Кремний Si

МакроОптика занимается выращиванием, производством и реализацией Кремния оптического качества для систем, работающих в средней ИК-области спектра от 3 до 5 микрон и изготавливает заготовки, оптические окна, линзы, обтекатели, призмы, зеркала:

  • Кремний оптический, выращенный методом Чохральского (OCz-Si),
  • Кремний оптический, выращенный методом зонной плавки (FZ-Si),
  • Кремний высокоомный оптический, выращенный методом зонной плавки (HRFZ-Si).

Выбор оптического материала Кремний зависит от рабочего диапазона длин волн, толщины элемента и специфики применения. Мы используем кристаллы соответствующего типа (в зависимости от технологии изготовления, типа проводимости и сопротивления), чтобы достичь наилучшего пропускания в требуемой области спектра. Пропускание не зависит от ориентации кристалла, так как кремний, имея кубическую симметрию, является изотропным кристаллом.

В диапазоне от 3 до 5 микрон отсутствует разница в пропускании материалов всех используемых градаций и сопротивлений. Все типы материалов имеют фононные пики абсорбции, обусловленные решеточным поглощением в диапазоне от 6.5 до 25 микрон. Кремний, выращенный методом Чохральского, имеет пики на длинах волн 5.8, 9.1 и 19.4 микрон, индуцированные кислородным поглощением.

За счет гораздо меньшей концентрации кислорода (1016 см-3 вместо порядка 1018 см-3 в кремнии, выращенном методом Чохральского) кремний, выращенный методом зонной плавки, не имеет кислородных пиков и может использоваться для более критичных применений.

Решёточное поглощение также как и кислородное поглощение, зависит от оптического от толщины оптического элемента и не зависит от сопротивления. Таким образом, толщина элемента является достаточно критичным параметром в диапазоне 6-25 микрон.

В диапазоне от 3 до 6.5 мкм зависимость пропускания от толщины незначительна. Для больших длин волн поглощение становится существенным, и пропускание сильно зависит от толщины оптических деталей. Для образца кремния, выращенного методом Чохральского, толщиной 5 мм среднее пропускание в диапазоне 8-10 микрон меньше 32% (для кремния, выращенного методом зонной плавки, около 38%) и только 18% в диапазоне 10-14 микрон (одинаково для кремния, выращенного методом зонной плавки и методом Чохральского).

Кремниевые окна толщиной менее, либо около 1 мм могут быть успешно использованы во втором «атмосферном окне» от 7 до 14 микрон. В этом диапазоне среднее пропускание окна из кремния, выращенного методом Чохральского, с толщиной 0.5 мм превышает 51% и для кремния, выращенного методом зонной плавки, оно немного выше (около 51.9%) из-за отсутствия кислородной линии поглощения.

На рис. 2 приведены спектры пропускания образцов различной толщины. Видно, что в диапазоне от 3 до 5 микрон, обычно используемом в пирометрии и термографии, и даже до 6.5 микрон зависимость пропускания от толщины незначительна. Для больших длин волн поглощение становится существенным, и пропускание сильно зависит от толщины. Для образца кремния, выращенного методом Чохральского, толщиной 5 мм среднее пропускание в диапазоне 8-10 микрон меньше 32% (для кремния, выращенного методом зонной плавки, около 38%) и только 18% в диапазоне 10-14 микрон (одинаково для кремния, выращенного методом зонной плавки и методом Чохральского).

Однако, кремниевые окна толщиной менее, либо около 1 мм могут быть успешно использованы во втором «атмосферном окне» от 7 до 14 микрон. В этом диапазоне среднее пропускание окна из кремния, выращенного методом Чохральского, с толщиной 0.5 мм превышает 51% и для кремния, выращенного методом зонной плавки, оно немного выше (около 51.9%) из-за отсутствия кислородной линии поглощения.

Пропускание в дальнем ИК диапазоне, начиная с 21 микрона, отсутствует разница в пропускании между кремнием, выращенным методом Чохральского и методом зонной плавки с одинаковым сопротивлением и типом проводимости. Для таких применений (50 мкм и более) мы предлагаем высокоомный кремний, выращенный методом зонной плавки, сохраняющий пропускание 50-54% до 1000 микрон (и более по специальному запросу).

Максимальные размеры кристаллов Si, используемых для изготовления оптики:

  • Si, выращенный методом Чохральского - 300 мм;
  • Si, выращенный методом зонной плавки - 130 мм;
  • высокоомный Si, выращенный методом зонной плавки - 150 мм;

Физические свойства

Плотность, г/см3 2.329
Точка плавления, oC 1412
Молекулярный вес 28.09
Поверхностное натяжение (в жидком состоянии в точке плавления), мН/м 736
Коэффициент линейного термического расширения при 25ºC 2.55 x 10-6
Теплопроводность при 27ºC , Вт/(м x ºC) 159
Удельная теплоёмкость (тв.), Дж/(кг x ºC) 712
Тепловой коэффициент показателя преломления при 25ºC 1.50 x 10-4
Собственное сопротивление, кОм x см 240
1 Ом x см (n -тип) равен, 10 15 /см3 2,93
1 Ом x см (p -тип) равен, 10 15 /см3 7,33
Дрейфовая подвижность собственных электронов, см2 /(В x сек.) 1500
Количество собственных электронов , см-3 1.22 x 1010
Дрейфовая подвижность собственных дырок, см2 /(В x сек.) 600
Запрещённая зона, минимум, эВ 300 К 1,14
0 К 1,17
Модуль разрыва, МПа 125
Твёрдость по Моосу 7
Модуль Юнга (E), Па 1.89 x 1010
Модуль сдвига (G), Па 7.99 x 1010
Коэффициент поперечной деформации (Пуассона) 0,266
Растворимость в воде нерастворим

Показатель преломления

l, микроны n l, микроны n l, микроны n
1.40 3.4900 4.50 3.4270 7,00 3.422
1.50 3.4841 5,00 3.4256 7.14 3.4226
1,66 3.4700 5,28 3.4250 7,30 3.4225
1,82 3.4600 5,50 3.4246 7,50 3.4224
2,00 3.4561 5,70 3.4243 7,72 3.4222
2,50 3.4431 5,83 3.4241 8,00 3.4220
3,00 3.4360 5,92 3.4239 8,16 3.4220
3.30 3.4326 6,00 3.4238 8.50 3.4218
3,50 3.4317 6,50 3.4232 9,00 3.4216
4.00 3.4289 6,92 3.4228 9,09 3.4215