改良热交换法生长低位错密度锗晶体的研究

为解决锗晶体在红外光学器件和半导体衬底应用中因高位错密度导致的性能瓶颈，俄罗斯科学院研究人员通过STR CGSim 18模拟优化热交换法生长工艺，成功实现轴向梯度≤0.5 K/cm的低温梯度生长，获得<111>取向、位错密度仅200–500 cm?2的锗单晶，为高光学均匀性器件制备提供新方案。

　　

在红外光学系统和半导体器件领域，锗晶体因其优异的光学透过率和与砷化镓（GaAs）的晶格匹配性成为关键材料。然而，锗的低临界剪切应力（CRSS_Ge = 10⁶ MPa）使其在生长过程中极易因热弹性应力产生位错，导致光学双折射和电子迁移率下降。传统直拉法（Czochralski）因热场不均匀性难以实现低位错生长，而热交换法（HEM）通过优化热场分布有望突破这一瓶颈。

俄罗斯科学院的研究团队通过STR CGSim 18软件模拟重构了热交换炉的全局热场，设计出轴向梯度≤0.5 K/cm、径向梯度<1 K/cm的生长环境。基于Alexander-Haasan位错模型预测，当热弹性应力低于CRSS时，位错密度可控制在10³ cm^?2以下。实验采用60 mm直径石英安瓿，以<111>取向籽晶和6N纯度多晶锗为原料，通过吡咯碳涂层抑制异质成核，最终获得位错密度200–500 cm^?2的锗单晶，蚀刻坑计数结果与模拟高度吻合。

关键技术方法

1. 全局热场模拟：采用STR CGSim 18软件优化热交换器几何结构与加热器功率；
2. 应力-位错关联分析：基于Alexander-Haasan模型计算热弹性应力与位错密度关系；
3. 晶体生长控制：通过吡咯碳涂层安瓿和HF:HNO₃+KBr预处理降低界面缺陷。

研究结果
Pre-growth preparation
多晶锗经区域熔炼提纯至6N级，籽晶表面通过HF:HNO₃(1:1)+KBr蚀刻去除氧化层，安瓿内壁沉积吡咯碳层抑制锗-石英反应。

Crystal growth modeling results
模拟显示优化后的热交换器可实现全生长阶段的凸形结晶界面，晶体主体轴向梯度≤0.5 K/cm，籽晶区梯度20–40 K/cm，径向梯度<1 K/cm，显著低于直拉法典型值。

Conclusion
该研究证实改良热交换法可将锗晶体位错密度降低至200–500 cm^?2量级，为红外透镜、GaAs外延衬底等应用提供更优材料解决方案。

意义与展望
该工作通过多尺度模拟与实验验证，建立了低温梯度生长-低位错密度的直接关联。未来可进一步探索该方法在更大直径（>100 mm）晶体生长中的适用性，并评估其在HEMT（高电子迁移率晶体管）器件中的载流子迁移率提升效果。研究结果发表于《Materials Science and Engineering: B》，为半导体材料生长工艺提供了新范式。