Измерение коэффициентов ослабления света в германии в терагерцовом диапазоне[7]

Терагерцовое (ТГЦ) излучение находит применение в новых и традиционных приложениях, связанных с исследованием, анализом и контролем материалов и объектов, формированием изображений и др.

Терагерцовое (ТГЦ) излучение располагается в спектральном диапазоне 0,1-10 ТГц (~3 мм - 30 микрон, 3 см'¹- 300 см'¹) между микроволновым и дальним инфракрасным диапазонами электромагнитного спектра. В сравнении с видимыми или инфракрасными волнами ТГЦ излучение может проникать в органические материалы, такие как кожа, пластики, одежда или бумага. Вследствие низкой энергии фотона оно не вызывает повреждений, связанных с ионизирующими излучениями (такими, как рентгеновские лучи, например). ТГц волны не проникают в металлы. Эти свойства могут быть использованы в текущем производственном контроле (например, при производстве лекарств), контроле качества готовой продукции, в ТГц изображении. Также представляет большой интерес использование ТГц излучения в таких приложениях, как: контроль безопасности, проверка упаковок, характеризация полупроводников, анализа химического состава, биохимические исследования

Традиционно для терагерцовых приложений используется высокоомный кремний, выращенный методом зонной плавки как наиболее исследованное вещество, хорошо пропускающее в этом диапазоне. Важную роль для терагерцовых применений играют также кристаллы кристаллического кварца и сапфира. Среди большого разнообразия полимеров есть некоторые, имеющие Высокую прозрачность для

терагерцовых волн при низком отражении имеют ряд полимеров, в

частности, полиметилпентен (TPX), полиэтилен (PE) и

политетрафлюроэтилен (PTFE, фторопласт или тефлон).

Кремний

Комплексная диэлектрическая проницаемость кремния зависит от его проводимости, то есть от концентрации свободных носителей. При низкой концентрации примесей диэлектрическая проницаемость является действительной величиной и эквивалентна высокочастотной диэлектрической проницаемости. C увеличением концентрации примесей действительная часть диэлектрической постоянной становится отрицательной, а ее мнимая часть перестает быть пренебрежимо малой; благодаря этому потери в кремнии в ТГц диапазоне возрастают.

Германий

Г ерманий имеет достаточно большую действительную часть показателя преломления. В соответствии с формулой n = Vε₀(где ε₀ = 16 - статическая диэлектрическая проницаемость) коэффициент преломления стремится к значению 4,0 при стремлении длины волны к бесконечности.

Германий имеет относительно низкий показатель поглощения в терагерцевом диапазоне длин волн. Известны значения коэффициента поглощения в диапазоне 0,75-1,3 см"¹[221].

Экспериментальные исследования оптического пропускания германия

Эксперименты проводились при использовании Новосибирского лазера на свободных электронах на длине излучения 130 мкм и в спектральном диапазоне 2,5-25 мкм с помощью ИК спектрометра (раздел 2.3). Монокристаллы выращивались из легированного расплава в вакууме из графитовой оснастки. В качестве исходного материала использования 102

зонноочищенный германий с удельным электросопротивлением более 47 Ом-см. Монокристаллы для исследований выращивались в кристаллографическом направлении .

Исследовали монокристаллы легированные сурьмой и совместно сурьмой-галлием (компенсированные кристаллы). Концентрацию примеси определяли по значению электропроводности. Исследовали полированные образцы германия (N < 1; ΔN < 0,5) и шлифованные (абразив М10).

Для оптических исследований использовался лазерный пучок с апертурой 5 мм; в связи с высокой мощностью излучения лазера использовали ослабитель (поляризатор) с коэффициентом ослабления х 425.

Приемником излучения служила ячейка Голея, требующая амплитудной модуляции интенсивности лазерного пучка с частотой 10 Гц.

Проведение измерений в терагерцовом диапазоне проводили согласно методике раздела 2.3.2.

Полученные результаты пропускания и рассчитанные коэффициенты ослабления приведены в таблице 4.3.

Спектральные зависимости в ПК диапазоне приведены на рисунке 4.3, в таблице приведены величины пропускания и коэффициентов ослабления, а также представлены характеристики образцов.

Номера кривых на спектральных зависимостях в инфракрасном диапазоне соответствуют номерам образцов в таблице. Результаты эксперимента показывают резкую зависимость пропускания излучения терагерцового диапазона от концентрации примеси. Оптические исследования аналогичных образцов в инфракрасном диапазоне характеризуются иными результатами, связанными с преимущественным поглощением в ПК диапазоне на свободных носителях заряда.

юз

Рис. 4.3. Оптическое пропускание германия в инфракрасном диапазоне

Таблица. 4.3. Пропускание германия в исследуемых

спектральных диапазонах

Анализ экспериментальных зависимостей пропускания германия в инфракрасном и терагерцовом диапазоне позволил сделать ряд выводов.

Результаты эксперимента показывают резкую зависимость пропускания излучения терагерцового диапазона от концентрации примеси.

Пропускание германия в терагерцовом диапазоне существенно ниже, чем в ИК диапазоне. Максимальное зафиксированное значение T « 20% (140 мкм) - соответствует ос = 0,75 см"¹[221]. Высокое пропускание монокристаллического кремния в терагерцовом диапазоне (примерно близкое к пропусканию в ИК диапазоне), в отличии от германия, объясняется зонной структурой и электрофизическими характеристиками материалов. Концентрация носителей заряда в кремнии существенно меньше; собственный Ge характеризуется: р = 47 Ом-см; E = 0,67эВ; n = 2,540¹³cm³; собственный Si: р- 2 kOm∙cm; E = 1,12 эВ; n = 5∙10¹⁰cm³.

Наличие существенного отличия пропускания излучения полированным образцом германия на длине волны 130 мкм по сравнению со шлифованным (Т1/Т2 -4.04):

- коэффициент ослабления полированного образца - 8,9 см"¹;

- коэффициент ослабления шлифованного образца - 10,3 см"¹.

При наличии высокого поглощения даже незначительное увеличение оптического пути за счет отклонения излучения от нормали к поверхности дает большое дополнительное ослабление излучения. Увеличение среднего расстояния, пройденного лучом в шлифованном образце составляет - 15% (анализ отношения коэффициентов пропускания Т1/Т2 из закона Бугера- Ламберта за счет увеличения расстояний, проходимых преломленными на изломах шлифованной поверхности лучами). Это означает, что лучи отклонены от нормали к входной поверхности в среднем на ~ 29 град. Из

закона преломления (для п = 4,0; λ = 130 мкм) можно найти средний угол отклонения от горизонтали микроплощадок, образующих микрорельеф поверхности шлифованного образца (рисунок 4.4). Этот угол (~ 55 град) оказывается близким к углам, составляемым плоскостями спайности германия (IH) с плоскостью входной оптической поверхности исследованного образца (70^o28')

Рис.

На кривых пропускания в области длин волн 5-10 мкм хорошо заметно, что вблизи края поглощения пропускание полированных образцов германия падает, в то время как пропускание шлифованного образца увеличивается. При рассмотрении взаимодействия потока излучения с шероховатой поверхностью оказывается, что при определенных соотношениях между углами впадин в поверхности и показателем преломления вещества образца, многократное отраженные в от стенок впадин лучи не выходят назад и дают вклад в излучение, идущее в первоначальном направлении (в переднюю полусферу), создавая эффект "просветления" шероховатой поверхности и тем больший, чем меньше показатель преломления [222].

В использованном для измерений пропускания диапазоне 5-10 мкм уменьшение показателя преломления германия за счет дисперсии выражено достаточно четко, и эффект «просветления» проявляется вплоть до длин волн, соответствующих краю фононного поглощения.

4.3.