Способ легирования хромом кристаллов селенида цинка

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ХРОМОМ КРИСТАЛЛОВ СЕЛЕНИДА ЦИНКА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Левченко Владимир ИвановичПостнова Лариса ИвановнаКулешов Николай ВасильевичЩербицкий Виктор ГеоргиевичКисель Виктор ЭдвардовичСорокина Ирина Тиграновна(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ легирования хромом кристалла селенида цинка путем диффузии из тонкой пленки элементарного хрома, нанесенной на поверхность кристалла, отличающийся тем,что процесс диффузии проводят в вакууме при температуре 1050-1100 С, а затем полученный материал подвергают отжигу в насыщенных парах элементарного цинка при температуре диффузии в течение 1-5 часов. Изобретение относится к области лазерного материаловедения и может быть использовано для получения генерирующих сред и пассивных затворов на основе легированного хромом селенида цинка. Известен способ легирования хромом селенида цинка путем диффузии из тонкой пленки элементарного хрома, нанесенной на поверхность селенида цинка, в вакуумированной ампуле при температуре 800 С 1. Недостатками этого способа являются большая продолжительность (десятки суток для достижения уровней легирования, необходимых для лазерных применений) процесса легирования, обусловленная низким значением коэффициента диффузии при температуре 800 С, а также необходимость использования для полученияприемлемого качества дорогостоящегос малыми оптическими потерями. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что при диффузионном легировании в вакууме оптические потери в кристалле увеличиваются вследствие внесения дефектов кристаллической решетки, в результате чего качество получаемоговсегда хуже качества исходного нелегированного материала. 10929 1 2008.08.30 Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ легирования хромом селенида цинка путем диффузии из тонкой пленки элементарного хрома, нанесенной на поверхность селенида цинка, в ампуле в атмосфере насыщенных паров цинка при температуре 800-1000 С 2. Недостатком этого способа является то, что пары цинка, используемые в этом способе для компенсации вносимых в процессе диффузии дефектов кристаллической решетки, одновременно приводят к значительному снижению коэффициента диффузии сравнительно с диффузией в вакууме. В результате необходимая продолжительность процесса легирования уменьшается незначительно, несмотря на существенное увеличение температуры. Кроме того, снижение оптических потерь в этом способе является ограниченным из-за того,что выбор продолжительности и температуры диффузии всегда является компромиссом между скоростью диффузии и оптическими потерями, т.е. неоптимальным относительно потерь. Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа легирования, позволяющего получать высококачественныйиз недорогогос относительно большими оптическими потерями, а также уменьшить продолжительность процесса легирования. Поставленная задача решается тем, что в способе легирования хромом селенида цинка путем диффузии из тонкой пленки элементарного хрома, нанесенной на поверхность кристалла, диффузионный процесс проводят в вакууме при температуре 1050-1100 С, а затем полученный материал подвергают отжигу в насыщенных парах элементарного цинка при температуре диффузии в течение 1-5 часов. Новым в предложенном способе по сравнению с прототипом является проведение процесса диффузии хрома в вакууме при более высокой температуре и введение дополнительной операции отжига легированного материала в насыщенных парах элементарного цинка. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что легирование в вакууме при более высокой температуре, чем в прототипе, позволяет обеспечить более высокий коэффициент диффузии примеси и сократить продолжительность технологического процесса, а последующий отжиг в парах цинка устраняет присутствующие в исходном нелегированном материале и введенные на стадии диффузии структурные дефекты. При этом вследствие того, что в процессе отжига в парах цинка устраняются не только введенные,но и присутствующие в исходном материале дефекты, в качестве последнего может быть использован недорогойс относительно большими оптическими потерями. Кроме того, разделение в предлагаемом способе стадий диффузионного легирования и отжига позволяет оптимизировать последнюю по критерию минимальных оптических потерь,значительно улучшив за счет этого качество легированного материала. Выбор диапазона температуры проведения процесса диффузии (1050-1100 С) обусловлен следующими соображениями. При температуре менее 1050 С коэффициент диффузии заметно уменьшается, а необходимая продолжительность технологического процесса увеличивается. При температуре выше 1100 С становится существенным процесс термической эрозии поверхности пластины. Температура отжига выбрана равной температуре диффузии для предотвращения изменения установившегося в процессе диффузии отклонения селенида цинка от стехиометрии с целью обеспечения воспроизводимости параметров конечного продукта. Диапазон времени отжига определен экспериментально по результатам исследования исходных образцовс различным уровнем оптических потерь. Способ осуществляется следующим образом. Кристаллы исходного нелегированного селенида цинка разрезаются на пластины толщиной 2-4 мм, методом магнетронного распыления на них наносится пленка хрома толщиной 0,03-0,3 мкм в зависимости от требуемого уровня легирования. Далее проводится термическая диффузия хрома в вакуумированных кварцевых ампулах при температуре 2 10929 1 2008.08.30 1050-1100 С в течение 2-4 суток в зависимости от толщины пластины и требуемого уровня легирования. После этого печь с ампулой охлаждают до комнатной температуры и пластины извлекают из ампулы. Затем полученные легированные пластины помещаются в другую кварцевую ампулу, вакуумируются и подвергаются отжигу в парах цинка при температуре диффузии в течение 1-5 часов. При этом в качестве источника пара цинка используется навеска элементарного цинка весом 20-50 мг. Примеры конкретного выполнения способа. Пример 1 В качестве исходного материала использовалась пластинатолщиной 3,2 мм высокого качества (оптические потери на длине волны 1 мкм 10,05 см-1). Методом магнетронного распыления в установке ионно-плазменного распыления УРМ 3.279.040 на нее наносилась пленка хрома толщиной 0,12 мкм, после чего ее помещали в кварцевую ампулу, откачивали до давления 510-6 Тор и проводили диффузию при температуре 1100 С в течение 4 суток. После этого печь с ампулой охлаждали до комнатной температуры и пластину извлекали из ампулы. Затем легированные пластины помещали в другую ампулу,добавляли в нее навеску элементарного цинка весом 30 мг, вакуумировали до остаточного давления 510-6 Тор и отжигали при температуре 1100 С в течение 1 часа, после чего охлаждали до комнатной температуры. Оптические потери в кристаллах селенида цинка оценивали по значениям коэффициента поглощения на длине волны 1 мкм. Коэффициент поглощения рассчитывался при этом по спектрам оптической плотности, измеренным на спектрофотометре -500. Пример 2 Аналогично примеру 1 легировали хромом пластинутолщиной 3,2 мм с относительно большими потерями (оптические потери на длине волны 1 мкм 11,5 см-1). Изменение оптических потерь в пластинах селенида цинка различного качества в процессе легирования хромом предлагаемым способом иллюстрирует таблица. Коэффициент поглощения Коэффициент поглощения на длине на длине волны 1 мкм ис- волны 1 мкм легированной пласти- 1/2 ходной пластины 1(см-1) ны после отжига в парах 2(см-1) 1 0,05 0,02 2,5 2 1,5 0,03 50 Как видно, предлагаемый способ позволяет получать продукт высокого качества за счет существенного снижения потерь в исходном селениде цинка в процессе легирования,в то время как в образцах, изготовленных по технологии прототипа, такое снижение не наблюдалось. Это, в свою очередь, позволяет использовать в качестве исходного материала недорогой нелегированный материал с относительно большими оптическими потерями,что значительно снижает стоимость конечного продукта. Номер эксперимента Источники информации 1. , , . , . .-2.4//. 2001. - . 308-310. - . 942-944. 2. Ваксман Ю.Ф., Павлов В.В., Ницук Ю.А., Пуртов Ю.Н., Насибов А.С., Шапкин П.В. Оптическое поглощение и диффузия хрома в монокристаллах //Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т. 39. -4. - С. 401-404. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3