2.3 Поглощение ИК - излучения в монокристаллах германия

В этом разделе сообщается о результатах исследования поглощения ИК - излучения в монокристаллах германия п-типа, использовавшихся в данной работе, в зависимости от величины удельного сопротивления, температуры и длины волны в области 2,5 ÷ 25 мкм.

Цель данного исследования состояла в установлении взаимосвязи между электрофизическими и оптическими параметрами монокристаллического германия с минимальным значением - β. Полученные экспериментальные данные позволили проводить тестирование и отбор кристаллов германия для оптических применений, ориентируясь на измерения электрофизических параметров, так как методики этих измерений были до тонкостей отработаны на предприятиях - производителях германия. На основе этих, полученных нами, результатов, данные методики были включены в ТУ на монокристаллы германия для оптики марок ГМО и КГО [302, 303].

Поглощение ИК - излучения в германии изучалось многими авторами, например [98], однако, исследования проводились, в основном, в области фундаментального поглощения либо на легированных образцах. В области 10,6 мкм измерения поглощения проводились калориметрическим методом с использованием лазерного источника излучения [36,80,81].

После появления нашей публикации [А28] исследования оптических характеристик германия было продолжено многими авторами и коллективами [304]. Особенно хотелось бы отметить цикл многолетних работ, посвящённых созданию технологий получения монокристаллов германия для ИК оптики, в том числе крупногабаритных монокристаллов [202-223] (исследования в Тверском государственном университете под руководством профессоров Ю.М.

Рисунок 2.2 - Зависимость коэффициента поглощения германия и- типа в области максимальной прозрачности:

а) от длины волны λ (мкм): 1. р = 0,03 Омхсм; 2. р = 1,0 Омхсм;

3. р = 2,0 Омхсм; 4. р = 2,5 Омхсм; 5. р = 3,0 Омхсм; 6. р = 5,5 Омхсм;

б) от удельного сопротивления, λ =10,6 мкм, T₁ = 297 К, T₂ = 220 К;

в) от температуры (λ = 10,6 мкм): p₁ = 0,03 Омх см; р₂= 2,5 Омх см

На рисунке 2.2 приведены полученные нами частотные и температурные зависимости коэффициента поглощения при различных значениях удельного сопротивления - р. Видно, что в области максимальной прозрачности германия путем оптимизации удельного сопротивления удается снизить значение β до величины ~ IO'² -1

см при комнатной температуре.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны подчиняется экспериментально полученному выражению β ~ λ¹². Эта величина экспоненциально

зависит от температуры. Приведённый результат можно расценивать как свидетельство того, что основным механизмом объёмных потерь является поглощение на свободных носителях заряда. Определенное возрастание коэффициента поглощения при росте величины р в области 5 ÷ 50 Omxcmявляется следствием увеличивающегося вклада поглощения свободными дырками, имеющими сечение поглощения в области 10 мкм примерно в ~ 20 раз больше, чем у электронов [80].

Измеренное значение β, строго говоря, является величиной коэффициента потерь в образцах. Эти потери могут быть вызваны не только объемным поглощением в образцах, но также поверхностным поглощением и рассеянием излучения на структурных дефектах. Этим, видимо, можно объяснить некоторое превышение измеренного нами значения β на λ = 10,6 мкм над данными калориметрических измерений [80], где фиксировалось только объемное поглощение на λ = 10,6 мкм. Эти же эффекты привели, вероятно, к уменьшению значения коэффициента γ в измеренной нами частотной зависимости β ~ λ^γ. Как показано в работе [98], в области малых значений β для Ge величина γ ≈ 2.