close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Влияние высокотемпературной термообработки на спектр поглощения кристаллов германия.

код для вставкиСкачать
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ
НА СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ ГЕРМАНИЯ
Е.Н. Маколкина
Исследовалось влияние термообработки при температуре 800-900 ºС на спектр поглощения и электрические параметры кристаллов германия с различным типом проводимости. Термообработка может приводить к существенному увеличению поглощения носителями и инверсии типа проводимости.
Введение
Исследованиям кристаллов германия посвящено множество работ. В подавляющем числе этих работ изучались электрические параметры германия, характеризующие
его полупроводниковые свойства. В настоящей работе германий изучался как оптический материал.
Специфическая особенность германия по сравнению с широкозонными оптическими
материалами состоит в том, что его спектр поглощения в актуальной области
(4–16 мкм) обусловлен свободными носителями – электронами и дырками [1–5]. При этом
сечение поглощения дырок существенно больше, чем электронов. Поэтому следует ожидать, что все факторы, которые влияют на величину и тип проводимости, должны влиять и
на спектр поглощения. К числу таких факторов, в частности, относятся термообработка
при высокой температуре (800–900 ºС) и пластическая деформация [6–10]. Действие названных факторов на оптические свойства практически не исследовалось.
Отметим, что влияние термообработки и пластической деформации не всегда
просто разделить ввиду следующих обстоятельств. С одной стороны, эксперименты по
наведению пластической деформации внешним механическим напряжением обычно
проводятся при высокой температуре. С другой стороны, даже без приложения внешнего напряжения при охлаждении образцов после высокотемпературной термообработки могут наводиться остаточные напряжения и пластическая деформация.
В настоящей работе ставилась задача исследования влияния на спектр поглощения германия термообработки при температуре 800–900 ºС. Ее актуальность определяется, как усовершенствованием технологии получения оптических деталей методом
прессования, так и развитием фундаментальных представлений об одном из наиболее
популярных объектов исследования физики твердого тела.
Методика
Образцы для исследования были синтезированы в Тверском государственном
университете и в НИТИОМ ГОИ им. С.И. Вавилова. Они различались по габаритам, и,
как показали измерения, по электрическим свойствам. Тип проводимости у всех исследовавшихся образцов определялся методом термоЭДС. Значения удельного электросопротивления для тонких образцов были получены четырехзондовым методом, для толстых образцов использовали метод ван дер Пау [11, 12]. Типичные характеристики исследовавшихся образцов представлены в таблице.
№
образца
1
2.
3.
4.
Габариты,
мм
Ø15×2,15
Ø15×2,15
Ø15×2,15
Ø36×8
Тип проводимости
n-тип
n-тип
p-тип
n-тип
Удельное сопротивление,
Ом×см
0,17
0,88
1,3
15,7
Таблица. Параметры исследуемых германиевых образцов
198
Спектры поглощения измерялись на спектрофотометре Specord M82 с выдачей
результатов на компьютер.
Так как показатель преломления кристаллов германия имеет большую величину,
при определении коэффициента поглощения по спектрам пропускания необходимо
учитывать многократные отражения от обеих поверхностей образца. Для этой цели использовалась формула (1), рекомендованная ГОСТом 3520-92 и применявшаяся в
большинстве работ, в которых изучались оптические свойства германия [13-17]:
2
⎡
2 ⎤
⎛ 1 8n 2 ⎞ ⎛ n + 1 ⎞ 4
1
8
n
⎢
⎥
⎟ +
α(λ ) = −1 d ln ⎜
−
,
(1)
4
⎢ ⎜ τ(λ ) (n − 1)4 ⎟ ⎜⎝ n − 1 ⎟⎠
τ(λ ) (n − 1) ⎥
⎠
⎝
⎢⎣
⎥⎦
где τ(λ) – спектральный коэффициент пропускания, измеренный на приборе, d – толщина образца, n – показатель преломления для длины волны λ. Значения показателя преломления германия брались из справочника [18].
Электрические параметры и спектры пропускания образцов измерялись до термообработки и после.
Экспериментальные результаты
Вид спектров пропускания, измеренных до термообработки, существенно зависел
от типа проводимости образца, что согласуется как с литературными данными, так и с
нашими предыдущими измерениями [1–5, 9, 17] (рис.1).
τ ,%
100
80
60
n-тип
2
1
3
40
p-тип
20
0
4
6
8
10
12
14
16
λ , мкм
Рис.1. Спектр пропускания образцов германия n- и p-типа (цифра указывает
номер образца)
Термообработка образцов проводилась в вакуумной печи (вакуум 10-3 тор) по режиму, изображенному на рис.2.
Нагрев печи (участок 01) и выдержка при заданной рабочей температуре (участок
12) производилось автоматически по заданной программе с помощью программатора
БПВ-12. После выполнения программы печь отключили, и охлаждение (участок 23)
происходило инерционно до комнатной температуры.
Наиболее выразительно действие термообработки проявилось в спектре массивного образца (рис. 3).
199
0
T, C
1
800
2
600
400
3
200
0
1
2
3
4
t, час
Рис. 2. График режима термической обработки исследуемых германиевых
образцов
-1
α, см
1,0
0,8
(a)
0,6
0,4
0,2
(б)
0
4
6
8
10
12
14
16
λ, мкм
Рис.3. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны
крупногабаритного образца №4 до (а) и после (б) термообработки
Во-первых, пропускание уменьшилось во всем исследовавшемся диапазоне. Например, на длине волны 10,6 мкм коэффициент поглощения изменился от 0,01 до
0,6 см-1, что соответствовало изменению пропускания с 47 до 12 % до и после температурного воздействия.
Во-вторых, форма спектра трансформировалась: спектр приобрел черты, характерные для спектров образцов p-типа. Измерения типа проводимости согласовались с
изменениями спектрального контура. Оказалось, что термообработка привела к инверсии типа проводимости. Если исходно образец обладал проводимостью n-типа, то после термообработки он приобрел p-тип проводимости.
200
Результаты для тонких образцов менее выразительны и носят другой характер.
Термообработка привела к небольшому уменьшению пропускания, которое приблизительно одинаково по всему спектральному диапазону измерений. Изменений формы
спектрального контура, подобных тем, которые наблюдались для массивного образца,
не наблюдалось. Эти результаты согласуются с измерениями электрических параметров. Ни для одного образца термообработка не привела к изменению типа проводимости.
Обсуждение результатов
Как следует из экспериментальных данных, полученных в настоящей работе, изменения спектра кристаллов германия согласуются с изменениями электрических параметров. Поэтому логично считать, что они имеют ту же природу. В литературе предлагалось несколько механизмов для объяснения влияния высокотемпературной термообработки на электрические параметры [6–9].
Один механизм предполагает наличие исходного загрязнения поверхности образца ионами меди. При нагревании медь диффундирует с поверхности в объем. Так как
ионы меди являются типичными акцепторами, изменяется тип проводимости и ее величина.
Другой механизм исходит из предположения, что появляющиеся при нагревании
акцепторы являются вакансиями решетки.
Результаты настоящей работы позволяют предложить еще один механизм влияния высокотемпературной термообработки на электрические и оптические параметры
германия. Исследования последнего времени показали, что электрические свойства
германия (в том числе тип проводимости) существенно изменяются при пластической
деформации образцов, вызванной механическим сжатием [10]. В условиях охлаждения
образцов, которые имели место в настоящей работе, температурные градиенты могли
вызвать пластическую деформацию, а значит, и явиться причиной изменения электрических и оптических свойств. Этот механизм естественно объясняет различное влияние
термообработки на массивные и тонкие образцы. В массивных образцах температурные
градиенты больше, а значит, и больше должна быть вызываемая ими пластическая деформация.
Выводы
Обнаружено, что высокотемпературная термообработка кристаллов германия может приводить к значительному уменьшению величины оптического пропускания и
изменению его спектрального контура.
Изменения при термообработке оптических свойств хорошо согласуется с изменениями электрических свойств.
Предложен новый механизм для объяснения наблюдаемых явлений.
Благодарности. Выражаю благодарность В.А. Письменному, В.Н. Ветрову, Б.А.
Игнатенкову за активное участие в обсуждении полученных результатов и помощь в
работе. Также благодарю И.А. Каплунова за синтез исследуемых образцов германия.
Литература
1. Bishop P.J., Gibson A.F. Absorption coefficient of germanium at 10,6mkm // Appl. Opt.
1973. V. 12. P.2549-2550.
201
2. Capron E.D., Brill O.L. Absorption coefficient as a function of resistance for optical
germanium at 10,6mkm // Appl. Opt. 1973. V. 12. P.569-572.
3. Hass M., Bendow B. Residual absorption in infrared materials // Appl.Opt. 1977. V. 16.
P.2882-2890.
4. Hutchinson C.J., Lewis C., Savage J.A., Pitt A. Surface and bulk absorption in germanium
at 10,6mkm // Appl. Opt. 1982. V21. P.1490-1495.
5. Lipson H. G., Burstein E. and Smith P. L. Optical properties of plastically deformed
germanium // Phys. Rev. 1955. V.99. P.444 - 445.
6. Германий. Сб. статей: Пер. с англ. Под ред. Д.А. Петрова. М.: Иностранная литература, 1955.
7. Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках. М.: Физматгиз, 1961.
8. Родес Р.Г. Несовершенства и активные центры в полупроводниках М., 1968.
9. Schaumburg H., Willmann F. Optical absorption of plastically deformed germanium //
Phys. Stat. Sol. (a). 1976. V. 34. P. K173-K177.
10. Электронные свойства дислокаций в полупроводниках. / Под ред. академика
Осипьяна Ю.А. М.: Эдиториал УРСС, 2000.
11. Батавин В.В. Контроль параметров полупроводниковых материалов и эпитаксиальных слоев. М.: Советское радио, 1976.
12. Зеегер К. Физика полупроводников. М.: Мир, 1977.
13. Панков Ж.. Оптические процессы в полупроводниках. М.: Мир, 1973.
14. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука, 1977.
15. Левинзон Д.И., Ровинский Р.Г., Рогалин В.Е. и др. Поглощение ИК-излучения в
германии // Материалы IX совещания по получению профилированных кристаллов
и изделий способом Степанова и их применение в народном хозяйстве. Л., 1982.
С.123-126.
16. Смирнов Ю.М., Каплунов И.А., Блохина Г.С., Долгих И.К. Оптические свойства
монокристаллов германия в ИК области спектра // Физика кристаллизации: Сб. науч. тр, Тверь, 1990. С.78-85.
17. Маколкина Е.Н., Пржевуский А.К. Влияние структурных дефектов на оптические
параметры кристаллов германия // Оптический журнал. 2003. Т.70. №11. С.64-67.
18. Акустические кристаллы. Справочник / Под ред. Шаскольской М.П. М.: Наука,
1982.
202
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
596 Кб
Теги
термообработке, спектр, влияние, германии, поглощения, высокотемпературные, кристалл
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа