Влияние пластической деформации на оптические свойства кристаллов германия

Рошак, Евгения Николаевна

Влияние пластической деформации на оптические свойства кристаллов германия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Рошак, Евгения Николаевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние пластической деформации на оптические свойства кристаллов германия»

Автореферат диссертации на тему "Влияние пластической деформации на оптические свойства кристаллов германия"

На правах рукописи

Р.

003450381

рошак

Евгения Николаевна

влияние пластической деформации на оптические свойства кристаллов

германия.

Специальность: 01.04.05 - Оптика

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 3 ОЯТ 2008

Санкт-Петербург 2008

003450381

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Пржевуский Александр Кириллович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Селькин Александр Викторович

(ФТИ им. Иоффе РАН)

кандидат физико-математических наук, доцент

ЬСапорский Лев Николаевич

(СПбГУИГШО)

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

НИТИОМ «ГОЙ им. Вавилова»

Защита состоится « И » НС>%5р9. 2008 г. в (-? ~ часов на заседании диссертационного совета Д212.227.02 в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверский пр., 49, ауд. 1 %5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб ГУ ИТМр.

Автореферат разЬслан !« ¡0 » 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, Козлов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Германий является одним из самых исследованных кристаллов. Он является классическим полупроводником и поэтому его полупроводниковым свойствам уделялось основное внимание. Вместе с тем, германий является уникальным оптически материалом, обладая окном прозрачности в диапазоне 2,5 - 14 мкм. Однако работ, посвященным оптическим свойствам германия, совсем не много. 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 микроуровне - влиянию дислокаций).

Решение проблем, возникающих 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

При этом ставились следующие задачи:

1. Установить основные факторы, определяющие оптическое поглощение кристаллов германия во всей области прозрачности, проводя сравнительные исследования образцов, полученных методом Чохральского и методом направленной кристаллизации (дальнейшем НК).

2. Исследовать влияние пластической деформации во всей области прозрачности на спектры поглощения, связанные с оптическими переходами трёх типов: (1) межзонные непрямые, (2) внутризонные прямые и (3) переходы, соответствующие поглощению свободными носителями - электронами и дырками.

3. Параллельно со спектрами поглощения систематически исследовать действие пластической деформации германия на электрические параметры образцов.

4. Установить, как проявляется в спектрах поглощения инверсия знака носителей, имеющая место при определённых условиях в случае пластической деформации.

5. Установить, как модифицируется для пластически деформированных образцов соотношение между проводимостью и коэффициентом поглощения, наблюдавшееся для недеформированных образцов.

6. Исследовать оптическую симметрию и степень однородности образцов германия, подвергнутых пластической деформации вдоль симметричного направления (111).

7. Выяснить, существуют ли принципиальные недостатки метода направленной кристаллизации для получения кристаллов германия оптического качества.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые систематически исследовано действие пластической деформации одновременно на спектры поглощения и электрические параметры во всей области прозрачности.

2. Обнаружено, что инверсия типа проводимости при пластической деформации сопровождается соответствующей инверсией типа спектра во всей области прозрачности.

3. Впервые показано, что в кристаллах германия действие пластической деформации на спектры поглощения свободных носителей в основном определяется двумя параметрами: (а) исходной концентрацией носителей и (б) величиной пластической деформации.

4. Путем сравнения спектров пластически деформированных и недеформированных образцов получены оценки изменения времени релаксации носителей при деформации.

5. Обнаружено, чего пластическая деформация кубического кристалла вдоль оси симметрии Зго порядка в отличие от упругой приводит к двулучепреломлению света, распространяющегося вдоль направления сжатия.

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 пластической деформации.

Основные положения, выносимые на защиту:

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 поглощение 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 носителей - электронов и дырок.

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

4. При деформации 4,5 - 6,5 % спектр поглощения образцов п-типа, исходное сопротивление которых превышает 4,0 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 Адробааия работы.

Результаты исследований докладывались на следующих конференциях:

• ХХХП1 научной и учебно-методической конференции СПбГИТМО (ТУ), посвященной 300-летию Санкт-Петербурга, 2003, (Санкт-Петербург, 04-08 февраля 2003 г.),

• Ш Международной конференции "Оптика 2003" (Санкт-Петербург, 20-24 октября 2003г.),

• «I Молодежной конференции молодых учёных университета» (Санкт-Петербург, 16-19 февраля 2004г.),

• XXXV научной и учебно-методической конференции СПбГУИТМО, посвященной 100-летию первого выпуска специалистов вуза, 2005 (Санкт-Петербург, 02-04 февраля 2005г.),

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

• Международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика 2006" (Санкт-Петербург, 21-24 октября 2006г.),

• XXXVI научной и учебно-методической конференции 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 2007г.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения и списка литературы. Объем диссертации составляет 128 страниц, включая 56 рисунков, 4 таблицы и список литературы, содержащий 105 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. Прежде всего, в ней рассматривается строение кристаллов германия, обладающих структурой алмаза, которая подобна гранецентрированной кубической структуре с тем отличием, что на примитивную ячейку в ней приходится два атома.

Важной особенностью германия является то, что он увеличивается в объёме при затвердевании (примерно на 5% [I]). Иными словами, кристаллы германия имеют меньшую плотность, чем расплав. Причина малой плотности кристаллов германия состоит в том, что в нём осуществляются ковалентные тетраэдрические связи. Благодаря этой особенности возникает проблема при выращивании кристаллов германия в закрытом тигле. В этом случае при кристаллизации контейнер сдавливает растущий кристалл.

Зона Бриллюэна для решётки алмаза имеет такой же вид, как и д ля простой гранецентрированной кубической решётки.

С точки зрения модели сильно связанных электронов энергетические зоны образуются в случае германия из одного и трёх 4 р - уровней. При сближении атомов уровни перекрываются и состояния «смешиваются», в результате чего образуются 4 новые зоны. Вблизи от вершины валентной зоны имеются два типа дырочных состояний, с разными значениями эффективной массы. Сложная структура валентной зоны приводит к внутризонным оптическим переходам, которые наблюдаются в диссертации.

В обзоре рассматриваются различные типы оптических переходов, формирующих границы области прозрачности кристаллов германия, и которые могут проявляться внутри этой области. Коротковолновый край поглощения формируют непрямые переходы между состояниями валентной сонны и зоны проводимости. На длинноволновом краю проявляется решёточное обертонное поглощение. Внутри области прозрачности основной причиной, снижающей пропускание кристаллов германия, является поглощение свободных носителей -электронов и дырок. Кроме того, в кристаллах р-типа проявляются оптические переходы между подзонами валентной зоны.

Так как основную часть диссертации составляло исследование влияния пластической деформации на спектр поглощения и оптические свойства германия, в обзоре рассмотрены основные представления о пластической деформации кристаллов. Проводится сравнение упругой и пластической деформации. Вводятся понятия о плоскости скольжения и направлении

скольжения. Для структуры алмаза, которой обладают кристаллы германия скольжение происходит по плоскостям {111} вдоль направлений (110) .

Вторая глава содержит описание применявшихся экспериментальны; методик. Для осуществления пластической деформации образцы, размеров 012x9 мм, сжимались вдоль направления [111] в специальной вакуумной печи < прессом при вакууме 10"3 торр. Для обеспечения пластической деформацш образцы сначала нагревались со скоростью 13 град/мин до температуры 650° С Затем при этой температуре образцы сжимались давлением 7,9 - 15,9 кг/мм2 i течение 20 минут. После окончания деформации и снятия нагрузки образць охлаждались инерционно в печи до комнатной температуры. Степеш деформации определялась по изменению размера образцов и составляла 4,5 -13,0%.

Спектры поглощения в диапазоне 2,5 - 16 мкм до и после деформации измеряли на спектрофотометре Specord М82 и в диапазоне 1,6 - 2,5 мкм на спектрофотометре Сагу-500. По результатам измерений определяли значения коэффициента поглощения, к.

Показатель преломления кристаллов германия имеет большую величину (пое=4Д079...4,0017), поэтому при-определении коэффициента поглощения по спектрам пропускания учитывались многократные отражения от поверхностей образца. Для этой цели использовалась формула (1), рекомендованная ГОСТом 3520-92:

8я

'п +144

й- 1

8и

т{Щп- if

(1)

где т(Д) - спектральный коэффициент пропускания, измеренный на приборе, г -толщина образца, п - показатель преломления для длины волны X.

Для всех образцов, кроме спектра поглощения, определялся тип проводимости и величина сопротивления как до, так и после пластической деформации. Удельное сопротивление измерялось методом Ван дер Пау, а тип проводимости определялся по знаку термоэлектродвижущей силы.

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

Первая задача состояла в установлении основных факторов, определяющих оптическое поглощение 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 НК для получения кристаллов германия оптического качества.

В качестве возможных факторов, определяющих пропускание образцов германия в области прозрачности, рассматривались структурные дефекты, а также электрические параметры - тип проводимости и её величина.

Представлялось целесообразным применить к нашим экспериментальным результатам метод анализа связи между поглощением и электрическими параметрами, использовавшийся в работе Бишопа и Гибсона [2]. Этот метод базируется на следующих соотношениях:

Коэффициент поглощения, к, представляется в виде суммы трех слагаемых:

кп - обертонное поглощение колебаниями решётки или решеточное поглощение,

ИеАе — поглощение свободными электронами, ЫкАк- поглощение дырками, Ые,

N1, - концентрация электронов и дырок, Ае, Ан - эффективные сечения электронного и дырочного поглощения. Обращает внимание на себя тот факт, что сечение поглощения для дырок намного превышает сечение поглощения для электронов.

Удельная проводимость, <7, записывается в виде:

где е - заряд электрона, /4, ¡л^ - подвижность электронов и дырок. Обратное значение проводимости <Т~1 равно удельному сопротивлению, г, значение которого определялось экспериментально.

Равновесная концентрация электронов п и равновесная концентрация дырок р связаны очень важным соотношением, которое по виду напоминает «закон действующих масс» в физической химии [3]:

к = к +Ы А + N А

И ее к )

(3)

(4)

Здесь те я тк~ эффективные массы электронов и дырок соответственно, Е ■

ширина запрещённой зоны. Существенно, что соотношения (3-5) справедлив! как для собственных, так и для примесных полупроводников. Произведен» концентраций электронов и дырок /V Л^ определяется только эффективным] массами носителей, шириной запрещённой зоны и температурой. Для кристалле! германия при 300°К это произведение равно 4,84 х 1026 см"6.

Анализ результатов измерений с помощью вышеприведённьп соотношений показал, что функциональная связь между коэффициенте» поглощения и величиной удельного сопротивления описываются одним и тем ж< набором параметров для образцов, выращенных методом Чохральского, методов НК и подвергнутых высокотемпературной термообработке (рис. 1.). Такт, образом, электрические параметры выступают в роли основных факторов определяющих оптическое поглощение кристаллов германия в область прозрачности.

Рис.1. Зависимость коэффициента поглощения на длине волны 10,6 мкм от удельного электросопротивления. Кружки - экспериментальные данные, для образцов, выращенных разными методами: направленной кристаллизации и Чохральского, закрашенные кружки -образцы, подвергшиеся температурному воздействию; линия - зависимость, рассчитанная по методу работы Бишопа и Гибсона.

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

Четвёртая глава. В диссертации исследовалось влияние пластической одноосной деформации на спектр поглощения кристаллов германия, измеряемый при комнатной температуре во всей области прозрачности. Так как для кристаллов германия спектры поглощения и электрические параметры тесно связаны между собой (такая связь обсуждалась в главе 3), кроме спектра поглощения определялся тип проводимости и величина удельного сопротивления как до, так и после пластической деформации.

Пластическая деформация вызывает увеличение поглощения кристаллов германия во всём исследовавшемся диапазоне (2,0 - 16 мкм) (рис. 2 и 3). 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. Это интерпретировано 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 [4,5].

X, мкм * «

0,2 0,3 0,5

Е, зВ

Рис.2. Влияние на спектр деформации 4,5%. Образец конвертировал. Исходное удельное сопротивление 7,5 Ом см, Не=2Дх1014см"3, конечное сопротивление 6 Ом см.

0,2 0,3 0,5

Е, эВ

Рис.3. Влияние на спектр деформации 13%. Образец не конвертировал. Исходное удельное сопротивление 0,3 Ом см, ^=4,5х1015см"3, конечное сопротивление 2 Ом см.

До деформации исследовавшиеся нами образцы обладали и-типом проводимости. Значения удельного сопротивления и поглощения находились в полном согласии с расчетной кривой («ложились» на нижнюю ветвь (рис. 1.). В результате пластической деформации образцов их поглощение существенно увеличивалось (рис. 2., 3.). Спектральные зависимости к(Л) соответствовали

изменению п -типа проводимости на р-тип. Такого рода инверсию тш проводимости полностью подтверждали результаты измерения электричесю параметров [6].

При пластической деформации меняется соотношение электронов и дыре в пользу дырок, что сводится к перемещению изображающей точки на криво Такое перемещение в случае пластической деформации 4,5 - 6,5 % образцов удельным сопротивлением в диапазоне 4-16 Ом см сопровождается инверсие типа проводимости {п на р). Следовательно, дислокации в этих эксперименте проявляют акцепторные свойства.

В случае деформации образцов с удельным сопротивлением в диапазон 0,3-2,0 Ом см пластическая деформация приводит к увеличению сопротивления возрастанию коэффициента поглощения. Однако тал проводимости сохраняете даже при максимальной деформации £ - 13% (рис. 3).

В кристаллах германия действие пластической деформации на спектр] свободных носителей в основном определяется двумя параметрами: (а) исходно концентрацией носителей и (б) величиной пластической деформации.

Вместе с тем после деформации значения удельного сопротивления коэффициента поглощения образцов давали координаты точек на рис.4., которы все лежали заметно выше расчетной зависимости для р ветви.

Отмеченное расхождение может быть естественно объяснено уменьшение! времени релаксации носителей Т в результате появления рассеяния носителей н дислокациях. Так как сечение поглощения и коэффициент поглощения носителе обратно пропорциональны времени релаксации Т. В то время как подвижносг Ц. и проводимость <7 прямо пропорциональны Т, а удельное сопротивление I обратно пропорционально Т. А также, если предположить, что

Т(деф) = (6

где Т - исходное значение времени релаксации недеформированного образца т(деф) - время релаксации после деформации; у< 1 - числовой коэффициент величина которого зависит от степени деформации, то тогда: А(деф) ~А/у я /л{деф) = (л?у. Здесь ¿и(деф) и А(деф) - значения подвижности и сечения поглощения изменившиеся в результате рассеяния носителей на дислокациях, а [I и А -значения подвижности и сечения поглощения, которые имели бы образцы, еои

бы рассеяние на дислокациях отсутствовало, а дислокации проявляли бы себя только как акцепторы. При этом оказалось, что точки для образцов 4 и 5, деформация которых составляла 4,5 %, соответствуют уменьшению времени релаксации в 1,5 раза, а точка для образца 6, деформация которых составляла 6,5 % соответствуют уменьшению времени релаксации в 2,3 раза (рис.4).

Рис.4. Зависимость коэффициента поглощения от удельного сопротивления для ^=10,6 мкм. Расчетная кривая к(г) по Бишопу и Гибсону и экспериментальные точки: 4,5,6 - до деформации и 4',5',б' - после деформации. Степень деформации 4,5%, 4,6%, 6,5% соответственно.

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

Исходно кристаллы германия обладают кубической симметрией и следовательно являются оптически изотропными. Хорошо известно, что при упругой деформации кристаллов одноосным сжатием их симметрия понижается. Причём симметрия упруго деформированного кристалла зависит от направления сжатия. В частности, при сжатии вдоль оси симметрии 3-го или 4-го порядков, эта ось сохраняется и у деформированного кристалла. Кристалл становится оптически одноосным.

Представляло интерес выяснить, в какой мере нарушается симметрия кристаллов германия при их пластической деформации вдоль оси симметрии высокого порядка: распространяются ли закономерности упругой деформации на пластическую, трансформируется ли кубический кристалл в одноосный.

Для исследования этого вопроса была собрана специальная установка состоящая из источника света, поляризатора, анализатора и приемника. Образе: располагался между поляризатором и анализатором. Установка позволял? вращать образец вокруг оси, проходящей через центр зондирующего пучка светг и перпендикулярной плоскости образца. Для исследования отдельных участки образца перед образцом располагалась диафрагма диаметром 2,6 мм. После выбора для исследования точки поверхности на конкретном образце измеряла« зависимость интенсивности света, прошедшего через установку I в зависимости от угла поворота образца ССХ, который являлся основным варьируемым параметром.

При помещении в установку пластически деформированного кристалла германия установка регистрировала сигнал, величина которого зависела (а) от образца, (б) от выбранной на нём для зондирования точки и (в) от угла поворота образца относительно поляроидов установки. Примеры типичных результатов представлены на рисунке 5.

При полном повороте на 360 градусов всегда наблюдалось четыре максимума величины сигнала. Углы между соседними максимумами равнялись я/2.

Таким образом, в отличие от случая упругой деформации пластическая деформация при сжатии по оси симметрии приводит к нарушению этой симметрии. Свет, распространяющийся вдоль направления пластической деформации, испытывает двулучепреломление. Наблюдающиеся картины двулучепреломления во многом схожи с теми, которые имеют место при распространении света через фазовую пластинку. Однако, имеются и существенные отличия.

Во-первых, только в исключительных случаях поворотом образца можно было уменьшить проходящий сигнал до уровня шума - восстановить екрещенность поляроидов.

Во-вторых, зависимости сигнала от угла поворота почти всегда отличались от функции Sin2 (2а), описывающей зависимость для простой фазовой пластинки.

Характер анизотропии менялся при переходе от одного участка образца к другому. На это указывают отличия угловых зависимостей интенсивности сигнала (рис. 5.) для разных участков образца.

Рис.5. Четыре зависимости интенсивности сигнала от угла поворота, измеренные для разных точек образца. Окружностью обозначили поверхность образца диаметром 15 мм. Точки измерений находятся друг от друта на расстоянии 5-8 мм. Начала координат зависимостей интенсивности от угла поворота расположены в точках измерения.

Для качественной интерпретации полученных экспериментальных данных мы использовали простейший вариант модели неоднородного кристалла. Считали, что пластически деформированный кристалл ведёт себя как две плотно прилегающие параллельные кристаллические пластинки, вырезанные из анизотропного кристалла. Свет перпендикулярен плоскостям пластинок. Таким образом, модель имеет четыре параметра: два фазовых сдвига д¡, 82, создаваемые каждой из пластинок и два угла поворота главного направления пластинок относительно общей системы координат ССХ, (Х2 - углов ориентации кристаллических пластинок относительно направления поляризации входного поляроида.

С помощью формализма Мюллера [7] было получено следующее выражение для интенсивности света, прошедшего через модель:

втС«?,,) 8Щ(2<Х,) эт^ )}.

Изменяя угол (Хх (вращая кристалл), можно видеть зависимость глубины модуляции сигнала от набега фаз и угла разориентации пластинок.

р р г

/ = 0,5{1 - [эш2 008(4»,)+сое2 (-^дап2 ф) С08(4а2)

3 5 8

+ сое2 (—)] - 8т(4ц) вт2 (—) зт(4<х,) вт2 (—) + 8ш(2о,1)

(7)

Оказалось, что приведённое выше соотношение позволяют описать вс( экспериментально полученные зависимости интенсивности от угла поворот* образца. Таким образом, весьма простая модель из двух фазовых пластинов позволяет на качественном уровне объяснить все наблюдавшиеся вариангь экспериментальных зависимостей.

Это позволяет предположить, что типичный размер гомогенных областей пластически деформированных кристаллов германия в наших экспериментах составлял несколько мм.

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 п -типа с проводимостью в диапазоне 9-11 Ом см.

3. Пластическая деформация вызывает увеличение коэффициента поглощения 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°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 п-типа проводимости в р-тип. Инверсия типа проводимости сопровождается соответствующей «инверсией типа спектра поглощения». При деформации меньшей величины и-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.

Ю.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 л-типа 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.

Основное содержание диссертации Рошак (Маколкнной) E.H. опубликовано в работах:

1. Маколкина E.H., Пржевуский А.К. Влияние структурных дефектов а оптические параметры кристаллов германия // Оптический журнал, 2003, т. 70 №11, с. 64-67.

2. Маколкина E.H. Влияние высокотемпературной термообработки на спект] поглощения кристаллов германия // Научно-технический вестник Санкт Петербургского университета информационных технологий, механики i оптики, 2005, №18, с. 198-202.

3. Маколкина E.H., Пржевуский А.К. Механизмы влияния дислокаций и оптические и электрические свойства кристаллов германия // Научно технический вестник Санкт-Петербургского университета информационны? технологий, механики и оптики, 2006, № 34, с.49-54.

4. Маколкина E.H., Пржевуский А.К. Влияние пластической деформации нг спектр кристаллов германия II Оптический журнал, 2007, т. 74, № 2, с. 74-77.

5. Рошак E.H., Ширшнев П.С. Зависимость механизма влияния пластической деформации на спектры германия от концентрации электронов // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского университета информационны? технологий, механики и оптики, 2007, №37, с.175-177.

6. Рошак E.H., Ширшнев П.С.. Анизотропия оптических свойств и неоднородность пластически деформированных 1фисталлов германия // Вестник \ Межвузовской конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2007». сб. науч. трудов - Санкт-Петербург [СПб ГУ ИТМО], 2007, с.386-387.

7. Рошак E.H., Ширшнёв П.С., Пржевуский А.К. Влияние пластической деформации на межзонные и внутризонные переходы в кристаллах германия h Оптический журнал, 2007, т. 74, № 11, с.7-11.

8. Рошак E.H., Ширшнёв П.С., Пржевуский А.К. Анизотропия оптических свойств и неоднородность пластически деформированных образцов h Оптический журнал, 2008, т. 75, № 9. С ~ ? 2_

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Шаскольская МЛ. Кристаллография. Учебник для втузов - М.: Высш. школа, 1976,391с.

2. Bishop P.J., Gibson A.F. Absorption coefficient of germanium at 10,6mkm // Appl. Opt., v.12,1973, pp.2549-2550.

3. Зеегер К. Физика полупроводников - M.: Мир, 1977,615с.

4. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников - М.: Наука, 1977,366с.

5. Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках - М.: Мир, 1973,456с.

6. Осипьян ЮЛ. Электронные свойства дислокаций в полупроводниках - М.: Эдиториал УРСС, 2000,320с.

7. Щерклифф У. Поляризованный свет - М.: Мир, 1965,264с.

* * *

В заключении автор искренне благодарит В.Н. Ветрова, А.Б. Борисенкова и В.А. Письменного за помощь в проведение экспериментов по пластической деформации кристаллов германия, за предоставление оборудования и образцов германия, за обсуждение результатов работы. Выражаю благодарность. И.А. Каплунову за предоставление монокристаллов германия для экспериментов. Благодарю Д.В. Пшонкина и А.В. Швеца за предоставленную измерительную установку для исследования неоднородности деформированных кристаллов германия.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Еаблинская ул., 14 Тел.(812)233 46 69

Усл.печ.лист -1,0 Тираж 100 экз.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Рошак, Евгения Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.Стр.

Глава 1. Структура, электронные свойства и пластическая деформация кристаллов германия.Стр.

1.1. Структура кристаллов германия.Стр.

1.2. Зонная схема германия.Стр.

1.3. Оптические свойства.Стр.

1.3.1. Коротковолновый край поглощения .Стр.

1.3.2. Поглощение носителей.Стр.

1.3.3. Внутризонные переходы.Стр.

1.3.4. Многофононное поглощение кристаллической решеткой.Стр.

1.4. Пластическая деформация и ее влияние на свойства германия.Стр.

1.4.1. Основные определения и факты.Стр.

1.4.2. Пластическая деформация и дислокации.Стр.

1.4.3. Пластическая деформация и дислокации в германии .Стр.

1.4.4. Влияние пластической деформации на электрические свойства.Стр.

1.4.5. Влияние пластической деформации на спектры поглощения.Стр.

1.4.6. Пластическая деформация при синтезе кристаллов германия.Стр.

1.5. Постановка задачи исследования.Стр.

Глава 2. Методика эксперимента.Стр.

2.1. Приготовление образцов.Стр.

2.2. Пластическая деформация образцов.Стр.

2.3. Измерение спектров поглощения германия.Стр.

2.4. Измерение электрических параметров.Стр.

2.4.1.0пределение типа проводимости методом термозонда

2.4.2. Измерение удельного сопротивления.Стр.

2.5. Определение плотности дислокаций методом избирательного травления.Стр.

Глава 3. Связь коэффициента поглощения и проводимости.Стр.

3.1. Сравнение влияния разных факторов на поглощение германия: .Стр.

3.1.1. влияние на поглощение структурных дефектов.Стр.

3.1.2. влияние на поглощение величины и типа проводимости .Стр.

3.2. Количественная связь поглощения носителей с электрическими параметрами.Стр.

3.3. Влияние прогрева на поглощение кристаллов германия

Выводы к Главе 3.Стр.

Глава 4. Влияние пластической деформации на спектр поглощения германия.Стр.

4.1. Поглощение свободных носителей.Стр.

4.1.1. Образцы п-типа с «большим» исходным удельным сопротивлением.Стр.

4.1.2. Образцы п-типа с «малым» исходным удельным сопротивлением.Стр.

4.2. Переходы между подзонами валентной зоны.Стр. 4.3. Акцепторный характер дислокаций в условиях наших экспериментов.Стр.

4.4. Край поглощения и коротковолновая область прозрачности.Стр.

4.4.1. Оценка рассеяния.Стр.

4.4.2. Изменения спектра поглощения в коротковолновой части диапазона прозрачности.Стр.

Выводы к Главе 4.Стр.

Глава 5. Анизотропия оптических свойств и неоднородность пластически деформированных кристаллов германия.Стр.

5.1. Экспериментальная установка.Стр.

5.2. Результаты эксперимента.Стр.

5.3. Модельные расчеты и обсуждения.Стр.

Выводы к Главе 5.Стр.

Введение диссертация по физике, на тему "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.

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.

На защиту выносятся следующие защищаемые положения:

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 носителей -электронов и дырок.

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.

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 п -типа проводимости в р -тип. Инверсия типа проводимости сопровождается соответствующей «инверсией типа спектра поглощения».

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

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

• 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 2003г.).

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

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

• 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 2007г.). и

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Основные результаты и выводы

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.

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

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 п -типа 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.