Исследование оптических свойств монокристаллов германия Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 681.7.036

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОНОКРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ

А. В. Ултургашева1, Ю. С. Шерешевец2, Н. О. Голубовская2 Научный руководитель - А. Ф. Шиманский

1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: annaultic@mail.ru

2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: yulia.s12@mail.ru

Проведены исследования спектров оптического пропускания кристаллов германия, легированных сурьмой, при комнатной температуре и при 60 С. Установлено, что увеличение температуры приводит к снижению коэффициента пропускания с 0,46 до 0,43, при этом коэффициент поглощения увеличивается с 0,0171 до 0,0662. Для повышения термостабильности свойств монокристаллов германия целесообразно выбрать в качестве легирующей добавки кремний, который увеличивает ширину запрещеной зоны в системе Ge - Si.

Ключевые слова: монокристалл германия, оптическое пропускание, сурьма.

INVESTIGATION OF OPTICAL PROPERTIES OF GERMANIUM SINGLE CRYSTALS

A. V. Ulturgasheva1, Y. S. Shereshevets2, N. O. Golubovskaya2 Scientific supervisor - A. F. Shimanskiy

1 Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: annaultic@mail.ru

2Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: yulia.s12@mail.ru

Optical spectrum of germanium single crystals were investigated at room temperature and 60С. Single crystals of germanium were doped by antimony. It was established, temperature reduction leads to decreasing of transmission from 0,46 to 0,43, and absorption increases from 0,0171 to 0,0662. Thus, it needs to choose silicon as doping element in the system Ge - Si.

Keywords: germanium single crystals, optical transmission, antimony.

Производство инфракрасной оптики является крупнейшей сферой потребления монокристаллического германия. Одним из основных требований к Ge как оптическому материалу является максимальная прозрачность в рабочем диапазоне длин волн от 2,5 до 11 мкм [1; 2]. Как правило, в производстве оптических элементов - линз, объективов, окон, фильтров и т. п., применяется германий, легированный сурьмой. В связи с этим целью работы явилось исследование оптических свойств монокристаллов германия, легированнных сурьмой в интервале температур от комнатной до 60 °С. Монокристаллы германия выращивали методом Чохральского из кварцевого тигля на установке типа «Редмет» в атмосфере аргона при избыточном давлении 0,02 МПа. Масса загрузки, зоноочищенного германия марки ГПЗ-1, составляла 4 кг, диаметр выращенных слитков - 35-50 мм. Скорость вращения тигля - 6 об/мин, скорость вращения затравки - 20 об/мин, скорость подъема затравки -0,5 мм/мин.

Из полученных кристаллов изготавливали полированные образцы в форме плоскопараллельных пластин толщиной 1 см для определения оптических характеристик. Спектр оптического

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 2

пропускания получали путем сканирования образца в диапазоне волновых чисел от 800 до 4000 см -1 (2,5 мкм ^ 12 мкм) с помощью ИК-Фурье спектрометра SPECTRUM BXII. Точность определения оптического пропускания составляет ±0,07 %. Для измерений при повышенных температурах (до 60 °С) использовали нагревательную приставку, обеспечивающую стабильное термостатирование образца с точностью ±0,1 град.

Полученные результаты исследования спектров пропускания оптических кристаллов германия, легированных сурьмой, с удельным электрическим сопротивлением 3 Ом-см при комнатной температуре и 60 °С приведены на рисунке.

Спектры пропускания образца германия: 1 - 20°С; 2 - 60°С

Установлено, что коэффициент пропускания инфракрасного излучения для монокристаллов германия на волновом числе 943 см"1, которое соответствует длине волны 10,6 мкм, при комнатной температуре составляет 0,46. Увеличение температуры приводит к снижению пропускания. При температуре 60 °С коэффициент пропускания составляет 0,43. По результатам исследования оптического пропускания определены значения коэффициента поглощения в кристаллах германия. Установлено, что при температуре 24 °С коэффициент поглощения составляет 0,0171. При Т = 60 °С величина а возрастает до 0,0662. В связи с этим возникает необходимость исследования влияния легирующих добавок на температурную стабильность оптических свойств монокристаллов германия. В качестве легирующей добавки целесообразно выбрать кремний [3]. Выбор кремния основан на следующих соображениях. Максимальная концентрация электронов, образующихся, как следствие ионизации сурьмы при температуре выше температуры истощения доноров (~100 К), равна их концентрации па = N¡1. Концентрация термически генерированных собственных дырок определяется уравнением

Рг = Nv exp

Г E„ Л

2kT

где - ширина запрещенной зоны; Nv - плотность электронных состояний в валентной зоне. Очевидно, что критическая температура Ткр, начиная с которой в полупроводнике преобладают собственные носители заряда и нивелируется влияние донорной добавки, отвечает условию = р1 или

nd = Nd = Рг = Nv exP

2kT

кр J

Отсюда

T =-

кр

Eg

ln

( N >

v N

2k

Следовательно, чтобы увеличить Ткр, и повысить тем самым, температурную стабильность свойств германия, необходимо увеличить ширину запрещенной зоны путем введения в него кремния в качестве легирующей добавки.

Библиографические ссылки

1. Germanium-based technologies: from materials to devices / L. Cor Claeys, E. Simoen [etc.]. Berlin : Elsevier, 2007. 449 p.

2. Depuydt B., Theuwis A., Romandic I. Germanium: From the first application of Czochralski crystal growth to large diameter dislocation-free wafers // Materials Science in Semiconductor Processing. 2006. V. 9. Iss. 4-5. P. 437-443.

3. Шенгуров В. Г., Денисов С. А., Чалков В. Ю. Молекулярно-лучевая эпитаксия кремния и кремний-германия. Н. Новгород : Изд-во ННГУ, 2010. 49 с.

© Ултургашева А. В., Шерешевец Ю. С., Голубовская Н. О., 2015