ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 2, с. 254-260
^ СПЕКТРОСКОПИЯ
КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК 535.341.08; 548:75
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСНОГО И ИЗОТОПИЧЕСКОГО СОСТАВА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ГЕРМАНИЯ НА ОПТИЧЕСКОЕ ПРОПУСКАНИЕ В ОБЛАСТИ 520-1000 см-1
© 2015 г. И. А. Каплунов***, В. Е. Рогалин***, М. Ю. Гавалян*
* Тверской государственный университет, 170100 Тверь, Россия ** Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия *** Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика", 125424 Москва, Россия e-mail: Ivan.Kaplunov@tversu.ru, v-rogalin@mail.ru Поступила в редакцию 10.07.2014 г.
Исследованы оптические свойства чистых и легированных монокристаллов германия природного изотопического состава и изотопически чистых монокристаллов германия 70Ge и 74Ge. Экспериментально обнаружено влияние легирующих примесей и присутствия остаточного кислорода в германии на положение и форму пиков фононного поглощения, а также на коэффициенты ослабления в этих пиках в спектральном диапазоне 520—1000 см-1. Исследовано снижение частоты максимумов полос фононного поглощения с ростом массового числа изотопов германия.
DOI: 10.7868/S0030403415020087
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллический германий широко используется в промышленности, при этом для большинства практических применений пригодны монокристаллы только с низким содержанием посторонних примесей. Применение германия в качестве детекторов ионизирующих излучений, высокочувствительных низко фоновых приемников инфракрасного излучения требует обеспечить концентрацию электрически активных примесей в материале на уровне 109—1010 см-3. Для применения в электронике, оптике, акустооптике германий легируют специально и применяют кристаллы с концентрацией легирующей электроактивной примеси от 1013 см-3 и выше [1-3]. В качестве электроактивных примесей используют элементы III и V групп Периодической системы (мелкие уровни энергии в запрещенной зоне), а также другие примеси с разным типом уровней и глубиной их залегания в запрещенной зоне. При этом в германии всегда содержатся фоновые электронейтральные примеси, такие как кислород, углерод, азот и др., которые как присутствуют в исходном сырье, так и попадают в расплав, а затем и в кристалл во время процесса выращивания из материалов оснастки, атмосферы, деталей установки. Концентрация таких примесей в германии достаточно высока; так, например, для кислорода может достигать 1017 см-3 и выше. Кислород в германии, не влияя непосредственно на электропроводность, в значительной степени определяет динамику образования дислокаций, микроде-
фектов, термодоноров, влияет на время жизни неравновесных носителей заряда и др. [3—7]. Влияние кислорода неоднозначно — есть и положительный эффект, но в большинстве случаев наблюдается негативное влияние на процессы переноса электрических зарядов в конечных изделиях.
Полосы поглощения германия в области длин волн 12—17 мкм обусловлены взаимодействием света с фононами [8—10]. На положение полос и их интенсивность существенно влияет концентрация кислорода.
Физика и химия процессов, происходящих в германии, исследована подробно на материале природного изотопического состава. Природный германий (атомный номер 32, атомная масса 72.59) состоит из смеси стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74, 76. Разделение изотопов является технически сложным процессом, и в литературе почти отсутствуют сведения о влиянии изотопического состава на физические свойства кристаллов. В работах [11, 12] было предсказано, что в химически чистых и структурно совершенных кристаллах изотопический беспорядок приводит к снижению коэффициента теплопроводности. Экспериментальное изучение данного эффекта в изотопически чистых монокристаллах германия 70Ое и 74Ое показало, что такой германий может иметь теплопроводность в 8.5 раз выше, чем кристалл природного состава, что связано с характером фононного спектра [13, 14]. Как показали наши предварительные результаты [15], в области длин волн 12—17 мкм об-
наружено некоторое влияние изотопического состава на особенности оптического пропускания германия.
В настоящей работе изучались спектральные зависимости пропускания в частотном диапазоне 1000—520 см-1 (диапазон длин волн 10.0—19.2 мкм) монокристаллов германия, легированных кобальтом, галлием, сурьмой, висмутом, алюминием и никелем. Также исследован легированный сурьмой бездислокационный германий. Исследовано влияние концентрации кислорода на пропускание германия. Уточнялись особенности влияния изотопического состава на характеристики спектра пропускания монокристаллического германия.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАЗЦЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе приведены результаты исследования влияния примесей и изотопического состава на спектр пропускания монокристаллического германия с разной степенью совершенства в ИК области в частотном диапазоне, соответствующем началу интенсивного поглощения излучения кристаллической решеткой — 1000—520 см-1. Исследования примесных монокристаллов производились при помощи ИК фурье-спектрометра Bruker VERTEX 70, спектральная разрешающая способность которого составляла 0.5 см-1, а фотометрическая точность 0.1%. Методика исследования изотопически чистых монокристаллов изложена в работе [15].
Изучали монокристаллы, легированные кобальтом, галлием, сурьмой, висмутом, алюминием и никелем, выращенные из расплава методом Чо-хральского. Для экспериментов с монокристаллами природного изотопического состава в качестве исходного сырья использовали зонноочищенный поликристаллический германий (марки ГПЗ). Концентрация электроактивных примесей в выращенных монокристаллах определялась косвенным путем — на основе измерений удельного электросопротивления четырехзондовым методом на шлифованных торцевых поверхностях образцов. Однородность распределения примеси по сечению и высоте образцов находилась в пределах 5—10%. Средняя плотность дислокаций в кристаллах составляла (0.5—1.2) х 104 см—2. Кроме того, проведены оптические измерения образцов бездислокационного германия, легированного сурьмой.
Образцы для исследования влияния концентрации кислорода на спектр фононного поглощения готовили на основе нелегированных монокристаллов, выращенных из расплава методом Чохральского в атмосфере азота под слоем флюса В2О3 с добавлением в состав флюса двуокиси гер-
мания 0е02 [7, 16—18]. Концентрацию оптически активного кислорода определяли по интенсивности кислородного пика поглощения [7].
Эксперименты на изотопически чистых монокристаллах германия 70Ое и 74Ое выполнялись на образцах, технология получения и свойства которых описаны в работах [13, 14]. Сырьевой германий был изготовлен в Институте молекулярной физики РНЦ "Курчатовский институт" с использованием центробежного метода разделения изотопов с обогащением 99.99%. Далее этот материал очищался методом зонной плавки в Лаборатории им. Лоуренса в Беркли. Там же были выращены изотопически чистые монокристаллы 70Ое и 74Ое в вакууме методом Чохральского.
Образцы для оптических исследований имели форму плоскопараллельных пластин с кристаллографической ориентацией (111) и (100) диаметром 30—45 мм и толщиной 10—22 мм. Рабочие поверхности пластин были отполированы по IV классу (ГОСТ 11141-76), шероховатость полированных поверхностей соответствовала ^ < 0.05 мкм (на базовой длине 0.08 мм по ГОСТ 2789-73), непараллельность поверхностей не превышала 0.5% от толщины пластин. Кристаллы полировались по специально разработанной технологии химико-механической оптической обработки.
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСНОГО СОСТАВА НА ОПТИЧЕСКОЕ ПРОПУСКАНИЕ ГЕРМАНИЯ
Германий широко применяется в ИК оптике, в спектральном диапазоне 2.5—14.0 мкм и преимущественно в окне прозрачности атмосферы 8.0—14.0 мкм благодаря удачному сочетанию хороших физико-химических свойств, прежде всего механических, и относительно небольшого коэффициента поглощения. Присутствующие в этой области полосы фононного поглощения заметно ограничивают практическое использование германия. В полупроводниковой технике на основе германия создают высокочувствительные детекторы, фотоприемники и другие полупроводниковые приборы и устройства. Для этих применений германия важна температурная стабильность работы, что впрямую связано с теплопроводностью материала (известно, что рабочая температура большинства изделий из германия ограничена значением ~70°С и важно при работе обеспечивать хороший теплоотвод от кристалла).
Легирование Ое элементами Ш—V групп Периодической системы приводит к появлению в запрещенной зоне энергетических уровней, лежащих вблизи границ зон с энергиями порядка 0.01 эВ — это "мелкие" примеси. Уровни других примесей в германии могут располагаться как вблизи границ зон, так и лежать глубоко в запре-
Таблица 1. Характеристики образцов и свойства используемых примесей
Примесь Удельное сопротивление, Ом см Тип проводимости Свойства примеси Коэффициент ослабления для максимумов фононных пиков поглощения, см—3
энергия ионизации, эВ [19, 20] эффективный коэффициент распределения [21] V = 841 см1 V = 749 см1 V = 455 см—1
зь 5.5 п 0.0096 3.0 х 10—3 0.19 0.23 0.64
22, бездислокационный германий (БДОе)
В1 7.0 п 0.01 4.5 х 10—5 0.19 0.23 0.64
Оа 15.5 Р 0.01 8.7 х 10—2 0.44 0.45 0.87
А1 5.0 Р 0.0102 7.3 х 10—2 0.92 0.96 1.42
N1 24.5 Смешанный 0.23 (акцепторный уровень, от потолка валентной зоны); 0.3 (акцепторный уровень, от дна зоны проводимости) 3.0 х 10—6 0.64 0.65 1.12
Со 30.0 Р 0.09 (донорный уровень, от дна валентной зоны); 0.25 (акцепторный уровень, от потолка валентной зоны); 0.3 (акцепторный уровень, от дна зоны проводимости) 10—6 0.36 0.37 0.86
щенной зоне, создавая "глубокие" уровни энергии. При этом влияние глубоких центров на параметры полупроводниковых материалов гораздо разнообразнее, чем мелких. Наличие таких уровней сильно влияет на концентрацию, подвижность носителей заряда, проводимость, фотопроводимость. Характеристики легированного германия с используемыми в настоящей работе примесями [19—21] приведены в табл. 1.
Методика исследования, подготовка образцов, ос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.