بخشی از مقاله
چکیده
تک بلور ژرمانیوم با خلوص 99/999 درصد براي کاربردهاي اپتیکی مادون قرمز در بازه طول موج 2 الی 12 میکرومتر با سیستم طراحی و ساخته شده توسط متخصصین رشد بلور کشور رشد داده شد. به جهت بررسی کیفیت ماده مذکور، آزمونهاي پراش پرتو ایکس، سونش ترجیحی، عبور مادون قرمز، مقاومت ویژه، اندازهگیري ضریب شکست، همگنی اپتیکی، طیف سنجی پراش پرتو ایکس و اچ ماکروسکوپی همگی نشان دهنده رشد تک بلور ژرمانیوم با قطر بزرگ با کیفیت بالا جهت مصارف اپتیکی هستند که مهمترین آنها میزان عبور 52 درصدي، دانسیته سطحی نابجاییهاي 2/3*10 5 #/cm2، مقاومت ویژه 35 اهم سانتیمتري به همراه ضریب شکست و همگنی اپتیکی هستند که با مقدار تئوري یا هیچ اختلافی ندارند و یا اختلاف ناچیز و قابل اغماض است.کلمات کلیدي: تک بلور، ژرمانیوم، گرید اپتیکی، چکرالسکی، single crystal, Germanium, optical grade, Czochralski,
مقدمه
تک بلور ژرمانیوم به عنوان یک ماده نیمه رسانا با خواص الکترونیکی و اپتیکی کاربردهاي متنوعی نظیر آشکارسازهاي مادون قرمز، ترانزیستورها، دیودها، انواع پنجره و لنز سیستمهاي مادون
قرمز و ... را داراست. در این مقاله به جزئیات فنی و علمی تولید .ژرمانیوم تک بلور با کیفیت اپتیکی پرداخته خواهد شد.
روش انجام کار
تک بلور ژرمانیوم اپتیکی با قطر بزرگ به روش چکرالسکی رشدداده شد که تصویر و برخی مشخصات فنی دستگاه در شکل 1 و جدول 1 و ارائه شده است. براي رشد از بوتههاي گرافیتی به منظور یکنواختی انتقال دما و عدم ورود ناخالصی از بوته به ماده استفاده شده که به این منظور از گرافیت صنعتی گرید 1 با خلوص99/999 درصد با دانسیته و صافی سطح بسیار بالا استفاده گردیده است. همچنین گاز آرگون با خلوص % 99/999 استفاده شد. پیش از شروع فرایندتمامی اجزا سیستم از قبیل بوته، دیوارهها، اجزاداخلی و مواداولیه - شمشهاي چندبلور با خلوص حداقل 99/999 % - بوده است، با محلول مناسب شستشو داده شده وغبارگیري سطوح داخلی با پارچه ابریشمی صورت پذیرفته است.
محلولهاي مورد استفاده در مراحل مختلف شستشوي شمش ژرمانیوم در جدول 2 ارائه شدهاند.[2] شستشوي مواد با سیستم آلتراسونیک حمامی انجام پذیرفته، سپس درون یک آون در دماي 100 °C/min به مدت 2 ساعت خشک میشوند. همچنین یک بلور دانه اولیه ژرمانیوم به عنوان مبدا رشد به کشنده بالایی متصل شده و سایر اجزا نیز به صورت دقیق جاي گذاري میشوند.پس از شارژ شمشها درون بوته و بارگذاري کوره، فرایند رشد بلور با شستشوي گازي آغاز گردید. به نحوي که فرایندهاي شارژ گاز خنثی، دما دهی و خلا کردن محفظه چندین بار به تناوب صورت پذیرفت.[3] پس از آن محفظه تا فشار 10-3 بار خلا گردید.[4] دماي کوره با نرخ 10°C/min ، تا دماي 1000 °C افزایش یافت.[5] سپس تماس بلور دانه با مذاب صورت گرفته و همزمان چرخش بوته، بلور دانه و حرکت عمودي آنها منجر به رشد تک بلور با قطر بزرگ گردید. تصویر، ابعاد و مشخصات تک بلور رشد داده شده در شکل 2 و جدول 3 ارائه شدهاند.
آزمونهاي مشخصهیابی و تحلیل نتایج حاصله
با توجه به کیفیت اپتیکی ژرمانیوم تک بلور رشد داده شده، به جز آزمونهاي مرتبط با نیمه رساناهاي تک بلور، آزمونهاي اپتیکی[6] نیز انجام پذیرفت. که نتایج آنها در ادامه بحث خواهند شد.آزمون اچ ماکروسکوپی با اچانت حاوي HF,H2O2,HCl,H2O با نسبت [7]1:1:1:4، بر روي شمش ژرمانیوم و تک بلور رشد داده شده صورت پذیرفت که تصاویر نمونههاي اچ شده در شکل 3 قابل مشاهده هستند. در نمونه تک بلور هیچ دانهاي به صورت ماکروسکوپی دیده نمیشود. همچنین نتایج تست سونش ترجیحی نیز در شکل 4 ارائه شدهاند. میزان دانسیته نابجاییها در ژرمانیوم تک بلور در حدود 2/3*105 #/cm2 است که میزان مناسبی است.
به منظور بررسی میزان مقاومت ویژه ژرمانیوم، از تک بلور و چند بلور ژرمانیوم تست مقاومت ویژه با روش four probe بعمل آمد که در آن با اندازهگیري میزان ولتاژ و جریان عبوري از نمونهها، عدد مقاومت ویژه حاصل شد[9] که نتایج در جدول 4 ارائه شدهاند. همچنین از این آزمون به میزان خلوص مواد نیز میتوان پی برد به این صورت که مقاومت ژرمانیوم تک بلور با خلوص حداقل % 99/999 داراي مقاومت بین 5-40 Ohm.cm میباشد.[10] آزمون عبور مادون قرمز نیز از دو قرص با قطر و ضخامت 25 mm و 10 که از تک بلور تهیه شده بود انجام گرفت[8] که نتایج آن به همراه نمودار عبور نمونه ساخت شرکت یومیکور آمریکا در شکل 5 ارائه شدهاند. همانطور که دیده میشود در بازه 2 الی 12 میکرومتر، عبور مادون قرمز نمونهها در حدود %52 است که البته با پوششهاي ضدبازتاب این مقدار بحدود %98 خواهد رسید. همچنین در مورد پیک جذبی واقع در طول موج 4/2µm باید گفت که مربوط به گاز CO2 موجود در دستگاه است.[6]
دقیقترین روش براي اندازهگیري ضریب شکست، اندازهگیري زاویهي کمترین انحراف میباشد[1] ، که در آن یک گوهي اپتیکی با زاویه راس A ساخته میشود. در عبور دسته پرتو موازي از این گوه، راستاي دسته پرتو منحرف خواهد شد. در موقعیت کمترین انحراف، میزان انحراف D خواهد بود. که طبق رابطهي 1 داریم:[6] - 1 - در جدول 5 مقادیر اندازهگیريهاي انجام شده بر روي نمونه ژرمانیوم در طولموج 10/350 میکرومتر آمده است. همانگونه که دیده میشود اختلاف ضریب شکست اندازهگیري شده و مقدار تئوري بسیار کوچک و برابر با 0/0005 میباشد.در شکل 6 تصویر حاصل از عبور دسته پرتو موازي از نمونههاي مختلف دیده میشود. در همگنی نامطلوب، لبههاي تصویر مات و در همگنی مطلوب، لبههاي تصویر کاملاً شارپ میباشند.[6]
