средняя длительность травления при комнатной температуре составляла 2-5 минут. Для проведения исследований в просвечивающем электронном микроскопе из образцов толщиной <200 мкм, в IMK/IWW в ультразвуковом микробуре Ultrasonic Disc CutteröOl, Gatan были получены шайбы диаметром Змм; получение тонких фольг проводилось в аппаратах Dimpler 605 и PIPS (Precision Ion Polishing System), Gatan.

В разделе 2.2. представлен комплекс экспериментальных методов для исследования мозаичной структуры в кристаллах Gei_xSix, выбранные на основании анализа литературы, результатов исследований кристаллов Si|.xGex, проведенных автором в [1], а также работ при подготовке DFG-проекта ОЕ-146/15.

Визуализация и систематизация мозаичной структуры проводилась автором при помощи:

- Световой/ оптической микроскопии (ОМ) на микроскопе NEOPHOT 30, Carl Zeiss Jena с увеличением 30-1000х, IMK/IWW, для исследования структурных дефектов на протравленных образцах, их распределения и плотности.

- Топографии и профилометрии отдельных протравленных ячеек на профилометре atomic force microscope (AFM) (объектив ULTRAObjective на микроскопе Reichert Polyvar 2, Leica) в рамках совместного DFG-проекта в IKZ.

Для выявления корреляции между (Ьлуктуациями состава и мозаичности применялись:

- Измерение локальной разориентации: Рентгенодифракционный (РД) анализ в геометрии высокого разрешения на трехкристалльном дифрактометре URD6, Freiberger Präzisionsmechanik в IMK/rWW. Расчет параметров РД-профилей проводился в программе MATLAB/XFit. Измерение разориентаций в объеме образцов (толщина =3мм) было проведено с высокой точностью при помощи высокоэнергетической РД-спектроскопии в геометрии Лауэ в рамках совместной работы на кафедре кристаллографии и структурной физики (Lehrstuhl für Kristallographie und Strukturphysik (LKS)) в Институте Прикладной

Физики Университета Эрлангена-Нюрнберга на разработанном там дифрактометре (ускоряющее напряжение 300keV).

- Анализ состава: локальный микрорентгеноспектральный (микрозондовый) анализ МРА концентрации Si на продольных и поперечных срезах кристаллов проводился в IMK/1WW на приборе JXA 8900 RL, включающем 5 кристалл-спектрометров и энергетически-дисперсионную систему EDX с разрешением 1мкм. Макроскопическое распределение Si по длине кристаллов было исследовано при помощи инфракрасной спектроскопии (FTIR) в IKZ на спектрометре FTIR (Brucker IFS 66v). Измерения инфракрасного пропускания проводятся вблизи края непрямого поглощения (0,67eV для Ge, 1,1 eV для Si), по сдвигу положения фононного пика определяется химический состав в объеме.

Для анализа структурных дефектов и их распределения в мозаичных кристаллах:

- Съемка карт обратного пространства (КОП) на трехкристальном РД URD6, Freiberger Prazisionsmechanik_ в IMK/1WW.

- Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ/ТЕМ) структурных дефектов в мозаичных областях кристаллов проводилась в режимах дифракционного контраста и высокого разрешения (HRTEM) в IMK/IWW в микроскопе JEM 2010 FEF (ускоряющее напряжение 200keV). Анализ результатов проводился при помощи индицирования картин дифракции и Фурье-трансформаций (FFT) с использованием программ Digital Micrograph, WinWULFF и стандартных стереографических проекций.

В Главе 3 проводится описание результатов исследований и анализ реальной структуры мозаичных кристаллов Geu,Si. и ее зависимости от состава кристалла как параметра выращивания.

В разделе 3.1. сделаны предварительные выводы о механизме образования мозаичности на основе анализа результатов исследований методами ОМ и лрофилометрии и литературных данных. Понятие "мозаичная структура в монокристаллах Gei-xSix" было впервые подразделено на два типа: "ростовые ячейки" и "дислокационная (ячеистая) структура". Концентрационное переохлаждение расплава вблизи границы раздела фаз расплав- кристалл обусловливает нестабильность фронта кристаллизации, отражающуюся в его волнообразной форме (рис. 86). Амплитуда отклонения фронта кристаллизации от плоского растет, пока поверхности "волн" не выстроятся параллельно кристаллографическим плоскостям (111), замедленный рост которых происходит благодаря их плотнейшей атомной упаковке. С этого момента начинается образование ростовых ячеек, "ограненных" плоскостями преимущественного роста {111) (рис. 1, 3, 86), имеющее важное значение для достижения необходимой мозаичности в монокристаллах. Термические напряжения,

возникающие во время охлаждения кристалла от температуры кристаллизации, а также локальное несоответствие решетки по причине сегрегации Si приводят к образованию дислокаций, которые, аналогично полигонизации, могут упорядочиваться в дислокационные ячейки. Генерация дислокаций в границах ростовых ячеек наиболее характерна для мозаичных областей кристаллов Gei_KSix. Нескомпенсированные дислокации обусловливают разориентацию плоскостей кристаллической решетки. Механизмом упорядочения дислокацй является их скольжение по плоскостям {111}, а также переползание при температурах, близких к температуре плавления Тпл, вследствие низкой энергии дефектов упаковки.

Методом ОМ были исследованы кристаллы Gei_xSij пяти ориентаций: (100), (211), (111), (110), (130). Из них наиболее подробно исследовались (100)-, (211)- и (111)-кристаллы. Ростовая ячеистая структура наблюдается в большинстве случаев в начальной и средней части кристаллов; к завершению кристаллизации часто начинается поликристаллический рост. Ячеистая структура располагается вблизи центра кристалла вследствие более слабого перемешивания расплава. На периферии поперечного сечения наблюдается идеальный монокристаллический рост по причине улучшенной конвекции расплава. На протравленных поперечных сечениях ростовые ячейки имеют форму сот, геометрия которых зависит от расположения граней {111) по отношению к направлению роста кристалла (Рис. 1, 3, 8а); площадь мозаичной области достигает нескольких см2. На продольных сечениях ростовые ячейки проявляются в виде столбчатой структуры,. расположенной перпендикулярно фронту кристаллизации (рис. 5, 8 б, с). По длине кристалла ячеистая структура может прерываться и начинаться снова вследствие проявлений нестабильности условий роста. Полосы роста, типичные для выращенных из расплава кристаллов, обусловлены колебаниями скорости кристаллизации, вызванными конвекцией в расплаве, и неидеальной симметрией температурного поля. Форма полос роста отражает форму фронта кристаллизации в каждый момент роста кристалла.

Было установлено, что в некоторых областях - преимущественно вблизи периферии кристалла, и в центре, где ростовые ячейки не сильно выражены, дислокации образуют самостоятельные слабо выраженные ячейки, выявляемые как упорядоченные в «сотовые» конфигурации дислокационные ямки травления (Рис. 2).

Наибольшая общая плотность дислокаций наблюдается в областях кристалла, содержащих ростовые ячейки, при этом большинство дислокаций расположено в границах ячеек, а центр ячеек - малодислокационный. В направлении периферии поперечного сечения кристалла плотность дислокаций снижается, а у самого края кристалла опять возрастает, что обусловлено распределением температурного поля в кристалле во время охлаждения от Ткр. Меняющаяся плотность дислокаций в локальном обьеме границ ячеек (Рис. 3)

свидетельствует об остаточных напряжениях. Полностью "закрытые" дислокациями границы свидетельствуют о больших разориентациях ячеистой структуры и начале перехода от ячеистого роста к субструктуре и поликристаллическому росту. В (111)- кристаллах дислокационные структуры образуют симметричные "шестиконечные звезды" либо "шестиугольники" соответственно кристаллографической системе скольжения (111) (Рис. 7,а). Таким образом, зависимый от ориентации кристалла "эффект грани" влияет на форму и однородность ячеистой структуры.

у v. v.: /.-•- :.

ъг: - •

« о» / • • 7*.

XQwai ■ О1-1)

Селективное травление. ОМ: Рис. 1. Ростовые ячейки на поперечном срезе (100)-кристалла Се|.х81х.

Рис. 2. Слабо выраженные Рис. 3. Дислокации в

дислокационные ячейки без границах ростовых

ростовых ячеек, поперечный срез ячеек, поперечный срез

(Ш)-кристалла. (211 )-кристалла.

Средняя плотность дислокаций была оценена по дислокационным ямкам травления и составила = 104-5 105см"2 без учета дислокаций большой плотности в границах ростовых ячеек. Линейная плотность дислокаций в границах ростовых ячеек =103-104см"1. При этом 104см~' - плотность, при которой отдельные дислокационные ямки травления в границе еще могут быть разрешены в ОМ. Широкий диапазон значений плотности обьясняется ориентационной зависимостью дефектной картины, получаемой при селективном травлении. Междислокационные расстояния при условии возможности селекции контраста отдельных дислокационных ямок травления составляют 5-40мкм, а в стенках ростовых ячеек при плотной "декорации" их дислокациями =1-10мкм.

В разделе 3.2. была определена величина разориентации ячеистой структуры в характерных областях кристаллов Се^ь, при помощи РД-анализа в трехкристальном дифрактометре по кривым качания (КК). Расчет значений разориентации в обьеме кристаллов проводился по КК, снятым на высокоэнергетическом Лауэ-дифрактометре (Рис. 4). Профили разориентации по длине (112)- кристалла, полученные при помощи обеих методик, сопоставимы для начальной части кристалла. Различие параметров в кристалле с =40-50мм длины объясняется тем, что в случае высокоразрешающей РД измерялось локальное состояние поверхности при глубине проникновения рентгеновских лучей <5мкм, а

в случае высокоэнергетической РД-Лауэ-спектрометрии проводился анализ массивного образца на прохождение рентгеновских лучей в геометрии Лауэ; с данной длины кристалла наблюдается большой разброс значений разориентации, что свидетельствует о множестве различно разориентированных блоков/ ячеек в объеме кристалла.

Методом трехкристальной РД по полуширинам КК для (211)-кристалла были оценены средние плотности нескомпенсированных дислокаций, характеризующих локальную разориентацию в объеме блоков/ ростовых ячеек, в диапазоне =1,6103-З,810бсм"2, и соответствующие междислокационные расстояния =2-80 мкм. По угловым интервалам между соседними пиками КК производилась оценка междислокационных расстояний в границах блоков/ ячеек, равных =0,2-20 мкм, соответствующие линейные плотности дислокаций составляют ~5-102-5- 104см"'. Результаты согласуются с данными ОМ.

С помощью профилометрии были оценены средние углы наклона граней протравленных ячеек к исходной плоскости поперечных срезов кристаллов, составляющие =20-200" (Рис. 8, а). В этом же интервале лежат разориентации, определенные методами РД. Следовательно, комбинированный метод селективного травления и профилометрии может быть применен для оценки локальной разориентации ячеистой структуры.

Анализ влияния концентрационной неоднородности на образование мозаичности в кристаллах Gei_xSix был проведен в разделе 3.3. Концентрация Si вдоль (110)-про дольно го среза (211)-кристалла, на котором проводились детальные измерения разориентации (Рис. 4), была определена методами FTIR (измерения в объеме кристалла, погрешность =0,2ат%) и МРА (измерения на поверхности кристалла в областях до 1-2мм, погрешность =0,1 ат%); оба метода позволили получить сходные результаты (рис. 5). Корреляция между профилями распределения разориентаций и состава по длине (211)- и (111)- кристаллов указывает на концентрационную зависимость мозаичности при постоянстве условий выращивания кристаллов (скорость роста, температурный градиент). Оптимальная мозаичность в =20-50" (Рис. 4) наблюдается при концентрационном интервале 1,5-2ат% (Si) приблизительно до 4050мм длины кристалла (Рис. 5), где ростовые ячейки отсутствуют, а также в узкой ячеистой области, где ширина ячеек минимальна. Увеличение концентрации Si в середине кристалла привело к развитию блочности, заметной на КК (РД), ширина ростовых ячеек увеличилась. "Скачок" концентрации до 3,4ат% Si (=60мм, Рис. 5) обусловил большую неоднородность блочной/ ячеистой структуры с большим разбросом параметров разориентации до =600" (Рис. 4), свидетельствующий о сбое однородного роста и существенном превышении мозаичности в объеме кристалла, необходимой для дифракции у-излучения, т.к. выраженная блочность снижает эффективность дифракции у-излучения соответствующим объемом кристалла. При этом в объеме наблюдаются также локальные разориентации в 40-90". К

концу кристалла наблюдается поликристаллический рост из-за нарушения оптимальных условий выращивания при уменьшении объема расплава. Следовательно, только начальная часть кристалла может использоваться для изготовления элементов кристаллической линзы у-телескопа. В (Ш)-кристале оптимальная мозаичность наблюдается при концентрации =],5-2,5ат% $1 в кристалле. Таким образом, целенаправленная мозаичность в объеме кристаллов с целью их использования для дифракции у-излучения достигается при данных параметрах выращивания в концентрационном интервале =Т,5-2,5ат%81 в твердой фазе.

Рис. 4. Значения разориентации ["] по длине (ПО)- ориентированного продольного среза (211)-кристалла Се81-168 (Рис. 5), высокоэнергетическая РД-спектрометрия (большие точки: мозаичность из полного уширения КК, малые точки: локальные разориентации внутри блоков, пустые точки: разориентации блоков, оцененные по угловым расстояниям между пиками КК).

О ■■ Ж 4Ш

Рис. 5. Корреляция распределения 51 (КЛЯ вверху и МРА внизу) и ячеистой структуры (селективное травление, ОМ) по длине продольного среза (211)-кристалла. Слева - начало, справа — конец кристалла.

Периодичность колебаний состава на поперечных срезах совпадает с распределением и величиной ростовых ячеек. Границы ячеек вследствие сегрегации обеднены по 81 по сравнению с центром ячеек. Разница состава между центром и границей ячеек составляет =0,1-0,3 ат% 81. Следовательно, в кристаллической решетке твердого раствора происходят периодические колебания параметра решетки между центрами и границами ячеек, т.е. в радиальном направлении перпендикулярно направлению роста. Значения параметров решетки а, рассчитанные по угловому положению пиков кривых дифракционного отражения (КДО) (погрешность -1%), снятых в трехкристальном РД, в зависимости от концентрации 81, совпадают в пределах ошибки измерения (0,1% от теоретического значения а) с параметрами, рассчитанными по правилу Вегарда в данном концентрационном интервале. Таким образом, неоднородность состава в кристаллах подтверждается данными РД-анализа.

Измерения распределения интенсивности дифрагированного луча 1(д) как функции отклонения вектора дифракции б от вектора обратной решетки Я (с]=Н-С, дЛ Н,

на трехкристалъном РД позволяют сделать выводы о микронапряжениях вследствие неоднородности состава и разориентациях в измеряемом объеме кристалла. Представленные в координатах карты обратного пространства (КОП), снятые в областях, не содержащих ростовые ячейки, не имеют большого уширения узла обратной решетки в направлении qx, что говорит об отсутствии существенной локальной разориентации (Рис. 6, слева). Значительное уширение в направлении qz (как и на профилях КДО) с асимметрией в сторону меньших углов дифракции, т.е. больших параметров решетки, свидетельствует о неоднородности состава. Можно предположить, что решеточные микронапряжения вследствие негомогенности состава в монокристалле компенсируются дислокациями, приводящими лишь к незначительной разориентации. КОП от ячеистых областей имеют сравнительно небольшое уширение узла обратной решетки в направлении qz (Рис. 6, справа, сравните Рис. 3), т.е. значительная неоднородность состава в отдельных ячейках отсутствует. Уширение КОП в направлении велико; заметна четкая разориентация отдельных блоков/ ячеек, уширение КОП отдельных блоков по оси qx также невелико. КК, снятая в этой области, соответствующая сечению КОП по оси qx, насчитывает также несколько пиков, по угловому расстоянию между которыми были рассчитаны локальные разориентации между блоками/ячейками =7-30", и междислокационные расстояния =3-12мкм, характерные для дислокаций в границах ростовых ячеек, наблюдаемых в ОМ. На Рис. 6 в центре представлена модель 2 "крайних случаев" релаксации напряжений, вызванных локальными флуктуациями состава, при помощи а) дислокаций в объеме монокристалла и б) декорации стенок ростовых ячеек дислокациями. Следовательно, ростовые ячеистые структуры характеризуются большей однородностью состава и дефектной структуры, чем области монокристалла, не содержащие ячейки. Основная плотность (нескомпенсированных) дислокаций сосредоточена в границах ячеек, что подтверждается данными ОМ (Рис. 3).

Рис. 6. КОП, поперечные сечения (211)-кристалла, отражение (422). Слева: начало кристалла, область без выраженной мозаичности. Справа: конец кристалла с ростовыми ячейками. В центре: модель распределения дислокаций при компенсации напряжений а) дислокациями в объеме ячеек либо монокристалла (сравните КОП слева), б) генерацией дислокаций в границах блоков/ ростовых ячеек (сравните КОП справа).

Характер распределения контуров диффузного рассеяния на КОП свидетельствует о наличии в мозаичных структурах плоских микродефектов (МД), распределенных в ячеистых областях более однородно, чем в областях, не содержащих ячейки. Такими МД могут быть дислокационные петли, источником которых при температуре, близкой к Тпл. являются, в частности, геликоидальные дислокации, наблюдаемые в ОМ в границах некоторых ростовых ячеек (Рис. 7, а). Двумерными являются также дефекты упаковки, наблюдающиеся в области границ ячеек при помощи высокого разрешения в ПЭМ (Рис. 7,в). Для границ ячеек характерны дислокационные узлы (Рис. 76), образующиеся вследствие высокотемпературного стока дислокаций к энергетически выгодным позициям, аналогично полигонизации.

Рис. 7. а) геликоидальная дислокация в углу ячеистой структуры (Ш)-кристалла: (селективное травление, ОМ); б) дислокационный узел в границе ростовой ячейки; ПЭМ (дифракционный контраст); в) пересечение дефектов упаковки, лежащих в разных плоскостях {111) и соответствующая кристаллографическая проекция; (211 )-кристалл, граница ростовой ячейки (ПЭМ с высоким разрешением).

Таким образом, доминирующим механизмом в процессе образования мозаичности в кристаллах Gei_xSix является образование сегрегационных/ ростовых структур. При росте кристалла из расплава по достижении условий на фронте кристаллизации, соответствующих концентрационному переохлаждению (скорость кристаллизации, превышающая критическое значение для заданной концентрации Si в расплаве) происходит изменение механизма роста - гладкая форма фронта кристаллизации сменяется волнистой. Достижение определенной периодической флуктуации состава/ параметра решетки между границами и центрами ячеек перпендикулярно направлению роста вследствие сегрегации Si приводит к локальной разориентации в кристалле; идеально монокристаллический рост сменяется ячеистым с „огранкой" ростовых ячеек плоскостями {111}, сопровождающимся повышением макрооднородности материала. Напряжения несоответствия решетки в кристалле, обусловленные флуктуацией состава, а также термические напряжения компенсируются генерацией дислокаций и других структурных дефектов и их упорядочением вследствие высокотемпературной миграции преимущественно в границах ячеек.

1в)

В разделе 3.4. предложена феноменологическая модель образования ячеистой структуры в монокристаллах Ое^Бь. отражающая вывод о доминирующей роли концентрационной неоднородности в формировании этой дефектной структуры, дающей существенный вклад в мозаичность. С помощью ОМ и профилометрии (Рис. 8,а) была определена ширина ростовых ячеек, равная 100-400мкм (без учета протяженных ячеек в области эффекта грани). При допущении, что радиальная флуктуация состава (параметра решетки) между центром и границей ячеек компенсируется локальной разориентацией плоскостей решетки, из величины параметра мозаичности (разориентации) а=20-50", оптимальной для дифракции у-излучения и выявленной в мозаичных кристаллах при помощи методов РД (Рис. 4), для среднего размера ячеек =200-400 мкм была рассчитана амплитуда отклонения фронта кристаллизации от плоского (Рис. 8, б, в):

ДЬ = ^(ширина ячейки) • tg а, (1)

составляющая =10-50 нм. Количество атомных слоев, соответствующее ДЬ:

п = ---(2),

равно «250000-1200000. Толщина кристалла вдоль оси роста с п атомными слоями:

Ьо= п'асй! (3)

составляет 140-680 мкм и соответствует наблюдаемой в ОМ толщине кристалла, на протяжении которой гладкая форма фронта кристаллизации сменяется волнистой с заключительной стадией образования ячеистой структуры (Рис. 8, б, в).

Сечения граней (111), соответствующих полосам роста, „гранями" протравленной ростовой ячейки

направление роста грани

{1иГ ч/

3) ' ^^ишии б) ^ ~ ♦—границы ячейки----в)

Рис. 8. а) Топография и профилометрия протравленной ростовой ячейки (100)-кристалла Ое1_х51х (поперечный срез); наклон „граней" ячейки =100", б) начало образования ячеистой структуры (продольный срез); с) модель компенсации несоответствия решетки разориентацией а, напряжения компенсируются дислокациями (_1_) в границах ячеек.

Несоответствие решетки Г при средних концентрации Бі =2 ат% и разнице концентрации между центром и границей ячеек =0,2ат%, для параметров решетки, вычисленных по правилу Вегарда из соответствующих концентраций:

^СлЯ а ЦенпгрЯчейки

Деформация решетки £ составляет для 2а 1% 81 (по правилу Вегарда аое5*= 0,56525нм):

^ (5)

<1 аСе51 <1

где 1 - междислокационное расстояние в границе ячейки, Ь - вектор Бюргерса:

Ь= < 110 > = 0,4нм. (6)

При допущении, что разориентация а, обусловленная периодической флуктуацией состава/ параметра решетки, вызывает напряжения несоответствия решетки, полностью

компенсирующиеся генерацией дислокаций (е = 0): Г = 10"4 =—, для 2ат% №) среднее

с!

междислокационное расстояние <1 =4 мкм. Локальная разориентация, оцененная для случая

краевых дислокаций, находящихся на равном расстоянии с1 друг от друга, по формуле:

Ь Ь

с! =- или для малых углов/ разориентаций: с! = — , (7)

2вт(ог/2) а

составляет при этом =20"; для разориентации ос=20-50", оптимальной для дифракции у-

излучения, расстояние между нескомпенсированными дислокациями должно составлять

= 1,5-4мкм, что соответствует линейной плотности дислокаций (2,5-6,7)' 103см'; (1<1мкм

соответствует а >80". Полученный результат подтверждается данными ОМ- и РД-анализа.

Результаты исследования структуры с помощью ОМ были использованы в рамках

совместной работы с 1К2 при разработке модели кристаллизации [3], учитывающей

встраивание атомов в решетку йе, а также кинетические процессы. Было учтено влияние

конвекции вблизи фронта кристаллизации (тангенциальных потоков) на ориентацию

ростовых ячеек и поведение фазовой границы в процессе моделирования. Был установлен

период стабилизации ячеистой структуры (время "разрастания" ячеек до определенной

ширины) =12 мин при используемых условиях выращивания, соответствующий длине

кристалла =1,25мм. Благодаря наличию тангенциальных потоков расплава ростовые ячейки

образуются не строго перпендикулярно фронту кристаллизации.

Выводы

1. На основе разработанного комплекса структурно-аналитических методов в работе предложен подход к изучению структуры и свойств мозаичных кристаллов Оеьх81х, который можно применить к изучению кристаллов, выращенных и при других условиях. Результаты исследований являются вкладом в усовершенствование процесса выращивания. Мозаичные

17

кристаллы Сеі_х5іх, исследованные в диссертации, были использованы для создания первого в мире у-телескопа для астрофизических исследований.

2. Наблюдается двойственный характер мозаичной структуры: ростовые ячеистые структуры обусловлены концентрационной неоднородностью, а напряжения в кристалле компенсируются генерацией дислокаций.

3. Выявлена корреляция между флуктуациями концентрации і и локальной разориентации (параметра мозаичности) по длине кристаллов при постоянных прочих условиях выращивания. Концентрационный/ сегрегационный механизм является доминирующим в процессе образования ячеистой структуры в кристаллах Сеі.х5іх.

4. Установлен интервал концентрации 5і =1,5-2,5ат% в кристаллах, выращенных со скоростью бмм/час при аксиальном температурном градиенте 25К/см, при котором в кристаллах образуется мозаичная структура е разориентацией 20-50", необходимая для дифракции у- излучения. При оптимальной мозаичности расстояние между нескомпенсированными дислокациями составляет *=1,5-4мкм, а соответствующая линейная плотность дислокаций =(2,5-6,7)- 103см"'; расчетные параметры соответствуют параметрам, определенным экспериментально.

5. Установлены характер и распределение дефектов в мозаичных структурах. В областях ростовых ячеек распределение дефектов более гомогенно, чем в чисто монокристаллических областях. Геликоидальные дислокации, дислокационные узлы и дефекты упаковки в границах ростовых ячеек свидетельствуют о высокотемпературной миграции в границы ячеек дислокаций, образовавшихся по причине несоответствия решетки вследствие флуктуации состава, а также локальных температурных флуктуаций.

6. На основе совокупности экспериментальных результатов, а также современных отечественных и зарубежных литературных данных представлена феноменологическая модель образования мозаичной/ ячеистой структуры в монокристаллах Сеі_х5іх. Сделан вклад в изучение влияния конвекционных процессов в расплаве у фронта кристаллизации на образование мозаичности.

7. Усовершенствована методика приготовления качественных образцов для структурного анализа кристаллов Сеі.х5іх, включающая обработку образцов и селективное травление. Оптимальным травящим раствором является ШШЖ^СНзСООН (1:6:1) с длительностью травления: 2-5 мин при комнатной температуре.

8. Впервые установлено, что комбинация селективного травления и профилометрии может быть использована в качестве метода приблизительной оценки локальной разориентации мозаичных кристаллов.

Подписано в печать:

20.05.2013

Заказ № 8515 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Министерство образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

„ 04201358011

На правах рукописи

БОРИСОВА ДАРЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА

Реальная структура мозаичных кристаллов в системе Ge-Si и

условия ее возникновения

Специальность 01.04.10 - "Физика полупроводников"

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель-доктор физико-математических наук профессор Владимир Тимофеевич Бублик

Москва-2013

Диссертация выполнена на кафедре материаловедения полупроводников и диэлектриков Национального исследовательского

технологического университета «МИСиС» и в Институте Металловедения / Материаловедения Технического Университета Фрайбергской Горной Академии

Оглавление стр

Введение..............................................................................................................................................................................4

Глава 1. Теоретические основы..................................................................................................................................10

1.1 Выращивание и свойства кристаллов системы веБ!..........................................................10

1.2 Образование мозаичных/ ячеистых структур в монокристаллах. Примеры мозаичной структуры в кристаллах веБ!..................................................................................................17

1.2.1 Ростовая мозаичность..............................................................................................................................17

1.2.2 Дислокационная ячеистая структура..........................................................................................20

Выводы по главе 1 ............................................................................................................................................................22

Глава 2. Методы исследования мозаичных кристаллов Се1_х81х..............................................................24

2.1 Описание образцов............................................................................................................................................................................24

2.1.1 Выращивание кристаллов Се1.х81х....................................................................................................24

2.1.2 Шлифовка и полировка кристаллических образцов........................................................25

2.1.3 Разработка процесса селективного травления................................................................26

2.2 Методы исследования структуры................................................................................................................................26

2.2.1 Визуализация и систематизация мозаичных структур..........................................................27

2.2.1.1 Исследования в оптическом микроскопе ..................................................................27

2.2.1.2 Профилометрия ячеистых структур......................................................................................28

2.2.2 Выявление корреляции между распределением состава и локальной разориентации (мозаичности) в кристаллах............................................................................................................................29

2.2.2.1 Измерение локальной разориентации мозаичных областей

(параметра мозаичности)............................................................................................................................................................................................29

2.2.2.1.1 Трехкристальная рентгенографическая дифрактометрия....................29

2.2.2.1.2 Высокоэнергетическая рентгеновская Лауэ-спектроскопия..........34

2.2.2.2 Определение состава кристаллов..................................................................................................................35

2.2.2.2.1 Микрорентгеноструктурный анализ (МРА)........................................................35

2.2.2.2.2 Просвечивающая инфракрасная спектроскопия (РТШ)....................37

2.2.3 Анализ структурных дефектов и их распределения в мозаичных кристаллах............................................................................................................................................................................................................................................38

2.2.3.1 Съемка карт обратного пространства КОП с помощью

трехкристалыюй РД-спектрометрии..........................................................................................................................................38

2.2.3.2 Выявление структурных дефектов в мозаичных кристаллах методом

просвечивающей/ трансмиссионной электронной микроскопии............................................................40

Глава 3. Результаты исследований: анализ реальной структуры мозаичных

кристаллов ве^!*................................................................................................................................................................................41

3.1 Систематизация мозаичной / ячеистой структуры в зависимости от ориентации кристаллов ве! х81х..................................................................................................................................................................41

3.1.1 Ростовые ячеистые структуры......................................................................................................................41

3.1.2 Дислокационные структуры......................................................................................................................................45

3.1.3 Образование обедненных кремнием «капель» в границах ростовых ячеек 49

3.2 Определение величины разориентации как параметра мозаичности............. 50

3.3 Определение доминирующего влияния концентрационной неоднородности

на образование мозаичности в кристаллах Ое1.х81х.................................................... 53

3.3.1 Корреляция между концентрацией и разориентацией........................... 53

3.3.2 Выявление концентрационной зависимости структуры кристаллов по кривым дифракционного отражения................................................................ 56

3.3.3 Выявление влияния концентрационной неоднородности на образование мозаичности, а также характера структурных дефектов, участвующих в образовании ячеистых структур, при помощи рентгенографических карт обратного пространства......................................................................................... 59

3.3.4 Выявление структурных дефектов, характерных для ячеистых структур, методом ПЭМ........................................................................................... 62

3. 4 Модель образования мозаичной структуры в монокристаллах веи^х 63

Заключение и выводы...................................................................... 67

Список литературы....................................................................... 69

Приложеие А1. Металлография и оптическая микроскопия: мозаичная структура в

кристаллах Се^^х и ее ориентационная зависимость................................. 76

Приложение А2. Профилометрия (АРМ) протравленных ячеистых структур в

кристаллах Се^^х 89

Приложение АЗ. Определение разориентации в объеме мозаичных кристаллов на

высоко-энергетическом рентгеновском дифрактометре................................. 94

Приложение А4. Кристалл Ое1-х81х -168: комплекс исследований при помощи

микрорентгеноспектрального анализа, высокоразрешающей рентгеновской

дифрактометрии и оптической микроскопии............................................... 99

Приложение 5. Расчет профилей частотности параметров решетки.................. ¡20

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, 8 выводов, библиографического списка из 89 источников и 5 приложений. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц и 123 рисунка.

Введение

В качестве элементов оптики для моиохроматизации и/ или коллимации рентгеновского излучения (Х-фотонов), гамма-излучения (у - фотонов) и нейтронов (п), используемых в работе синхротронов, научных атомных реакторов и космических зондов, применяются не только идеальные кристаллы, но и мозаичные кристаллы, обладающие высокой отражающей способностью в требуемом диапазане энергий. Возможность получения обогащенных германием или кремнием монокристаллов 810е диаметром до 50мм открывает новые возможности использования этих монокристаллов в рентгеновских, гамма- и нейтронно-оптических приборах [1, 2]. Экспериментальное доказательство возможности дифракции гамма-излучения привело несколько лет назад к идее создания Г амма-телескопа [3, 4]. Основным элементом такого телескопа является кристаллическая дифракционная линза (рис. 1), состоящая из концентрически упорядоченных элементов (монохроматоров) прямоугольного сечения размером 10x20x25мм3, расположеных в положении дифракции относительно у-излучения согласно закону Брэгга; дифрагированное излучение при этом регистрируется германиевым детектором (рис. 2). Подвижность системы, обусловливающую точность детектирования, обеспечивает встроенный пико-мотор (Рис. 3).

Рис. 1. а) Концентрическое упорядочение GeSi- элементов (монохроматоров) в телескопе; б) старт космического полета телескопа в районе Mont Lancem во французских Альпах.

Одним из материалов для подобных монохроматоров является германий, поскольку он лучше подходит для высокоэнергетического гамма-излучения из-за более высокого атомного номера (чем, например, у кремния). Оптимизация монохроматоров показала, что для достижения более высокой эффективности телескопа необходимы кристаллы с определенной мозаичностью в объеме [5, 6, 7, 8], то есть с определенной разориентацией

кристаллитов, позволяющей детектировать у-излучение в большем энергетическом диапазоне. Необходимая для этого величина мозаичности зависит от энергии излучения и параметров телескопа [5, 6, 7]. Например, оптимальная мозаичность в (111)-кристалле германия, используемого для детектирования энергии излучения 200кеУ, составляет 25".

diffraction elements

Рис. 2. Принцип дифракции концентрической GeSi-y-линзы

dl (Traded 1>саш

iransmiucd beam

Y-rays

detector

Рис. 3. "Подвижность" у-линзы при детектировании излучения.

Появление мозаичной структуры в кристаллах связано со структурными нарушениями кристаллической решетки, которая, в частности, может достигаться при сильном легировании. Выбор Si для легирования кристаллов Ge объясняется неограниченной взаимной растворимостью обоих элементов при одинаковом типе кристаллической решетки и небольшом решеточным несоответствии. Однако именно это несоответствие, а также сергегация элементов в процессе получения кристаллов, и позволяет целенаправленно создавать дефектную микроструктуру в кристаллах Ge, приводящую к мозаичности. С другой стороны, при выращивании кристаллов в системе Ge-Si нужно иметь ввиду, что коэффициент распределения кремния в германии больше единицы и происходит обеднение расплава по Si. Всвязи с этим для получения равномерного распределения Si по длине кристалла метод Чохральского был

модифицирован и потеря Si в расплаве компенсировалась путем синхронного растворения в нем кремниевых стержней. Выращенные в Институте Роста Кристаллов в Берлине, относящемся к научному сообществу Готтфрида Вильгельма Лейбница (Leibniz Institut für Kristallzüchtung Berlin, Германия, в дальнейшем: IKZ), Gei-xSix- кристаллы использовались в рамках интернационального проекта „CLAIRE- First light for gamma-ray lens" [2, 5, 9] для создания первого в мире у-телескопа для космических исследований. Поддержку проекта осуществляло Французское Космическое Агенство (French Space Agency, CNES). Целью проекта являлось наблюдение у-излучения, поступающего из области Крабовидной туманности, которая служит "тестовым объектом" в астрофизике.

Несмотря на то, что начальные условия выращивания Gei.xSix- кристалов с требуемой мозаичной структурой были подобраны эмпирически, получение требуемого материала не имело под собой базы систематического исследования мозаичной структуры в кристаллах Gei.xSix и были не ясны причины её возникновения. Такая аналитическая поддержка была проведена автором данной диссертационной работы с целью выяснения механизма образования мозаичности в кристаллах Gej.xSix для последующей оптимизации условий роста кристаллов с мозаичностыо в диапазоне 20-50 угловых секунд, определяемой из кривой качания при дифракции у- излучения.

Цель диссертационной работы

Цель настоящей работы заключалась в подробном анализе реальной структуры мозаичных кристаллов в системе Ge-Si и установлении причин и механизма ее возникновения. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка комплекса структурно-аналитических методов для изучения структуры и свойств мозаичных кристаллов Gei_xSix, выращенных по методу Чохральского.

2. Установление корреляционных взаимосвязей между концентрацией Si и дефектной структурой мозаичных кристаллов Gei.xSix.

3. Определение основного механизма образования мозаичной/ ячеистой структуры в кристаллах Gei_xSix.

Научная новизна

1. Понятие "ячеистые (мозаичные) структуры", имеющее место в научной литературе, подразделено для кристаллов Gei.xSix на два типа: ростовые ячейки и дислокационные (ячеистые") структуры. В границах ячеек выявлены дислокации, в том числе,

геликоидальные, дислокационные узлы, дефекты упаковки, обусловленные несоответствием решетки вследствие флуктуации состава и термическими напряжениями.

2. Четкая корреляция между концентрацией в монокристаллах Ое]_х81х и образованием ячеистой структуры, управляемым процессами на фронте кристаллизации, позволяет сделать вывод, что доминирующим механизмом в процессе образования мозаичности в кристаллах Ое1.х81х является образование сегрегационных/ ростовых структур. При этом происходит гомогенизация процессов роста и дефектообразования. Напряжения в кристалле, обусловленные несоответствием решетки вследствие флуктуации состава и флуктуацией температуры, и вызывающие локальную разориентацию (мозаичность), компенсируются генерацией дислокаций преимущественно в границах ростовых ячеек. Поддержание постоянного состава расплава в процессе роста кристалла при соблюдении постоянства других параметров выращивания (скорость вытягивания, скорости вращения тигля и кристалла) имеет определяющее вляние на образование необходимой мозаичной структуры.

3. Предложена феноменологическая модель роста ячеистой структуры в монокристаллах Ое1_х81х. Сделан аналитический вклад в исследование влияния тангенциальных потоков расплава у фронта кристаллизации на образование ячеистой структуры.

Практическая значимость работы

1. На основе разработанного комплекса структурно-аналитических методов в работе предложен подход к изучению структуры и свойств мозаичных кристаллов Ое1.х81х, который можно применить к изучению кристаллов, выращенных в разных условиях.

2. Установлен интервал концентрации в кристалле, в котором происходит образование мозаичной структуры при данных условиях выращивания, что является вкладом в усовершенствование процесса выращивания мозаичных кристаллов Се^Ьс.

3. Разработана методика металлографической подготовки образцов кристаллов Ое^ х81х с целыо оптимального выявления структурных дефектов, определения плотности дислокаций по ямкам травления (ерсГ) и междислокационных расстояний.

4. С помощью трехкристальной рентгеновской дифрактометрии произведена оценка плотности нескомпенсированных дислокаций, характеризующих разориентацию (параметр мозаичности), а также соответствующих междислокационных расстояний при данных условиях выращивания.

5. Кристаллы Ое1.х81х, исследованные в диссертации, были использованы для создания первого в мире у-телескопа для исследования космического гамма-излучения.

Личный вклад автора состоял в разработке комплекса взаимодополняющих методов для изучения структуры и свойств мозаичных кристаллов Gei.xSix, разработке методики подготовки образцов кристаллов и проведении исследований при помощи оптической микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и трехкристальной дифрактометрии; обработка и анализ полученных результатов проводились автором лично. Данные профилометрии, FTIR, высокоэнергетической рентгеновской дифрактометрии были получены при проведении совместных исследований в рамках проекта ОЕ 146/15-1,2 Немецкого Научного Сообщества (DFG).

Научные результаты, выносимые на защиту

1. Разработка комплекса структурно-аналитических методов для изучения структуры и свойств мозаичных кристаллов Gei_xSix, выращенных по методу Чохральского

2. Вывод о двойственном характере мозаичности на основе экспериментальной систематизациии мозаичных структур в кристаллах Gei.xSix.

3. Корреляция между концентрацией Si в твердой фазе и разориентацией как параметром мозаичности. Механизм образования ячеистых структур.

4. Феноменологическая модель образования мозаичной структуры в кристаллах Gei_ xSix на основе совокупности экспериментальных результатов и литературных данных.

Апробация работы

Результаты исследований, вошедшие в диссертационную работу, доложены и обсуждены в рамках 6 национальных и интернациональных конференций:

1. На второй Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния (Кремний 2000), 911.02.2000, МИСИС, Москва: D. Borissova, Е. Burig, V. Klemm, H.-J. Möller, P. Raue: Выращивание и свойства кристаллов SiGe.

2. На второй международной конференции немецко-французского общества по росту кристаллов FGCGM (French-German Crystal Growth Meeting) 10-16.03.2003, Nancy, France: D.Borissova, V.Klemm, N.V. Abrosimov, V. Alex, U. Juda, H. Oettel: Mosaic structure in GeSi - bulk crystals: metallography and optical analysis

3. На международной конференции немецкого кристаллографического общества DGK/DGKK 15-19.03.2004, Йена, Jena, Германия: M.Stockmeier, M. Weisser, D. Borissova, N.V. Abrosimov, R. Hock, A. Magerl: Mosaic structure in SiGe-Crystals investigated with High-Energy X-Ray diffraction.

4. На международной конференции 141'1 International Conference on Crystal Growth (ICCG-14), 9-13.08.2004, Grenoble, France, доклад: N.V. Abrosimov, A. Lüdge, H. Riemann, V.N. Kurlov, D. Borissova, V. Klemm, H. Halloin, P. von Ballmoos, P. Bastie, B. Hamelin, R.K. Smitlier: Growth and properties of Gei.xSix mosaic single crystals for gamma ray lens application.

5. Ha международном научном форуме (BHT2005- Berg- und Hüttenmännischer Tag), 15-17.06.2005, Freiberg, Deutsch