Применение и свойства кристаллического германия

Кристаллический германий нашел широкое применение в различных отраслях науки и техники. Германий используется в металлургии, в медицине, в электронике и электротехнической промышленности, в оптике, для производства волоконной оптики, в производстве бытовых пластмасс.

Первоначально применение кристаллов германия началось в полупроводниковой технике [1 - 4]. В относительно массовом масштабе они стали применяться а качестве материала для выпрямительных диодов и триодов, в усилительных каскадах электронных схем. При этом использовались исключительно электрические свойства р-п-переходов. Вплоть до конца 50-х-начала 60-х гг. германий являлся основным материалом для производства биполярных транзисторов.

В 50-x-60-x годах прошлого столетия начались активные исследования и работы по использованию германия в инфракрасной технике [5-6] на основе разработок оптических и электронно-оптических систем двойного назначения.

В настоящее время применение германия достаточно широкое. Он используется в производстве полимерных материалов в качестве катализатора (в форме диоксида Ge), в металлургии и медицине, в высокотехнологических областях электронике и электротехнической промышленности, производстве волоконной оптики, люминофоров. В электронике, кроме полупроводниковых диодов и триодов, на основе германия изготавливают терморезисторы, фотоэлементы с запирающим

слоем, термоэлементы, пленочные сопротивления, в детекторы гамма- излучения [7-8].

За последние несколько десятилетий использование кристаллов германия в ИК оптике и фотоэлектронике приобрело достаточно массовый характер, в том числе, и в технике, выпускаемой в десятках тысяч экземпляров - в тепловизионных камерах для измерения температуры объектов, в фотоэлектрических преобразователях (солнечных элементах) и т.д.

На фоне развития кремниевых технологий микроэлектроники германий оказался неконкурентоспособным как из-за менее благоприятного сочетания электрофизических и физико-химических параметров (сильная температурная зависимость электропроводности, низких пассивационных свойств оксида германия GeO2), так и из-за более высокой стоимости и ограниченности сырьевых ресурсов.

Другие сферы применения германия обусловлены как разработкой устройств с новыми функциональными возможностями, так и усовершенствованием технологий выращивания самих кристаллов (что в многом обусловлено повышением характеристик современных ростовых установок). Существенно увеличены максимальные размеры получаемых различными методами кристаллов германия. И если 15-20 лет тому-назад диаметр кристалла 150 - 200 мм считался почти рекордным, то в настоящее время кристаллы такого диаметра уже являются продукцией промышленного производства. Немаловажную роль в развитии технологий и в расширении применения кристаллов германия играют успехи, достигнутые за последнее время в области повышения структурного совершенства, однородности и воспроизводимости электрофизических и оптических свойств материала.

Обязательным требованием к германию от наиболее наукоемких и высокотехнологичных промышленных производств, потребляющих монокристаллический германий (производство инфракрасной оптики, электроники; изготовление солнечных элементов; производство детекторов 12

ионизирующих излучений), является низкое содержание дефектов, низкое содержание фоновых примесей (в том числе электронейтрапьных), контролируемый уровень легирующих примесей.

Не смотря на то, что германий является уникальным оптическим материалом для инфракрасной оптики, долгое время основное внимание уделялось его полупроводниковым свойствам, поскольку он является классическим полупроводником [9]. Глубокое изучение оптических характеристик германия началось лишь в 80-х годах 20 века.

На данный момент германий является одним из самых распространенных материалов инфракрасной (HK) оптики [10-108] вследствие высокой механической прочности, устойчивости к атмосферным воздействиям, относительно высокой прозрачности и возможности получения кристаллов больших размеров.

На основе монокристаллов и поликристаллов германия, используемых в оптике, изготавливают оптические элементы (окна и линзы) тепловизионных приборов различного типа (систем инфракрасного наведения, приборов ночного видения и др.). Серийно производимые в России оптико-электронные системы «Goes» (ФГУП "ПО "УОМЗ", г. Екатеринбург, http://www.uomz.ni/) имеют тепловизионный канал для диапазона 8-12 мкм и предназначены для круглосуточного применения на наземных, морских и воздушных объектах. Системы имеют гражданское и

военное применение и используются для поиска и спасательных действий на земле и в море; для охраны государственных границ; при поиске лесных и торфяных пожаров; для осмотра нефте- и газопроводов, линий электропередач; для измерения расстояний и угловых координат. Диапазон обнаружения составляет: 1 - 1,5 км для человека; 1,5 - 2 км для лодки; 4-5 км для автомобиля; 15 - 20 км для судна.

В лазерной оптике германий используется для изготовления окон, зеркал, линз и фотоприемников [28-30, 32-35, 69]. Например, в непрерывных ИК лазерах мощностью до 1 кВт применяются охлаждаемые оптические элементы из германия [16, 28, 32-34]. В импульсном режиме на длине волны 10,6 мкм германий прозрачен при мощности излучения до 4-Ю⁷Btcm'²с длительностью импульса 5 мкс [16], а при импульсах 1,5 мкс - до (0,6-1,0)∙ IO⁸ Вт-см'²[33].

Для регистрации коротких (до IO'⁸с) мощных импульсов СО2 - лазеров применяются неохлаждаемые фотоприемники на основе эффекта фотонного увлечения свободных дырок в германии [35]. Фотоприемники обладают малой инерционностью, большим динамическим диапазоном, хорошей помехоустойчивостью.

Германий, за счет наличия в материале нелинейных эффектов [12, 13, 25, 36], также используется в акустооптических и электрооптических устройствах, которые применяются для модуляции и сканирования излучения в лазерных устройствах отображения информации, лазерных локаторах, элементах оптических запоминающих устройств и т.д..

В последние годы интерес к германию усилился в связи с развитием глобальных спутниковых сетей, а также других телекоммуникационных проектов [5]. Для бортового питания спутников, являющихся основой подобных проектов, требуются радиационно-стойкое фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с высоким к.п.д. Наиболее эффективные ФЭП с

к.п.д. до 39-40% - каскадные солнечные элементы, устанавливаемые в настоящее время на космических аппаратах, изготовлены на германиевых подложках диаметром до 100 мм. Необходимые условия, предъявляемые к такому германию - это низкая плотность дислокаций (на уровне менее -10'см"²), отсутствие дислокационных дефектов типа малоугловых границ, диаметр 100 мм и выше. Проблема получения кристаллов германия таких размеров с высоким структурным совершенством является актуальной и до конца не решенной.

Для ряда практических применений пригодны монокристаллы только с низким содержанием посторонних примесей. Кристаллы, предназначенные для изготовления детекторов ионизирующих излучений, для приемников инфракрасного излучения, требуют концентрацию электроактивных примесей не более IO¹⁰см’³. Для применения в электронике, оптике, акустоптике германий легируют, концентрация легирующей электроактивной примеси составляет IOⁿсм'³ и выше.

Проблемы увеличения размеров кристаллов германия, улучшения их однородности, уменьшения оптических потерь в материале, связанных с поглощением и рассеянием света инфракрасного диапазона, по-прежнему остаются актуальными. Их разрешение требуется в рамках современных разработок в областях ИК оптики, лазерной техники, оптоэлектроники,

акустооптики и фотоэлектроники, в которых в качестве материала активных или пассивных элементов устройств должен использоваться германий.

В диапазоне прозрачности германия (2 - 20 мкм) появились длины волн, соответствующие излучению лазеров новых типов, например, лазеров на основе кристаллов PbGa2S4:Dy3+, генерирующих не только на длине волны 4,33 мкм, но и на длинах волн 4,2; 4,53 и 4, 68 мкм. Между тем, такие важные оптические характеристики кристаллов германия, как показатели поглощения и индикатрисы рассеяния, зависящие от типов и концентраций различных структурных дефектов, и, в том числе, от наноразмерных дефектов, в отличие от классической длины излучения СО₂-лазеров (10,6 мкм), для многих длин волн излучения недавно созданных лазеров исследованы явно недостаточно. То же самое относится и к вопросу о влиянии наноразмерных шероховатостей полированных поверхностей на индикатрисы диффузно отражаемого оптическими элементами и выходящего из них света. Этот вопрос является особенно актуальным в связи с использованием наиболее мощных современных импульсных и непрерывных лазеров ИК диапазона. Их применение сопровождается значительным нагревом материала, что требует как можно более точного учета многих параметров материала. А они подробно исследованы и измерены далеко не для всех участков диапазона прозрачности кристаллов германия. Недостаточно разработанной и уже не удовлетворяющей текущим потребностям является и традиционная и закрепленная в ИСО и отечественных ГОСТах метрология основных оптических параметров германия.

1.2.