phymath999: "X射线晶体漫反射" 半导体材料的红外光学特性及应用

Monday, July 13, 2015

"X射线晶体漫反射" 半导体材料的红外光学特性及应用

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由苏小平著作 - ‎1994 - ‎被引用 13 次 - ‎相關文章

综述了半导体材料的红外光学性能及相关的力学、热学性能, 讨论了影响红外透过率的主要. 因素, 介绍了几种半导体材料在红外光学方面的应用。关键词: 半导体材料 ...

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半导体材料的红外光学特性及应用

Page 1

半导体材料的红外光学特性及应用

　　　　苏小平　余怀之　褚乃林　　　　　黄炫云

　　　　(北京有色金属研究总院 , 北京 100088) 　　　(中国兵器工业总公司)

综述了半导体材料的红外光学性能及相关的力学、热学性能 , 讨论了影响红外透过率的主要

因素 , 介绍了几种半导体材料在红外光学方面的应用。

　　关键词 : 　半导体材料　红外光学　特性　应用

1 　前　言

半导体材料是电子工业最重要的基础

材料之一。随着激光和红外技术的飞速发

展 , 半导体材料在红外光学方面所呈现出

的良好特性日渐引起人们的重视。作为红

外光学材料 , 要求其具有 : (1) 宽的红外

透过波段 ; (2) 对不同波长红外线有高的

透过率 ; (3) 对不同波长红外线有理想的

折射率和低色散 ; (4) 材料具有良好的力

学、热学性能及对环境的适应性能 ; (5)

易加工成各种形状和大的尺寸 ; (6) 制造

成本低。

目前 , 从元素半导体锗、硅到 Ⅲ2 Ⅴ族

化合物半导体 GaAs、GaP 和 Ⅱ2 Ⅳ族化合

物半导体 ZnS、ZnSe 等在红外光学领域的

应用越来越广泛。它们是前视红外系统

( FL IRs) 、激光窗口及导弹导流罩等方面

的重要红外光学材料。

本文从光学理论及有关的光学、力学

和热学性能比较分析了几种主要半导体材

料的红外光学特性及其不同的应用。

2 　红外透射理论

211 　红外透射

入射强度为 I0 的红外线照射到厚度

为 t 的材料表面 , 透射红外线的强度 It 有

如下关系式 :

It = I0 e

- αt

(1)

其中α为材料的吸收系数。垂直入射光在

入射表面上的反射率 R 可表示为 :

R = (1 -

1 + n

) 2

(2)

其中 n 为材料的折射率。当考虑出射面的

反射时 , 总的反射率γ可表示为 :

γ=

2 R

1 + R

(3)

透过率 T 为 :

T =

(4)

考虑到材料的吸收和反射时 , 透过率

T 为 :

T =

(1 - R)

- αt

1 - R

- 2αt

(5)

由(5) 式可以求得材料的吸收系数α为 :

α=

ln[

(1 - R)2

2 T

2 +

(1 - R)4

4 T

]

(6)

透过率 T 与波长的关系反映在折射率 n

和吸收系数α中。

212 　红外吸收

21211 　本征吸收

根据半导体理论 , 当波长为λc 的入射

光照射半导体表面时 , 光子激发产生电子

———空穴对 (即光子被吸收) 的条件是 :

第 21 卷　第 6 期　　　　　　　　　　　　稀　有　金　属　　　　　　　　　　　　1997 年 11 月

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Eg ≤

λc

(7)

其中 Eg 为半导体材料的禁带宽度 , h 为

普朗光常数 , Eg 决定了材料的短波吸收

限。

21212 　非本征吸收

当光子穿过半导体材料时 , 禁带中杂

质能级束缚的电子、空穴吸收光子跃迁到

高能态 , 这就是杂质吸收。这种吸收具有

选择性 , 不同杂质具有不同的红外吸收

峰。

21213 　自由载流子吸收

导带中的电子或价带中的空穴吸收光

子能量 , 产生能级跃迁。这种吸收对任何

波长的光子都有 , 因此它没有选择性 , 在

红外光谱上没有吸收峰。

根据半导体理论[1] , 自由载流子吸收

系数α与电子浓度 N 有如下关系 :

α=

λ2

4π2

nε0

・

mn 3

2μn

(8)

其中λ为入射波长 , n 为折射率 , mn 3 为

电子有效质量 , μn 为电子迁移率 , ε0 为

介电常数。可见自由载流子的吸收系数与

电子浓度成正比 , 而与材料的迁移率成反

比。对于空穴吸收有相同的表达式。但由

于 mp 3 和 μp 都比 mn 3 和 μn 3 小 , 因此 ,

空穴的吸收系数就比较大 , 这也说明了对

红外光学锗材料来说一定要用 n 型。

21214 　晶格振动吸收

光子直接作用于晶格原子产生振动吸

收 , 这决定了材料的红外透过波长限。

213 　散射

材料内部的空洞、夹杂、多晶晶界、

第二相等会引起折射率变化 , 因而光在通

过时会产生散射 , 造成透过率下降。

3 　几种半导体材料的红外物理

特性

表 1 列举了几种半导体材料的红外光

学、力学及热学性能[2～6 ] 。下文就有关特

性加以讨论。

表 1 　几种半导体材料的光学力学热学性能

材料

光学特性

力学特性

热学特性

波段

μm

n10. 6μm

d n/ d T

10 - 6 ℃- 1

α10μ

Knoop

kg/ mm2

断裂韧性

MPam1/ 2

断裂模量

MPa

杨氏模量

GPa

密度

g/ cm3

膨胀系数

10 - 6 K- 1

热导率

W/ m・K

熔点

℃

1. 8～25 4. 0

400

2. 0 ×10 - 2

850

0. 7

103

5. 32

6. 0

937

1. 1～5. 8 3. 4

150

3. 5 ×10 - 1

1150

0. 9

120

130

2. 33

2. 6

140

1417

GaAs 0. 9～18 3. 2

147

5 ×10 - 3

700

0. 4

85. 5

5. 32

5. 73

1238

GaP 0. 55～14 2. 9

100

1. 92 ×10 - 1

845

0. 8

100

103

4. 14

5. 3

1467

ZnS(m) 0. 4～12 2. 2

46. 3

2. 54 ×10 - 1

160

1. 0

87. 6

4. 09

6. 8

1830

ZnS(s) 0. 6～12 2. 2

2. 54 ×10 - 1

250

1. 0

100

74. 5

4. 08

6. 8

1830

ZnSe

0. 5～22 2. 4

5 ×10 - 4

105

0. 5

70. 9

5. 27

7. 0

1520

金刚石 0. 25～3 , 2. 38

9000

294. 0

1050

3. 52

1. 0

2000

3770

5～ > 100

311 　透射波段

在整个红外波段中 , 由于大气的吸收 ,

有三个大气“窗口”, 即 1～3μm, 3～5μm

和 8～12μm。这三个波段对红外线有极

高的透过率 (图 1 (a) ) [5] 。能透过这几个

波段红外线的材料才具有实际应用价值。

尤其在 8 ～ 1 2μm波段 , 人体及其他地

074

　　　　　　　　　　　　　　　稀　有　金　属　　　　　　　　　　　　　21 卷

Page 3

图 1 　大气红外吸收谱 (a) 和几种半导体材料的红外透射谱 (b)

面室温物体的红外辐射均在这一波段内

(10μm 左右) , 因此 8～12μm 波段的红

外材料具有更重要价值。

(7) 式给出了 Eg 与λc 的关系。现将

几种半导体材料的短波吸收限列于表 2

中。

长波透射限取决于材料的晶格振动

吸收 , 与材料的平均原子量　、化学键

及晶格常数等特性有关。在晶格相同的

情况下 , 平均原子量愈大 , 长波限愈长。

图 1 (b) 是几种半导体材料的红外透射

谱[2] 。

312 　吸收系数

红外透过率与反射、吸收和散射有直

接关系。根据前文讨论 ,半导体材料对某

表 2 　某些半导体材料的短波吸收限

参数

材　　料

GaAs

GaP

ZnS

ZnSe

CdTe

CdS

金刚石

Eg/ eV[7]

0. 67

1. 11

1. 43

2. 26

3. 6

2. 7

1. 44

2. 4

λc/μm

1. 85

1. 12

0. 87

0. 55

0. 34

0. 46

0. 86

0. 52

0. 25

174

6 期　　　　　　　　　　　　苏小平等　半导体材料的红外光学特性及应用　　　　　　　　　　　　　　　

Page 4

一波长红外线的透过率由式 (5) 决定。吸

收系数越小 , 透过率越高。对半导体材料

来说 , 电阻率、温度等都是影响吸收系数

的重要因素。以锗为例 , 图 2 给出了电阻

率和温度与锗吸收系数的关系[8] 。

图 2 　电阻率与型号对吸收系数的影响曲线 (a)

和温度对 n 型锗在 1016μm 波长吸收系数

的影响 (b)

313 　折射率及其不均匀性

折射率所决定的反射特性决定了材料

的基本透过率。不考虑吸收和色散 , 则有

T =1- R

(9)

表 3 给出玻璃、锗和 ZnS 的基本透过

率。可以看出 , n 越大 , T 越小。

材料对不同波长的红外线有不同的折

射率(通常称之为色散) 。一般要求在某一

波段内材料折射率随波长的变化越小越

好。图 3 是几种半导体材料的折射率与波

长的关系图。

表 3 　几种材料的折射率与透过率关系

材料

折射率 n

反射率 R (双反射) 透过率 T

玻璃

1. 5

0. 077

0. 923

ZnS

2. 2

0. 247

0. 753

4. 0

0. 529

0. 471

图 3 　折射率随波长的变化

　　折射率随温度的变化 (即折射率温度

系数 d n/ d T) 也是红外光学材料的一个

重要参数。由表 1 列出的几种半导体材料

的折射率温度系数可以看出 , ZnSe 的 d n/

d T 最小 , 说明其折射率随温度变化小 ,

因此 , 其透过率也就随温度变化小。

314 　温度对材料红外透过率的影响

由于材料的吸收系数和折射率都随温

度的变化而不同 , 因此其红外透过率必然

受温度的影响。图 4 是锗和 ZnS 在不同温

度下的透过率图。由图可以看出 , 温度升

高 , 材料的红外透射性能下降[10 ,11 ] 。

315 　力学、热学及其他性能

对红外光学材料而言 , 除了要具有优

良的光学性能外 , 还应具备良好的力学、

热学性能。

274

　　　　　　　　　　　　　　　稀　有　金　属　　　　　　　　　　　　　21 卷

Page 5

图 4 　锗的透过率随温度变化 (a)

和 ZnS 透过率随温度的变化 (b)

硬度、断裂模量等都是描述材料力学

性能的参数。在半导体材料中 , 硅和 GaP

力学性能较好 , GaAs、锗次之 , ZnS 和

ZnSe 等 Ⅱ2 Ⅵ族半导体材料较差。

热膨胀系数、热导率等是描述材料热

学性能的重要参数。热导率越高 , 热膨胀

系数越低 , 材料在高温下的热传导快 , 变

形小 , 说明材料的性能好。

在半导体材料中 , 硅的热学性能好 ,

GaP、Ge、GaAs 居中 , ZnS 较差。

316 　关于金刚石

金刚石也是一种半导体。就红外光学

应用来看 , 金刚石是目前已知的红外光学

窗口和头罩材料中综合性能最为优越的半

导体材料。它除了在 3～5μm 有较大吸收

外 , 它透过整个可见光和红外波段 , 而且

力学、热学性能最好。但目前人们还没有

制造出可实际应用的人造金刚石晶体 , 仅

限于在其他红外光学材料上镀类金刚石膜

(DLC) 。

4 　半导体材料的红外光学应用

411 　在红外热像仪中的应用

在红外热像仪等 FL IR 系统中 , 作为

窗口和透镜、棱镜及滤光片 , 锗的应用最

广泛。在前述几种半导体材料中 , 锗是不

可取代的材料。它的折射率最高而易加工

成透镜 , 在 8～14μm 波段具有良好的透

过率 (镀膜后可达 95 %以上) , 耐腐蚀 ,

不易潮解 , 机械性能好。目前 , 锗的单晶

或多晶的制造和加工工艺相当成熟。但锗

在温度升高时 , 其红外透过率大幅下降 ,

最高使用温度为 100 ℃, 这对它的应用来

说是不利的。

硅因其在 8～12μm 波段有较高的红

外吸收 , 仅适用于 3～5μm 波段 , 但其他

红外材料又优于它而使其在红外光学上的

应用很有限。

GaAs 虽然在光学和力学热学性能上

优于锗 , 但其制造工艺复杂 , 不易制成大

尺寸及环境污染、价格高等因素使其应用

受到限制 , 远不如锗那样广泛。

412 　在激光窗口中的应用

作为 CO2 激光窗口材料 , 几种半导体

材料各有所长。低功率激光窗口锗仍居优

势地位。由于功率小 , 对热学性能要求不

高 , 锗仍可胜任。对于大功率 (千瓦级以

上) 激光器窗口 , GaAs 和 ZnSe 最合适。

它们的吸收系数小 , 在红外波段透过率随

温度变化很小 , 可以承受激光作用于窗口

而产生的热效应。但 ZnSe 比 GaAs 更有优

势 , 因为它的吸收系数几乎比 GaAs 低一

个数量级。ZnS 因其吸收系数远比 ZnSe

大而不能用于大功率激光窗口。

413 　在高速飞行器中的应用

用于高速飞行器的窗口和导流罩 ,

CVD、ZnS 和 CVD ZnSe 是理想的红外光

学材料。这种窗口和头罩要求材料具有宽

的透射波段、低吸收和高速飞行时能抵抗

温度急速升高的热冲击。图 5 是飞行速度

马赫数与温度及系统灵敏度的关系图[ 12 ] 。

可以看出 , 在高速飞行时 , 温度升高 ,

374

6 期　　　　　　　　　　　　苏小平等　半导体材料的红外光学特性及应用　　　　　　　　　　　　　　　

Page 6

CVD ZnSe 和 GaAs (高阻) 材料系统灵敏

性比 ZnS、Ge 都好 , CVD ZnSe 几乎不随

温度变化而变化。但 CVD ZnSe、CVD

ZnS 都有更宽的透射波段 , 都可以透过可

见光和红外线 , 而 GaAs 和锗都不透可见

光 , 因而 CVD ZnSe、CVD ZnS 成为理想

的窗口和头罩材料。尽管 CVD ZnS 受温

度影响比 CVD ZnSe 大 , 但它的硬度和抗

雨水侵蚀的能力均比 ZnSe 要好 , 而且在

115 马赫的速度下仍可使用。

图 5 　马赫2温度2系统灵敏性关系

对这方面的红外窗口和头罩材料 , 因

其直接暴露于大气 , 因此对材料的抗雨

水、冰雹及灰尘的侵蚀性能有更高的要

求。一般要采取镀膜等措施加以保护。

5 　结　论

11 半导体材料在红外光学领域的应

用非常广泛 , 已经成为 3～5μm 和 8～12

μm 波段红外透镜、棱镜、窗口及头罩用

的重要光学材料。

21 半导体材料具有良好的红外光学特性 ,

但就其实际应用来说 , 良好的力学、热学

性能及抗雨水、冰雹及灰尘侵蚀性能也是

同样重要的参数。

31 不同半导体材料 , 有各自不同的

红外物理特性 , 由此也决定了各自不同的

应用范围。锗和硅作为红外光学透镜是合

适的材料 ; ZnSe 和 GaAs 是大功率激光窗

口的理想材料 ; ZnS 和 ZnSe 都是宽波段

多光谱材料 , ZnS 更适合于作窗口和头

罩 ; GaP 目前是一种发展中的红外光学材

料 , 已用于镀膜 ; 金刚石是最理想的窗口

和头罩材料 , 目前还未实际应用。

6 　参考文献

1 　[日]白藤纯嗣著 , 黄振岗等译 1 半导体

物理 1 高等教育出版社 , 1982 , 12 : 2641

2 　Paul Klocek et al. SPIE , 1994 , 2286 : 70.

3 　Paul Klocek et al. SPIE, 1988 , 929: 65.

4 　Donald I W. J. Materials Science , 1978 ,

13 : 1151.

5 　Daniel C H. Infrared Window and Dome

Materials , Washington , 1992.

6 　黄德群等 1 新型光学材料 1 科学出版

社 , 19911 951

7 　王季陶 , 刘明登 1 半导体材料. 高等教

育出版社 , 19901 51

8 　James R1 SPIE , 1979 , 181 : 136.

9 　William L W. The Infrared Handbook1

Chapter 7 , New York , 1978.

10 　Phillippi C M and Beardsley N F. In2

frared Window Studies, Part Ⅰ, Technical Note,

1955 : 55.

11 　Colin M F. SPIE, 1988 , 929: 79.

12 　Claude A. SPIE , 1979 , 204 : 85.

(1997 年 1 月 27 日收稿)

474

　　　　　　　　　　　　　　　稀　有　金　属　　　　　　　　　　　　　21 卷

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