Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения крупногабаритных кристаллов германия для фотоники и электронных приборов с низкой концентрацией нано- и микроразмерных дефектов

Докладчик: Каплунов Иван Александрович

Должность: Проректор по научной и инновационной деятельности

Цель проекта:
1. Германий является одним из самых распространенных и изученных материалов ИК оптики. Благодаря механической прочности, устойчивости к атмосферным воздействиям, химической стойкости, относительно высокому оптическому пропусканию, возможности получения крупногабаритных заготовок, германий эффективно применяется в рассматриваемом спектральном диапазоне. Применение германия для изготовления оптических элементов инфракрасной техники обусловливает необходимость детального изучения влияния на оптические свойства примесного состава, структурных характеристик, условий получения кристаллов. Для расчета и конструирования ИК систем важно точно оценивать как общее ослабление излучения, так и отдельные составляющие ослабления - величины поглощения и рассеяния. Поглощение излучения и рассеяние излучения в германии непосредственно связаны с типом электропроводности материала; с концентрацией примеси; с наличием структурных дефектов - поликристаллизации, дислокаций и малоугловых границ. На поглощение излучения в германии оказывает значительное влияние температура. Дефекты кристаллической решетки, внутренние напряжения в кристаллах приводят к неоднородности показателя преломления оптических заготовок, снижению оптического пропускания, возрастанию доли рассеянного излучения. Наличие существенных напряжений может приводить к растрескиванию кристаллов как в процессе выращивания, так и при их механической обработке. Наиболее ярко эти эффекты выражены для крупногабаритных монокристаллов германия (диаметром свыше 150 - 200 мм), используемых для изготовления элементов проходной оптики инфракрасных систем. Указанные характеристики существенно зависят от выбора метода выращивания кристаллов, температурных условий выращивания. Разрешающая способность систем ИК оптики непосредственно определяется размерами оптических систем, поэтому важным условием развития и совершенствования технической базы ИК оптики является удовлетворение потребности в крупногабаритном оптическом германии. В последние годы интерес к германию усилился (активировался) в связи с развитием глобальных спутниковых сетей, а также других телекоммуникационных проектов. Для бортового питания спутников, являющихся основой подобных проектов, требуются радиационностойкие фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с высоким к.п.д. Наиболее эффективные ФЭП с к.п.д. более до 30-40%, устанавливаемые в настоящее время на спутниках, изготовлены на германиевых подложках диаметром до 100 мм. Необходимые условия, предъявляемые к такому германию - это низкая плотность дефектов на нано-и микроуровне: дефектов упаковки, примесных скоплений, дислокаций, отсутствие дислокационных дефектов типа малоугловых границ, диаметр кристаллов 100 мм и выше. Проблема получения кристаллов германия таких размеров с высоким структурным совершенством и удешевление таких кристаллов является, несомненно, актуальной. Таким образом, актуальность ПНИ обусловлена необходимостью системного детального изучения широкого спектра научных вопросов, технических и технологических задач и приемов, совокупность которых обеспечивала бы получение высококачественного германия для применения в инфракрасной оптике и как подложечного материала для фотопреобразователей на основе гетероструктур. 2. Разработка технологии выращивания совершенных крупногабаритных монокристаллов германия для оптического и акустооптического применения методами Чохральского и направленной кристаллизации (диаметр кристаллов до 300 мм). Разработка технологии выращивания крупногабаритных монокристаллов германия методом Чохральского с низкой концентрацией нано- и микроразмерных дефектов для изготовления на их основе подложек для высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей (диаметр кристаллов до 150 мм).

Основные планируемые результаты проекта:
1. При выполнении ПНИ на настоящем этапе достигнуты следующие основные результаты:
Подготовлено технологическое и исследовательское оборудование.
Проведены пробные технологические процессы.
Разработаны 3 технологических инструкции по выращиванию монокристаллов германия с низкой плотностью дефектов.
Проанализированы основные методики исследований, на основе результатов которых будет корректироваться технологический процесс.
Получена методом Чохральского исследовательская партия крупногабаритных монокристаллов германия для оптического и акустооптического применения.
2. Основные характеристики планируемых результатов: Разрабатываемые технологии должны обеспечить получение совершенных монокристаллов германия для оптики и для подложек фотоэлектрических преобразователей. Итогом будут являться оптические приборы высокого качества и высокий уровень фотопреобразования солнечной энергии.
3. Создан новый способ получения монокристаллов с низким уровнем дефектов. Формируется и подаётся заявка на изобретение. Принята к печати статья в журнале, индексируемом в базе WOS.
4. Разработки соответствуют мировому уровню. В Российской Федерации основной производитель германия - ООО "Германий и приложения" является индустриальным партнером по исполнению проекта.
5. Пути и способы достижения заявленных результатов на настоящем этапе соответствуют Техническому заданию и Плану-графику работ.
Ограничения и риски на настоящем этапе отсутствуют.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Области применения планируемых результатов: а) инфракрасная техника: оптические изделия проходной оптики (линзы, окна), изделия акустооптики - акустооптические модуляторы для инфракрасного диапазона.
б) солнечная энергетика - подложки для изготовления высокоэффективных фотопреобразователей с использованием гетероструктур.
Подходы и методы, предлагаемые в исследованиях, могут привести к получению новых научных результатов. В зарубежной и отечественной печати, в том числе и в обширных монографиях практически не рассмотрены вопросы, связанные с рассеянием света на дефектах кристаллической структуры (точнее – на микрообъемах, возмущенных наличием дислокаций; на дислокационных дефектах типа малоугловых границ, на примесях). Соответственно не разработаны и методы получения кристаллов, их отжига и механической обработки, оптимизированные в плане снижения рассеяния и устранения оптических неоднородностей. Слабая изученность указанных вопросов, относится не только к германию, но и вообще к любым оптическим материалам. Поэтому при реализации проекта прогнозируется решение не только прикладных научных задач, но и заметное продвижение в решении целого ряда фундаментальных вопросов, относящихся к оптике, теории рассеяния, кристаллофизике и теории роста кристаллов.
2. Практическое внедрение результатов исследований планируется на промышленной площадке индустриального партнера (ООО "Германий и приложения"), а также на собственной технологической базе Тверского государственного университета.
3. Разрабатываемые технологии соответствуют передовому мировому уровню. Существенное количество монокристаллического германия закупается у зарубежных партеров, а производство монокристаллов германия для изготовления подложек в Российской Федерации не налажено. Разрабатываемые технологии позволят существенно заместить на российских рынках импортную продукцию, снизить себестоимость производства.

Текущие результаты проекта:
В работе получены следующие результаты, представленные в научно-техническом отчете:
- Аналитический обзор, в котором рассматривается кристаллический германий, его применение и методы получения для оптического, акустооптического использования, а также для изготовления подложек для фотоэлектрических преобразователей.
- Проанализирован объект исследований, в частности получение монокристаллов германия с низкой концентрацией нано- и микроразмерных дефектов. Показаны недостатки существующих методов, изучено состояние и перспективы развития технологий получения совершенных монокристаллов.
- Представлены результаты патентных исследований по методам, способам, технологии выращивания монокристаллов германия для применения в инфракрасной технике, для изготовления оптических и акустооптических элементов, а также для подложек солнечных элементов.
– Выбрано и обосновано принятое направление исследований и способов решения поставленных в ПНИ задач.
- Представлено обоснование предлагаемых материаловедческих и технологических решений по теме ПНИ.
- Разработаны и обоснованы экспериментальные и методические подходы для определения ослабления, поглощения и рассеяния света в кристаллах, в частности: рассмотрены способы и аппаратура для измерения основных оптических характеристик монокристаллов в ИК области спектра; проведен сравнительный анализ методов расчета оптических характеристик кристаллов; выполнен обзор современных методов расчета параметров световых потоков, проходящих через кристаллы, и оптических характеристик кристаллов; представлен научный задел в области методов расчета оптических характеристик кристаллов и направления их развития в ходе проекта; предложены методические подходы к оптическим исследованиям рассеяния излучения в германии.
- Разработаны технологические инструкции для получения методами Чохральского и направленной кристаллизации исследовательских партий крупногабаритных монокристаллов германия для применения в оптике и акустооптике, а также технологическая инструкция для получения исследовательской партии крупногабаритных монокристаллов германия для применения в качестве подложек фотоэлектрических преобразователей.
- Подготовлена экспериментальная база выполнения ПНИ. Обоснованы потребности в оборудовании для получения кристаллов германия методами Чохральского и направленной кристаллизации, а также для исследования оптических, электрических и структурных характеристик получаемых кристаллов.
- Произведены работы по наладке технологического оборудования и обеспечению расходными материалами, необходимыми для выращивания монокристаллов германия методами направленной кристаллизации и Чохральского, а также для изготовления образцов для исследования.
- Приобретено оборудование для исследования оптических характеристик кристаллов.
- Получена способом Чохральского партия крупногабаритных монокристаллов германия, из которых изготовлены образцы для исследования оптических характеристик материала.