РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Обгрунтування вибору напівпровідникового матеріалу
Виходячи з мети та огляду літератури, виберемо напівпровідниковий матеріал для
дослідження. Він повинен відповідати таким вимогам:
бути прозорим (Kd<<1) в MW і LW діапазонах при Т>300 К, для чого: мати край
власного поглинання при l<3 мкм, мати незначну рівноважну концентрацію вільних
носіїв і локальних рівнів у забороненій зоні, не мати інтенсивних смуг
поглинання кристалічної гратки в цих діапазонах;
мати великий ефективний час життя вільних носіїв;
мати великі перерізи взаємодії ІЧ випромінювання з вільними носіями;
зберігати свою ідентичність в широкому діапазоні температур (до Т~1000 К).
На нашу думку, монокристалічний Ge задовольняє цим вимогам і може бути
ефективним перетворювачем видимого і ближнього ІЧ світла в випромінювання MW і
LW діапазонів. При Т»290 К край поглинання Ge знаходиться при l»1.8 мкм, власна
концентрація носіїв складає nі»2.25Ч1013 см–3 [55], що при використанні даних
табл. 1 дає K»1.6Ч10–2 см–1 при l=10.6 мкм. Оскільки коефіцієнт поглинання
кристалічної гратки в діапазоні 3-12 мкм також не перевищує 10–2 см–1 (див.
рис. 1.4 і [23]), то при d<1 см маємо Kd<<1. Типовий час життя вільних носіїв в
монокристалах Ge складає >102 мкс [53].
Найбільш простими для аналізу є зразки у формі пластини, які також найкраще
підходять для створення джерел ІЧ зображень. Умова прозорості пластини (Kd<1)
виконується при d<1 см, концентрації некомпенсованих донорів <1017 см–3 і
акцепторів <1015 см–3 (значна відмінність концентрацій донорів та акцепторів
зумовлена співвідношенням sp>>sn).
2.2. Виготовлення і параметри зразків
Від зливків монокристалічного Ge n і p типу з провідністю 0.1-45 ОмЧсм
відрізалися шайби товщиною ~0.1-1 см, з яких виготовлялися пластини круглої чи
прямокутної форми площею декілька квадратних сантиметрів. Пластини шліфувалися
послідовно абразивними порошками з розміром зерна 20 і 10 мкм, а потім
полірувалися послідовно алмазним пастами з розміром зерна 5, 3 і 1 мкм, що
забезпечувало дзеркальну поверхню для ІЧ випромінювання та видимого світла.
Товщина зразків складала »0.04-1 см. Після механічної обробки біля поверхні
кристала залишався порушений шар товщиною порядку розміру зерна абразиву [56],
що, як відомо, призводить до високої швидкості поверхневої рекомбінації носіїв
~105 см/с [56] і відмінних від об’ємних перерізів поглинання [57]. Для
видалення цього шару зразки травилися протягом 5 с у киплячому розчині перекису
водню (30%). В результаті швидкість поверхневої рекомбінації складала ~102 см/с
[56].
Високий показник заломлення германію в ІЧ області (q»4) зумовлює значне
френелівське відбивання ІЧ випромінювання від поверхні пластини
(R»[(1–q)/(1+q)]2»0.36 [58]). Для підвищення зовнішнього квантового виходу на
зразки наносилися просвітлюючі покриття. Матеріали для них вибиралися виходячи
з вимог прозорості в ІЧ області, величини показника заломлення (qf»q1/2 [58]),
стабільності при високих температурах і можливості отримання плівок
стехіометричного складу при напиленні. Товщина плівки df вибиралась виходячи з
вимоги максимального просвітлення в одному з вікон прозорості атмосфери 3-5 або
8-12 мкм (df»l/4). Були вибрані CdSe (qf »2.43) і ZnS (qf »2.2) [59]. Плівки
CdSe наносилися в ІФН ім. В.Є.Лашкарьова НАН України, Київ, методом термічного
напилення в вакуумі шляхом нагріву спресованого порошку CdSe. Тиск у камері
складав 1,3Ч10–3 Па, пластина знаходилася при кімнатній температурі, швидкість
напилення складала 5-15 нм/с. Швидкість напилення і товщина плівки в процесі
напилення контролювалися за допомогою каліброваного кварцового датчика. Кінцева
товщина напиленої плівки вимірювалася на зразках-супутниках за допомогою
мікроінтерферометра (MИИ-4). Плівка CdSe на діапазон 3-5 мкм мала товщину
близько 0.45 мкм, на діапазон 8-12 мкм близько 0.8 мкм. Сульфід цинку СЦ
пересублімований (ЕТО.035.295 ТУ) напилювали в ІФН ім. В.Є.Лашкарьова НАН
України, Київ, на установці ВУ-1А методом єлектронно-променевого випаровування
у вакуумі (5-8)·10-6 мм.рт.ст. Таблетки діаметром 10 мм спресованого з порошку
ZnS поміщали в універсальний електронно-променевий випарник (УЭЛИ-1). Вагова
загрузка випарника матеріалом ZnS визначалась потрібною товщиною плівки.
Температуру пластин Ge при напиленні підтримували біля 120о C. Контроль за
товщиною осаджуваної плівки здійснювався за допомогою комплексу фотометричного
контролю товщини СФКТ-751В, яким устаткована установка ВУ-1А.
В табл. 2 наведені параметри досліджуваних зразків та їх нумерація.
Таблиця 2
Параметри зразків
№ зразка
Тип провідності
Питомий опір, ОмЧсм
Рівень легування, см–3
Товщина, см
Легуюча
Домішка
45
2Ч1013
0.35
Sb
6Ч1014
0.35
Sb
6Ч1014
0.2
Sb
0.1
2Ч1016
0.35
Sb
0.1
2Ч1016
0.2
Sb
45
6Ч1013
0.9
Ga
0.1
2Ч1016
0.9
Sb
45
6Ч1013
0.1
Ga
0.1
2Ч1016
0.04
Sb
Рис. 2.1. Температурні залежності ефективного часу життя носіїв в досліджуваних
зразках.
Зразки одного типу і рівня легування виготовлялися з одного зливку. Верхня
границя товщини і рівня легування вибирались так, щоб задовольнити умову Kd<1 в
середньому ІЧ діапазоні. Нижня границя товщини вибрана виходячи з вимог
збереження досить великого часу життя і виключення інтерференційних ефектів. На
рис. 2.1 представлені температурні залежності ефективного часу життя в
досліджуваних зразках, виміряні по кінетиці надлишкового ТВ при малих рівнях
збудження (див. п.2.3.2). Оскільки в Ge рекомбінація відбувається через
локальні рівні дефектів в забороненій зоні, в домішкових кристалах максимум
темпе
- Київ+380960830922