РОЗДІЛ II МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
II.1 Вибір матеріалу та виготовлення зразків
II.1.1 Обґрунтування вибору матеріалу
На основі зробленого огляду літератури і виходячи з поставлених задач, можна
зробити висновок, що н/п матеріал для досліджень повинен відповідати наступним
вимогам [1 Вимоги стосуються напівпровідникових кристалів з товщиною більше
100 мкм, коли можна знехтувати інтерференційними ефектами. Кристали меншої
товщини та плівки в роботі не розглядаються.]:
Мати край власного поглинання не далі, ніж у ближньому ІЧ діапазоні (l<3 мкм),
щоб досліджуваний спектральний інтервал (l=3ё16 мкм) не перетинався зі смугою
власного поглинання і щоб збудження зразків видимим або ближнім ІЧ світлом не
призводило до значного розсіювання енергії надлишкових носіїв під час
релаксації в зонах.
Мати край власного поглинання не ближче, ніж у видимому діапазоні (l>0,38 мкм),
щоб мати можливість збуджувати зразки ефективними та доступними джерелами
випромінювання — світло- та лазерними діодами, лампами розжарювання та ін.
Бути прозорим за краєм поглинання при температурах Т>300 К, тобто, мати
незначну рівноважну концентрацію ВНЗ (менше 1017 см-3) і малу концентрацію
локальних рівнів у забороненій зоні, а також не мати в цьому діапазоні
інтенсивних та широких смуг поглинання кристалічної гратки. В супротивному разі
випромінювальна здатність зразків або зовсім не буде залежати від концентрації
ВНЗ (див. формулу (1.4)), або діапазон її зміни буде обмежений. Ця вимога, на
рівні з п.1, нав’язує вибір широкозонних н/п, оскільки вузькозонні мають велику
концентрацію ВНЗ при Т>300 К.
Мати великий час життя ВНЗ для високої ефективності перетворення, оскільки
стаціонарна концентрація надлишкових носіїв пропорційна часу життя.
Зберігати механічні і хімічні властивості в широкому діапазоні температур
Т>300 К.
Бути доступним, мати низьку собівартість.
Цим вимогам задовольняє монокристалічний с-Si. При Т=300 К край поглинання
знаходиться в ньому при l»1.1 мкм (див. рис. 2.1).
Рис. 2.2. Температурна залежність власної концентрації в Si [73]
Власна концентрація ВНЗ при Т=300 К складає в Si ni»1010 см-3 (див. рис.2.2).
Коефіцієнти поглинання кристалічної гратки в діапазоні 3ё16 мкм не перевищують
~1 см-1 (див. рис. 1.3). Завдяки високій прозорості Si широко використовується
як матеріал для лінз i оптичних фільтрів на середній ІЧ діапазон [74, 75]. Час
життя ВНЗ в монокристалах c-Si може змінюватись в широких межах (декілька мілі
- мікросекунд).
Крім того, на сьогодні до 90% напівпровідникових приладів (інтегральні схеми,
підсилювачі і т.д.) виготовляються на основі кремнію. За прогнозами він буде
залишатися основним напівпровідниковим матеріалом ще до 2010 року.
II.1.2 Методи обробки зразків
Зразки випромінювачів, які досліджувалися, мали форму плоско паралельних
пластин з типовими розмірами: площею ~1 см2 і товщиною ~(0.01-1) см. Пластини
вирізалися з злитків монокристалічного Si, вирощених по методу безтигельної
зонної плавки, або методом Чохральського.
Процес виготовлення зразків є загальноприйнята стандартна послідовність
операцій [76, 77] таких, як: різка, шліфовка абразивними порошками (з розміром
зерна 20 та 10 мкм), поліровка алмазними пастами (з розміром зерна послідовно
5, 3 та 1 мкм), що забезпечувало дзеркальну поверхню для ІЧ випромінювання.
Після шліфування і полірування товщина зразків складала ~(0.01-1) см. Потім
зразки промивалися і знежирювалися (ацетон (CH3COCH3), етиловий спирт (C2H5OH))
з наступною промивкою в деіонізованій воді. Для зниження швидкості поверхневої
рекомбінації зразки Si травилися у кислотних травниках СР-4А, СР-8 [77]. Така
обробка забезпечувала s»103- 104 см/с (при кімнатній температурі) [77] з
незначним погіршенням поліровки (рельєф <1 мкм). Для вимірювання
фотопровідності (ФП) і питомого опору на вузькі грані зразків наносилися омічні
контакти, це досягалося втиранням сплаву GaZn або при нанесенні евтектичного
сплаву золото-кремній [78]. Необхідність використання золота обумовлена гарною
омічністю контактів при безпосередньому нанесенні евтектичного сплаву
золото-кремній до кремнію. Для такої технології золото може бути використане як
у вигляді дроту невеликих розмірів, так і у вигляді тонких пластин. Нанесення
контактів виконується методом вплавлення тонкої золотої дротинки чи пластинки у
нагрітий до 400 0С зразок кремнію.
II.1.3. Нанесення тонкоплівочних покриттів для просвітлення в ІЧ-області
спектру (3-5 і 8-12 мкм)
З метою зменшення втрати ІЧ випромінювання при його відбиванні від поверхні
кремнію (який має великий показник заломлення в даному спектральному діапазоні
n=3.42 [79-81]) на зразки наносилися просвітлюючи покриття (одношарові,
селективні) методом термічного випаровування у вакуумі. Матеріали для
просвітлюючого покриття вибиралися виходячи з вимог прозорості в ІЧ області,
величини показника заломлення, стабільності оптичних констант при високих
температурах і можливості отримання плівок стехіометричного складу при
термічному запиленні у вакуумі. Товщина плівки підбиралася виходячи з вимог
максимального просвітлення в одному з вікон прозорості атмосфери 3ё5 або
8ё12 мкм (у цих діапазонах працювали ІЧ камери, які використовувалися при
дослідженнях).
В якості матеріалів для нанесення антивіддзеркалюючих покриттів (АП) на
кристали Si використовували монооксид кремнію (SiO) на область (3ч5) мкм
(оскільки SiO поглинає при l>8 мкм) і сульфід цинку (ZnS) на області (3ч5) мкм
і (8ч12) мкм. Вибір цих матеріалів обумовлений тим, що вони мають показники
заломлення, які гарно задовольняють умові n= і, крім того, вони прозорі у
досліджуваному діапазоні ІЧ – спектру. Розра
- Київ+380960830922