Влияние пластической деформации на оптические свойства кристаллов германия

Германий является одним из самых исследованных кристаллов. Это классический полупроводник и поэтому его полупроводниковым свойствам уделялось основное внимание. Вместе с тем, германий является уникальным оптическим материалом, обладающим окном прозрачности в диапазоне 2,5 — 14 мкм. Однако работ, посвящённых оптическим свойствам германия гораздо меньше, чем работ, посвящённых полупроводниковым свойствам.

В настоящей диссертации германий исследовался, прежде всего, как оптический материал. Изучались факторы, определяющие сравнительно слабое поглощение германия в области прозрачности при комнатной температуре.

Среди таких факторов основное внимание было уделено влиянию на оптические свойства пластической деформации (или на микроуровневлиянию дислокаций).

Электрическим свойствам дислокаций в германии физика полупроводников уделяла большое внимание. Результатам этих исследований посвящено, по крайней мере, две монографии и около десятка обзоров. В них отмечается чрезвычайная сложность возникающих в этой области проблем. Вместе с тем, оптическим свойствам дислокаций при комнатной температуре посвящено менее 10 работ, которые отчасти противоречат друг другу. Решения проблем в этой области следует ожидать в результате параллельного применения нескольких экспериментальных методов, прежде всего, оптических, как наиболее информативных.

Исследование влияния пластической деформации на спектр поглощения кристаллов германия представляет интерес и в прикладном аспекте благодаря следующим двум обстоятельствам: во-первых, кристаллы подвергаются в той или иной степени пластической деформации при высокотемпературном синтезе и, во-вторых, в последнее время получил развитие метод изготовления оптических деталей сложной формы из германия путём неоднородной пластической деформации.

Цель работы состояла в том, чтобы установить закономерности влияния пластической деформации кристаллов германия на их спектры поглощения во всей области прозрачности, соответствующие оптическим переходам разного типа, и на симметрию показателя преломления. При анализе и интерпретации результатов особое внимание уделялось связи спектров поглощения с электрическими параметрами.

На защиту выносятся следующие защищаемые положения:

1. Оптическое пропускание кристаллов германия в области прозрачности в основном определяется типом проводимости и удельным сопротивлением. Параметры, определяющие функциональную связь между коэффициентом поглощения и величиной удельного сопротивления, не зависят от метода выращивания кристаллов.

2. Пластическая деформация вызывает увеличение поглощения кристаллов германия во всём диапазоне прозрачности, что связано с воздействием на оптические переходы трёх типов: (1) межзонные непрямые, (2) внутризонные прямые и (3) возбуждение свободных носителейэлектронов и дырок.

3. Вызванные пластической деформацией изменения спектра поглощения свидетельствуют об акцепторном действии дислокаций.

4. При деформации 4,5 — 6,5% спектр поглощения образцов л-типа, исходное сопротивление которых превышает 4 Ом см, трансформируется в спектр, соответствующий р-типу.

5. В результате пластической деформации образцы кристаллов германия становятся двулучепреломляющими для света, распространяющегося в любом направлении. В частности, в отличие от упругой деформации, двулучепреломление наблюдается для света, распространяющегося вдоль направления сжатия, когда это направление совпадает с осью симметрии третьего порядка.

Диссертация состоит из пяти глав, введения, выводов, приложений и списка литературы.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приводятся сведения о строении кристаллов германия и о структуре его энергетических зон, рассматривается природа оптических переходов, определяющих спектры поглощения германия в области прозрачности. Так как основную часть диссертации составляло исследование влияние пластической деформации на спектр поглощения и оптические свойства германия, в обзоре рассмотрены основные представления о пластической деформации германия и о свойствах наблюдавшихся в нём дислокаций. В заключительной части обзора формулируется цель диссертационной работы.

Во второй главе кратко рассмотрены экспериментальные методики, применявшиеся в работе. Прежде всего, описана методика пластической деформации кристаллов германия и её температурно-временной режим.

Для всех образцов измерялся спектр поглощения, определялся тип проводимости и величина сопротивления как до, так и после пластической деформации.

Оригинальные результаты диссертации изложены в главах с третьей по пятую.

Исследования, изложенные в третьей главе, были направлены на решение двух тесно связанных между собой задач.

Первая задача состояла в установлении основных факторов, определяющих оптическое пропускание кристаллов германия в области прозрачности. При этом проводились сравнительные исследования образцов, полученных двумя разными методами — методом Чохральского и методом направленной кристаллизации (НК). Последнее делалось с целью решения второй задачи — выяснение возможностей метода направленной кристаллизации для получения кристаллов германия оптического качества.

В результате проведённых исследований было установлено, что электрические параметры выступают в роли основных факторов, определяющих оптическое пропускание кристаллов германия в области прозрачности. Функциональная связь между коэффициентом поглощения и величиной удельного сопротивления описываются одним и тем же набором параметров для образцов, выращенных методом Чохральского, методом направленной кристаллизации и подвергнутых высокотемпературной термообработке. Метод направленной кристаллизации позволяет в принципе получить образцы германия с таким же хорошим пропусканием, как и метод Чохральского. I.

Четвёртая глава диссертации посвящена исследованиям влияния пластической одноосной деформации на спектр поглощения кристаллов германия во всей области прозрачности. Так как для кристаллов германия спектры поглощения и электрические параметры тесно связаны между собой, кроме спектра поглощения определялся тип проводимости и величина удельного сопротивления.

Пластическая деформация вызывает увеличение поглощения кристаллов германия во всём исследовавшемся диапазоне (1,6 — 16 мкм). Эти изменения немонотонны: они представляют собой появление новых полос поглощения (на длинах волн 3,0 мкм, 4,6 мкм и 10,0 мкм), а также размытие и сдвиг коротковолнового края поглощения.

Для образцов с удельным сопротивлением в диапазоне 4−15 Ом см пластическая деформация 4,5 — 6,5% приводит к трансформации птипа проводимости в ртип. Инверсия типа проводимости сопровождается соответствующей «инверсией типа спектра поглощения».

Сравнение спектров пластически деформированных и недеформированных образцов позволило оценить уменьшение времени релаксации носителей при деформации.

Пятая глава посвящена исследованию на примере кристаллов германия влияния на симметрию оптических свойств пластической деформации, наводимой одноосным сжатием вдоль оси симметрии.

В результате пластической деформации образцы кристаллов германия становятся двулучепреломляющими для света, распространяющегося в любом направлении. В частности, в отличие от упругой деформации, двулучепреломление наблюдается для света, распространяющегося вдоль направления сжатия, когда это направление совпадает с осью симметрии третьего порядка.

Величина двулучепреломления и ориентация оптической индикатрисы меняются при переходе от одного участка образца к другому.

Анализ показывает, что наблюдаемые зависимости могут быть количественно описаны на основе модели, в которой пластически деформированный кристалл германия имитируется в виде последовательности двух кристаллических фазовых пластинок с варьируемым углом между их направлениями.

В приложении 1 приведены таблицы показателя преломления.

В приложении 2 дается вывод формулы к главе 5 для расчета зависимости интенсивности света, прошедшего через две фазовые пластинки, помещенные между «скрещенными» поляризаторами.

Практическая значимость результатов.

• Результаты работы могут быть использованы для развития технологии выращивания кристаллов германия оптического качества.

• Результаты работы обязательно необходимо учитывать при совершенствовании технологии получения оптических деталей из германия методом неоднородной пластической деформации.

• Кроме того, результаты работы должны учитываться при развитии фундаментальных исследований в области оптики полупроводников и теории дислокаций и пластической деформации.

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на конференциях:

XXXIII научной и учебно-методической конференции СПбГИТМО (ТУ), посвященной 300-летию Санкт-Петербурга, 2003, (Санкт-Петербург, 04−08 февраля 2003 г.).

III Международной конференции «Оптика 2003» (Санкт-Петербург, 20−24 октября 2003 г.).

I Молодежной конференции молодых учёных университета" (Санкт-Петербург, 16−19 февраля 2004 г.).

XXXV научной и учебно-методической конференции СПбГУИТМО, посвященной 100-летию первого выпуска специалистов вуза, 2005 (Санкт-Петербурга, 02г04 февраля 2005 г.).

• XXXV научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, «Достижения учёных, аспирантов и студентов СПбГУИТМО в науке и образовании», 2005, (31января — Зфевраля 2005 г.).

• XXXVI научной и учебно-методической конференция профессорско-преподавательского и научного состава (Санкт-Петербург, 30 января — 2 февраля 2007 г.).

• V Межвузовской конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2007» (Санкт-Петербург, 15−19 октября 2007 г.). и.

Основные результаты и выводы.

1. Тип проводимости и удельное сопротивление выступают в роли основных факторов, определяющих оптическое поглощение кристаллов германия в области прозрачности. Функциональная связь между коэффициентом поглощения и величиной удельного сопротивления описывается одним и тем же набором параметров для образцов, выращенных методом Чохральского, методом направленной кристаллизации и подвергнутых высокотемпературной термообработке.

2. Метод направленной кристаллизации позволяет в принципе получить образцы германия с таким же хорошим пропусканием, как и метод Чохральского. Надо стремиться получить образцы «-типа с проводимостью в диапазоне 9 — 11 Ом см.

3. Пластическая деформация вызывает увеличение коэффициента поглощение кристаллов германия во всём исследовавшемся диапазоне (2,0 — 16,0 мкм). Изменения спектров поглощения интерпретированы как результат влияния деформации на оптические переходы трёх типов: (1) межзонные непрямые, (2) внутризонные прямые и (3) переходы, соответствующие поглощению свободными носителями — электронами и дырками.

4. Вызванные пластической деформацией изменения спектра поглощения и проводимости указывают на то, что при температуре 300 град. К дислокации обладают акцепторными свойствами.

5. В кристаллах германия действие пластической деформации на спектры свободных носителей в основном определяется двумя параметрами: (а) исходной концентрацией носителей и (б) величиной пластической деформации.

6. Для образцов с удельным сопротивлением в диапазоне 4−16 Ом см пластическая деформация 4,5 — 6,5% приводит к трансформации птипа проводимости в ртип. Инверсия типа проводимости сопровождается соответствующей «инверсией типа спектра поглощения». При деформации меньшей величины «-тип проводимости сохраняется, и спектр поглощения испытывает лишь незначительное увеличение.

7. Было установлено, что для образцов с удельным сопротивлением в диапазоне 0,3−2,0 Ом см пластическая деформация приводит к увеличению сопротивления и возрастанию коэффициента поглощения. Однако тип проводимости сохраняется даже при максимальной деформации 8=13%.

8. Сравнение спектров пластически деформированных и недеформированных образцов позволило оценить уменьшение времени релаксации носителей при деформации.

9. Пластическая деформация вызывает появление полос поглощения, соответствующих оптическим переходам между подзонами валентной зоны с максимами на длинах волн 3,0 мкм, 4,6 мкм и 10,0 мкм.

10. Пластическая деформация вызывает размытие и сдвиг края поглощения в длинноволновую сторону. При этом контур спектра поглощения в диапазоне 1,9 — 2,5 мкм пластически деформированных образцов в значительной степени определяется полосой внутризонных переходов с максимумом 3,0 мкм. В частности, коэффициент поглощения для образцов птипа более круто убывает при увеличении длины волны, чем для образцов р-типа, для которых полоса 3,0 мкм существенно более интенсивна.

11. В результате пластической деформации образцы кристаллов германия становятся двулучепреломляющими для света, распространяющегося в любом направлении. В частности, в отличие от упругой деформации, двулучепреломление наблюдается для света, распространяющегося вдоль направления сжатия, когда это направление совпадает с осью симметрии третьего порядка.

12. Величина двулучепреломления и ориентация оптической индикатрисы меняются при переходе от одного участка образца к другому.

13. Анализ показывает, что наблюдаемые зависимости могут быть количественно описаны на основе модели, в которой пластически деформированный кристалл германия имитируется в виде последовательности двух кристаллических фазовых пластинок с варьируемым углом между их направлениями.