СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенииобоснована актуальность темы, сформулированы цель исследова­ний и основные задачи работы. Показаны научная новизна и практическая зна­чимость полученных результатов, методология и методы исследования.

В первой главеприведен литературный обзор по теме диссертации. Рассмат­риваются области применения и современные требования к качеству кристал­лов германия и парателлурита, необходимость улучшения их характеристик в зависимости от направлений использования. Описан общий подход к экспери­ментальному исследованию и теоретической интерпретации диэлектрических свойств. Указана необходимость увеличения размеров кристаллов, улучшения их однородности и уменьшения оптических потерь. Рассмотрена возможность снижения коэффициента ослабления германия на основе легирования и совершенствования структуры.

Во второй главеприведены используемые в работе методики исследования оптических, диэлектрических и теплофизических свойств германия и парател­лурита. Рассмотрены методы диэлектрической спектроскопии (для исследова­ния диэлектрических характеристик), метод резонанса-антирезонанса (для ис­следования пьезоэлектрического эффекта), методы ПК спектроскопии и интер­ферометрии (для исследования оптических характеристик), метод лазерной вспышки и метод динамического пироэффекта (для исследования теплофизиче­ских характеристик). Приведено описания приборов и оборудования, на кото­рых производились экспериментальные исследования. Представлены образцы для исследований, полученные на основе кристаллов, выращенных в Тверском государственном университете методом Чохральского (германий и парателлу­рит) и методом направленной кристаллизации (германий).

В третьей главепредставлены результаты исследований диэлектрических и тепло физических свойств монокристаллов парателлурита.

Рис.

тотных зависимостей действительной

Измерения диэлектрической проницаемости, коэффициентов теплопро­водности и температуропроводности проводились по направлениям [110], [1Т0], [001], и [010]. Установлено, что диэлектрическая проницаемость кри­сталла парателлурита, соответствующая кристаллографическому направлению [1 ТО], которое использовалось при вытягивания кристалла по методу Чохраль- ского, на 25% больше, чем в направлениях [110] и [010] (рис.1), несмотря на то, что все эти направления для кристаллов, принадлежащих классу симметрии 422, эквивалентны с кристаллографической точки зрения. Класс симметрии па­рателлурита (422) позволяет иметь данному материалу два отличных от нуля пьезомодуля - би и d25, из них только один независимый - d¼. Данные пьезо­модули соответствуют сдвиговым колебаниям при приложении к образцу элек­трического поля вдоль направлений [110] и [010] соответственно. Таким обра­зом, можно предположить, что наблюдаемые аномалии соответствуют частоте пьезоэлектрического резонанса, по­скольку резонансные и антирезонанс- ные пики наблюдались при измерении спектра диэлектрической проницаемо­сти в указанных направлениях. Вели­чина диэлектрической проницаемости, измеренная в направлении [1Т0] больше, чем в направлении [110] (рис. 1). Это обусловлено тем, что мо­нокристалл, из которого вырезались образцы, выращивался в направлении [1Т0].

Частотные зависимости действи­тельной и мнимой компонент диэлек­трической проницаемости пластин, измерены в температурном интервале от 30^oC до 360^oC. По результатам час- и мнимой составляющих комплексной

диэлектрической проницаемости были построены диаграммы диэлектрической дисперсии (рис. 2, 3).

При всех исследованных температурах у образцов, вырезанных перпен­дикулярно направлениям [010] и [1Т0], на зависимости мнимой составляющей диэлектрической проницаемости от действительной (?"(ε^,)) можно выделить две области с различным поведением комплексной диэлектрической проницае­мости (рис.

ный на введение величины, обратной комплексной диэлектрической проницае­мости, называемой электрическим модулем (β). Частота, при которой происхо­дит изменение типа дисперсии, не зависит от температуры и лежит в интервале от 0,9 до 1,5 кГц. Полученные в результате расчета наиболее вероятные време­на релаксации соответствуют поляризации, обусловленной тепловым движени­ем.

У образца, вырезанного перпендикулярно [001], дисперсия диэлектриче­ской проницаемости имеет принципиально другой вид (рис. 3), претерпеваю­щий сильной изменение при температуре выше 60°С. Эти экспериментальные зависимости имеют качественное различие с известными теориями дисперсии и на данный момент их анализ затруднен.

Рис.2. Диаграмма дисперсии ди­электрической проницаемости, измеренной по направлениям [010] (кривая 1) и [110] (кривая 2)

Рис. 3. Диаграмма дисперсии диэлектриче­ской проницаемости, измеряемой по на­правлению [001]. Кривая 1 - 30^oC, 2 - 90^oC

В результате исследования тепло физических характеристик установлено, что величины коэффициентов теплопроводности и диэлектрической проницае­мости пластин кристалла парателлурита зависят от кристаллографического на­правления. Вытягивание кристалла в процессе роста оказывает влияние на зна­чение его физических характеристик в данном направлении.

Четвертая главапосвящена изучению оптических и тепловых характеристик кристаллов германия.

Исследовалась спектральная зависимость пропускания кристаллов герма­ния, легированных примесями и и/? - типа проводимости (Sb, Bi, Со, Ga, Al, Ni), а также легированного сурьмой бездислокационного германия. Представ­лял интерес основной используемый частотный диапазон (соответствующий длинам волн 8-12 мкм), а также прилегающая длинноволновая область, в ко­торой фиксируются основные пики фононного поглощения (в том числе «ки­слородной» природы). Спектральные зависимости исследованных монокри­сталлов германия приведены на рис. 4. Максимальным пропусканием обладают монокристаллы, легированные примесью электронного типа проводимости (Sb, Bi) до уровня ~ 5 -10 Ом-см. Зафиксированное положение пиков фононно­го поглощения в рассматриваемом диапазоне отвечает частотам - 841, 749, 645 см'¹. Абсолютная величина коэффициента поглощения, соответствующая германию с заданной примесью, определяется, прежде всего, типом проводи­мости и концентрацией примеси. На положение пиков поглощения не оказыва­ет влияния ни тип, ни концентрация легирующей примеси, ни величина коэф­фициента пропускания.

Результаты исследований спектрального пропускания германия с разным типом и природой примесей показывают наличие «кислородной» полосы по­глощения на частоте 841 см'¹ (рис. 4) для монокристаллов, выращенных из сре­ды с низким содержание кислорода (вакуум, специально очищенные газы). Ки­слород в германии является электронейтральной примесью и не влияет непо­средственно на электропроводность полупроводника, однако наличие кислоро­да приводит к образованию дислокаций, микродефектов, термодоноров, влияет на время жизни неравновесных носителей заряда.

Рис. 4. Спектральные зависимости про­пускания легированных монокристаллов германия (стрелками показаны макси­мумы фононных полос поглощения с указанием соответствующих волновых чисел)

Рис. 5. Спектральные зависимости про­пускания «кислородных» (кривая 1 - 5.0?10^lr,см'³, кривая 2 - 5.0?10¹⁶см'³, кривая 3 - 1.0?10¹см'³) монокристаллов германия (стрелками показаны максиму­мы фононных полос поглощения с указа­нием соответствующих волновых чисел)

Выполнены спектральные исследования монокристаллов германия с вы­соким содержанием кислорода (рис. 5). На частоте 855 см'¹ четко фиксируется интенсивный пик поглощения, амплитуда которого растет с увеличением кон­центрации кислорода. На спектре образца 1, концентрация кислорода в котором выше, чем для образцов, выращенных в вакууме, обнаружено 2 пика: на частоте 841 см'¹, характерной для германия с низкой концентрацией кислорода, и на частоте 855 см'¹. Зафиксировано формирование второго пика, характерного для германия с высокой концентрацией кислорода.

Экспериментальные исследования оптического пропускания германия в терагерцовом диапазоне проводились при использовании Новосибирского ла­зера на свободных электронах на длине излучения 130 мкм; те же образцы кон­тролировались в спектральном диапазоне 2,5 - 25 мкм с помощью ИК спектро­метра. Исследовались монокристаллы, легированные сурьмой и совместно сурьмой-галлием (компенсированные); исследовались как полированные, так и шлифованные образцы. Полученные результаты пропускания и рассчитанные коэффициенты ослабления приведены в таблице 1.

Таблица 1

* - разностная концентрация примеси (концентрация сурьмы 7,0∙10¹³см'³; концентрация галлия l,25∙10¹⁴см'³).

Спектральные зависимости образцов германия в ИК диапазоне приведе­ны на рисунке 6. Номера кривых на спектральных зависимостях в инфракрас­ном диапазоне соответствуют номерам образцов в таблице.

В инфракрасном диапазоне коэффициенты ослабления на длине волны 10,6 мкм полированных и шлифованных образцов отличаются на порядок.

Результаты эксперимента показывают резкую зависимость пропускания излучения терагерцового диапазона от концентрации примеси (таблица 1). Оп­тические исследования образцов в инфракрасном диапазоне характеризуются иными результатами, связанными с преимущественным поглощением в ИК диапазоне на свободных носителях заряда.

Пропускание германия в терагерцовом диапазоне существенно ниже, чем в ИК диапазоне. Максимальное зафиксированное значение Т ≈ 20% (140 мкм) соответствует а = 0,75 см'¹. На длине волны 130 мкм также зафиксировано ко­личественное отличие пропускания излучения полированным образцом герма­ния по сравнению со шлифованным (T√T₂ = 4,04), что объясняется тем, что при наличии высокого поглощения даже незначительное увеличение оптического пути за счет отклонения излучения от нормали к поверхности дает большое до­полнительное ослабление излу-

Рис. 6. Оптическое пропускание германия в ин­фракрасном диапазоне

чения.

На кривых пропускания в области длин волн 5-10 мкм 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.

Для крупногабаритных монокристаллов германия в работе выполнены комплексные исследования, которые могут максимально характеризовать мо­нокристаллы с точки зрения оптического качества. Изучались легированные сурьмой монокристаллы: диаметром 200 мм и толщиной 18 мм, вырезанный из слитка, выращенного способом Чохральского; диаметром 200 мм и толщиной 15 мм, изготовленный из монокристалла, полученного способом направленной кристаллизации. Монокристалл германия диаметром 150 мм и толщиной 15 мм был изготовлен из монокристалла, выращенного способом Чохральского из не­легированного расплава.

Спектральные зависимости измеренных кристаллов представлены на ри­сунке 7. Как видно из зависимостей, легированные сурьмой кристаллы имеют высокое спектральное пропускание, близкое к теоретическому; ход зависимо­стей для разных образцов практически совпадает (кривые 2, 3).

Чистый германий (монокристалл германия диметром 150 мм) характери­зуется несколько более низким уровнем спектрального пропускания (ниже на 1,5-2,0%) в спектральном диапазоне 4200-900 см'¹(2,38-11,1 мкм) (кривая 1).

Проведен комплекс измерений, включающий в себя получение спек­тральных зависимостей исследуемых монокристаллов германия (рис. 7), изме­рение спектрального направленного пропускания и рассеяния излучения (Таб­лица 2) и интерферометрические исследования. Показано, что выявляемая структура монокристаллов на этапе изготовления заготовок для оптических де­талей, а также их электрофизические характеристики не связаны в явном виде со всеми оптическими параметрами германия.

Рис. 7. Спектральные зависимости ис­следуемых монокристаллов германия

Предварительная оценка качества материала по представленным резуль­татам измерений позволяет сделать вывод, что настоящие кристаллы германия по проверенным параметрам удовлетворяют требованиям для заготовок широ­кого назначения элементов оптических систем. Спектральные зависимости (ха­рактер спектра, высокое интегральное и направленное пропускание), а также низкий уровень рассеяния излучения кристаллов позволяет предварительно ре­комендовать материал для любого вида использования в оптических системах: изготовление на их основе плоских изделий (защитных окон), линз для много­линзовых объективов.

Таблица 2. Спектральное направленное пропускание и рассеяние излучения в монокристаллах германия

На рисунке 8 приведены топограммы распределения неоднородности по­казателя преломления (∆n) исследуемых кристаллов, которые показывают на­личие существенного различия в величинах ∆n для кристаллов разных размеров и выращенных разными методами.

Рис. 8. Топограмма распределения неоднородности показателя преломления герма­ния: а) 0200 х 15 мм; неоднородность показателя преломления ∆n = 1,07x10 ,

б) 0150 х 15 мм; неоднородность показателя преломления 2,94?10'⁴;

в) 0200 х 18 мм; неоднородность показателя преломления 5,17?10^⁴

Результаты интерферометрического метода исследования существенно более подробно раскрывают оптические характеристики исследуемых образ­цов. Значение неоднородности показателя преломления (∆n) и распределение по сечению, как показал эксперимент, существенно отличается для кристаллов, полученных в разных технологических режимах. В крупногабаритных моно­кристаллах германия, выращенных разными методами, зафиксирован размах величины неоднородности показателя преломления от l,07?lО'⁴ до 5,17?10^⁴.

Все картины распределения неоднородности показателя преломления яв­ляются несимметричными относительно центра заготовки. Такое распределе­ние приводит к ухудшению оптических характеристик разрешения объективов по сравнению с симметричным распределением с тем же самым размахом не­

однородности показателя преломления. Наличие неоднородностей, снижение качества передачи изображений накладывает дополнительные требования к оп­тическим заготовкам: выращивание монокристаллов и изготовление на их ос­нове оптических деталей инфракрасных систем (окон и линз) должно сопрово­ждаться комплексом измерений для определения оптического качества мате­риала. Стандартные спектральные методы измерения пропускания, направлен­ного пропускания и рассеяния излучения не всегда могут достоверно гаранти­ровать хорошие оптические характеристики германия, обеспечивающие эффек­тивную работу тепловизионных систем, связанных с приемом и передачей изо­бражений. Оптическая однородность германия является определяющим факто­ром при изготовлении приборов высокого оптического разрешения.

В работе представлены результаты исследования зависимости тепловых свойств от кристаллографического направления для образцов монокристалли­ческого (в кристаллографических направлениях [111], [ИО], [100]) и поликри- сталлического германия /1-типа, легированных сурьмой (концентрация 3.7x10¹⁴ см'³), с удельным сопротивлением 4 Ом см.

Наибольшие значения, как коэффициента теплопроводности, так и коэф­фициента тепловой диффузии образцы германия /1-типа с удельным сопротив­лением 4 Ом см имеют в направлении [111]. В направлениях [110] и [100] за­фиксированы практически одинаковые значения коэффициента теплопроводно­сти, а величина коэффициента тепловой диффузии незначительно различается. Поликристаллический германий близок по значению тепловых характеристик к последним двум направлениям.

Рис. 9. Зависимость теплопроводности (а) и температуропроводности (б) монокри­

сталлов германия п - типа от концентрации примеси сурьмы

Экспериментальным путем было установлено, что коэффициенты тепло­проводности и температуропроводности монокристаллов германия /1-типа уменьшаются с ростом концентрации примеси сурьмы (рис. 9). В эксперименте поверхность образца нагревалась модулированным тепловым потоком; в этом случае в образце существует градиент температуры, направленный от освещае­мой поверхности к тыльной поверхности. В связи с этим в образце возникает тепловое движение неосновных носителей заряда (в данном случае электро­

нов), направленное в противоположную сторону (навстречу распространению в образце температурной волны). Данный факт и может служить причиной на­блюдаемого уменьшения теплопроводности и температуропроводности образ­цов с большей концентрацией примеси.

Импульсным методом были исследованы температурные зависимости температуропроводности образцов монокристаллического германия, легиро­ванных галлием (Ga) и сурьмой (Sb), имеющих кристаллографическую ориен­тацию [111]. Измерения проводились в вакууме в температурном диапазоне от -40^oC до 100^oC. Наблюдалось незначительное уменьшение температуропро­водности с увеличением температуры у образцов легированных галлием и уве­личения у образцов, легированных сурьмой (рис. 10-12).

Рис. 10. Температурные зависимости Рис. 11. Температурные зависимости ко- коэффициента тепловой диффузии кри- эффициента тепловой диффузии кри­сталлов Ge легированных Sb с различ- сталлов Ge легированных Ga с различ­ными УЭС (кривая 1 - 7,5 Ом-см, кри- ними УЭС (кривая 1-4 Ом-см,

вая 2-15 Ом-см, кривая 3-30 Ом-см) кривая 2-5 Ом-см, кривая 3-30 Ом-см)

Рис. 12. Температурные зависимости коэф­фициента тепловой диффузии кристаллов Ge легированных Sb (кривая 1) и Ga (кривая 2) с одинаковым УЭС (30 Ом-см)

Было обнаружено увеличение значения коэффициента температуропро­водности образца, легированного сурьмой с удельным электросопротивлением 30 Ом-см, по сравнению с образцом, легированным сурьмой с удельным элек­тросопротивлением 7,5 Ом-см. У образцов, легированных галлием, в исследуе­мом температурном диапазоне изменение значений коэффициента температу­ропроводности для различных значений удельного электрического сопротивле­ния выражено слабо.

16