Оптическая спектроскопия германия

Работы по исследованию оптического пропускания германия [13-17, 25, 27, 32-34, 37-53, 71-77] включают в себя изучение поглощения (ослабления) ИК излучения в области прозрачности чистых и легированных

кристаллов в зависимости от вида и концентрации легирующих примесей, от дефектов, от температуры.

В экспериментальном исследовании, выполненном в работе [37], получена зависимость коэффициента поглощения (для длины волны 10,6 мкм) от удельного сопротивления (р) легированного сурьмой германия; максимальное пропускание наблюдалось для диапазона р - (5-10) Омсм.

Теоретическое обоснование наличия минимума поглощения [38] в диапазоне (5-10) Ом см было показано на анализе поглощения излучения на свободных носителях заряда, которое имеет место в рассматриваемом диапазоне прозрачности германия. Для полупроводников (для германия, в частности) коэффициент поглощения α(λ) при произвольной длине волны λ может быть представлен в виде [38, 39]:

В формуле (1.1): E(λ) - описывает процесс поглощения излучения, характерный для коротковолнового края области оптической прозрачности, и обусловлен основными межзонными электронными переходами, описывает процесс, происходящий на длинноволновой границе пропускания - поглощение на колебаниях кристаллической решетки германия. Ah и A_e- величины, характеризующие вклад механизмов поглощения, обусловленных переходами свободных носителей заряда в валентной зоне и зоне проводимости, соответственно: Ah - эффективное сечение дырочного поглощения; A_e- эффективное сечение электронного поглощения [14]. I(λ) - характеризует примесное поглощение, которое может быть электронным или колебательным по природе и обусловлено присутствием примеси в объеме или на поверхности материала.

На длинах волн 2-12 мкм коэффициент поглощения (а) для заданной длины волны в имеет вид:

В рассматриваемой спектральной области дырочное поперечное сечение намного больше электронного [15, 16, 39], а произведение концентраций электронов и дырок постоянно при данной температуре, коэффициент поглощения, определяемый уравнением (1.2) можно снизить, уменьшая концентрацию дырок, путем легирования примесью электронного типа проводимости.

Концентрации электронов (N) и дырок (P) связаны с электропроводностью следующим соотношением:

где е - заряд электрона; μ - подвижность дырок; bμ - подвижность электронов, b - коэффициент.

Температурная зависимость коэффициента поглощения определяется:

В рассматриваемой спектральной области дырочное поглощение больше электронного (в 40 [15], 20 [39], 16 [16] раз - для длины волны 10,6 мкм), и поэтому коэффициент поглощения можно снизить, уменьшая концентрацию дырок, путем легирования примесью электронного типа. Учитывая, что определенные в работах [15, 16, 39] величины абсолютных значений эффективных сечений поглощений и их соотношений различаются, можно утверждать, что будет существовать разный характер зависимости величины коэффициента поглощения от удельного сопротивления германия. На рисунке 1.1 представлены результаты исследования зависимости поглощения от удельного электросопротивления [38]. Сплошная линия представляет наилучший подгоночный расчет, выполненный в работе [38], а точками обозначены экспериментальные результаты работы [37].

Рис.

Авторы [39], исследуя поверхностное и объемное оптическое поглощение (на длине волны 10,6 мкм) в монокристаллах, полученных способом Чохральского в атмосфере аргона, выявили минимум поглощения в диапазоне удельного сопротивления (10-20) Ом-см и коэффициент решеточного поглощения - 0,0073 см'¹. Коэффициент решеточного

поглощения по данным [38] составлял 0,013 см'¹. В работах [32,48] на основе теоретического и экспериментального изучения определен диапазон минимального поглощения при значениях р - (15 - 20) Ом-см;

рекомендуемый для применения кристаллов диапазон р составляет (10- 40) Ом-см. По экспериментальным данным [40] минимальный коэффициент поглощения наблюдается в кристаллах при (5 -10) Ом-см; исследования были выполнены на монокристаллах, полученных способом Степанова.

Исследования оптического пропускания чистых (нелегированных) и высокочистых монокристаллов германия [33, 41] позволяют считать, что с повышением чистоты коэффициент поглощения снижается.

Зависимость поглощения от концентрации свободных носителей заряда приводит к существенному изменению прозрачности германия с температурой - в работах [13, 25, 34, 40] теоретически и экспериментально рассматривался этот эффект.

В рассматриваемой области прозрачности германия имеет место степенная зависимость коэффициента а от длины волны (что объясняется поглощением на свободных носителях заряда) [43, 64 - 66, 68, 69]:

Степенной коэффициент γзависит от общей концентрации примесей, концентрации свободных носителей, температуры; для германия приведены значения γот 1,2 до 3 [39,40, 43].

Анализ опубликованных экспериментальных и теоретических исследований оптического поглощения в германии показал, что рекомендуемый для применения диапазон удельного сопротивления германия электронного типа проводимости составляет от (5-10) Ом-см до 40 Ом-см; минимум поглощения при этом относят к (5-15) Ом-см.

Значительный вклад в исследование оптических характеристик германия были сделаны авторами [54, 79, 82, 114-119]. Экспериментально исследовано влияние на пропускание типа примеси и ее концентрации, исследованы температурные зависимости, изучалось рассеяние в 20

кристаллическом германии. Большая роль в выполнении измерений уделялась метрологическим аспектам [55, 86, 102, 103, 106, 120].

На рисунке 1.2 представлены зависимости коэффициента ослабления от удельного электросопротивления германия, легированного сурьмой и висмутом, а на рисунке 1.3 влияние температуры на коэффициент ослабления чистого и легированного примесью и- типа проводимости германия.

Рис. 1.2. Зависимость коэффициента ослабления (ос) надлине волны 10,6 мкм от удельного сопротивления (р) легированных монокристаллов германия;

примеси: 1 - сурьма; 2 - висмут; 3 - сурьма + висмут; 4 - галлий [54]

Авторами [54, 79, 82, 114-119] установлено, что максимальным оптическим пропусканием в диапазоне длин волн 2,3 - 14 мкм обладают монокристаллы германия п-типа проводимости в диапазоне удельного сопротивления (2 - 20) Ом см, в качестве основных легирующих добавок можно применять сурьму и висмут. Показано, что сочетание максимального

оптического пропускания и температурной стабильности при температурах 293 - 370 К достигается в монокристаллах германия электронного типа проводимости в диапазоне удельного сопротивления (2 - 5) Ом-см.

Рис. 1.3. Зависимость коэффициента ослабления (а) от температуры (T) для монокристаллов германия (λ= 10,6 мкм): 1 - нелегированный;

2 - легированный сурьмой [54]

Поликристаллический и монокристаллический германий требует для использования определенного содержания примесей. Применение германия для детекторов излучений, чувствительных фотоприемников инфракрасного излучения требует низкого содержания примесей. Для оптики, микроэлектроники, акустооптики германий легируют; в качестве электроактивных примесей используют элементы III и V групп Периодической системы (мелкие уровни энергии в запрещенной зоне), а также другие примеси с разным типом уровней и глубиной их залегания в запрещенной зоне.

Полосы поглощения германия в области длин волн 12-17 мкм обусловлены взаимодействием света с фононами [14, 40, 123]. На положение полос и их интенсивность существенно влияет концентрация кислорода.

Физико-химические свойства, оптика германия исследована подробно на материале природного изотопического состава. Природный германий (атомный номер - 32, атомная масса - 72.59) состоит из смеси стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74, 76. Разделение изотопов является технически сложным процессом, и в литературе почти отсутствуют сведения о влиянии изотопического состава на свойства кристаллов. В работах [124, 125] было предсказано, что в химически чистых и структурно совершенных кристаллах изотопический беспорядок приводит к снижению коэффициента теплопроводности. Экспериментальное изучение данного эффекта в изотопически чистых монокристаллах германия ⁷⁰Ge и ⁷⁴Ge показало, что такой германий может иметь теплопроводность в 8.5 раз выше, чем кристалл природного состава, что связано с характером фононного спектра [126, 127].

1.3.