本發明公開了一種鍺單晶退火過程電阻控制的方法，制備過程如下：稱取一定量鍺錠和碲粉，其中碲粉的質量為鍺錠的0.1‰?2‰，將鍺錠和碲粉裝料、熔料，待爐溫穩定后引晶、縮頸、放肩、轉肩、等徑，待單晶長至所需的尺寸時，升高爐溫并增加拉速使單晶尾部迅速熔斷，并對單晶實施階梯度退火。用本方法制備的鍺單晶電阻范圍可寬可窄，滿足紅外級鍺單晶電阻5?40Ω的要求，也能制備極端電阻需求的鍺單晶，比如0.2?0.5Ω、1?5Ω，10?20Ω等。

技術領域

本發明涉及鍺單晶電阻及導電類型控制技術領域。

背景技術

鍺是一種稀缺的、有限的、不可再生的重要戰略資源，廣泛應用于紅外技術、光導纖維通訊、高頻超高頻電子器件、航空航天、太陽能電池、化學催化劑、生物醫學等眾多國防軍事及民用領域。在紅外光學領域，鍺單晶主要用于紅外熱像儀等紅外光學系統中的透鏡、棱鏡、窗口、濾光片、整流罩等光學元件的制作。紅外用鍺單晶為N型，鍺作為8-12μm廣泛應用的大氣窗口或CO₂激光窗口，電阻率對鍺單晶的透過率及透光波段有至關重要的影響。由于直拉法具有培育單晶完好、成晶率高、位錯密度適中等優點而作為鍺單晶生長提拉的主要方法。直拉法是運用熔體的冷凝結晶驅動原理，在熔體長成晶體的過程，藉由熔體溫度下降，將產生由液態轉換成固態的相變化結晶，但直拉法生長的鍺單晶具有電阻率不均勻的缺陷，尤其在軸向上電阻差別較大，常常存在單晶頭電阻較大，單晶尾電阻較小并伴隨著嚴重的單晶缺陷或變晶現象，使其物性不能達到材料應用需求而造成浪費。直拉(Cz)鍺單晶法生長鍺單晶的生長工藝主要包括引晶、縮頸、放肩、轉肩、等徑、收尾等過程。

紅外用鍺單晶為N型半導體，主要載流子為電子，由于晶體內存在缺陷，在退火過程中，隨著熱應力的釋放，單晶體內易生成空穴，當空穴捕獲電子后會形成電位綜合。鍺單晶的結晶溫度高于退火溫度，在降溫過程中，大量空穴隨之生成并捕獲相應電子，隨著電子數量的減少，單晶電阻逐漸增大，若多子為空穴，則單晶的導電類型轉換成P型并限制其紅外窗口屬性。常規直拉法生產鍺單晶摻雜銻(Sb)來控制單晶導電類型，并通過控制Sb元素含量來控制電阻范圍。由于直拉法的特點，單晶在結晶至所需尺寸后即與液面脫離進入退火狀態，但爐膛溫度較高，容易引發位錯增殖而生成大量空穴，在隨爐冷卻過程中，若這一部分缺陷不能遷移至表面而停留在晶體內，其會捕獲大量的電子而使電阻急劇增大，甚至導致導電類型變化。一旦鍺單晶的導電類型從N型轉變為P型，其不能再作為紅外窗口材料而制成各類透鏡、棱鏡、光窗等紅外光學元件。

發明內容

本發明為了解決現有技術中的不足而提供一種鍺單晶退火過程電阻控制的方法，通過碲摻雜，在結晶過程中形成自由電子，在高溫退火過程中，游離電子不易被空穴捕獲而湮滅，同時采用階梯狀退火工藝，故保證了退火過程單晶電阻穩定及均勻性，同時促進空穴向晶體表面遷移，抑制了導電類型變化。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種鍺單晶退火過程電阻控制的方法，制備過程如下：稱取一定量鍺錠和碲粉，其中碲粉的質量為鍺錠的0.1‰-2‰，將鍺錠和碲粉裝料、熔料，待爐溫穩定后引晶、縮頸、放肩、轉肩、等徑，待單晶長至所需的尺寸時，升高爐溫并增加拉速使單晶尾部迅速熔斷，并對單晶實施階梯度退火，具體步驟如下：

1.逐漸降溫至等徑爐溫，恒溫1-4小時；

2.再以10℃/min的降溫速率將爐溫降至750-850℃，保溫1-4h；

3.再以5℃/min的降溫速率將爐溫降至600-750℃，保溫1-2h；

4.關閉電源，單晶隨爐冷卻。

作為本發明所述的鍺單晶退火過程電阻控制的方法的一種優選方案，所述的鍺錠純度為4N。

作為本發明所述的鍺單晶退火過程電阻控制的方法的一種優選方案，制備的鍺單晶純度為8N。