Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут Фізики Напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

УДК 535.51

Плеохроїзм оптичних та фотоелектричних явищ

у кубічних кристалах з індукованою анізотропією

01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата фізико-математичних наук

Матяш Ігор Євгенович

Київ - 2005



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук Сердега Борис Кирилович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Данильченко Борис Олександрович, Інститут фізики НАН України, завідувач відділу фізики радіаційних процесів;

доктор фізико-математичних наук, доцент Скришевський Валерій Антонович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри напівпровідникової електроніки.

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться ”16” вересня 2005 р. о 16¹⁵ на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.199.01 при Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: 03028, Київ-28, проспект Науки, 45.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України: (03028, Київ, проспект Науки, 45)

Автореферат розісланий ” 5 ” серпня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Б. Охріменко



АНОТАЦІЯ

Матяш І.Є. Плеохроїзм оптичних та фотоелектричних явищ у кубічних кристалах з індукованою анізотропією. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2005. анізотропія плеохроїзм напівпровідниковий сингонія

Дисертацію присвячено дослідженню ефекту лінійного плеохроїзму у напівпровідникових кристалах кубічної сингонії з індукованою анізотропією діелектричних властивостей. Дослідження проведено за допомогою методу, заснованому на модуляції поляризації, який характеризується високою чутливістю до величини анізотропії. Показано, що отримані сигнали поляризаційної різниці містять похідну функції по коефіцієнту поглинання та поляризаційну різницю коефіцієнта поглинання.

У зразках одновісно деформованого нелегованого кремнію в межах пружної деформації, досліджено ефект лінійного дихроїзму у пропусканні. В спектральних залежностях дихроїзму виявлено особливості, що дають інформацію про зонний енергетичний спектр кристалів та вперше виявлено фононну компоненту дихроїзму.

Досліджено лінійний плеохроїзм у деяких фотоелектричних явищах (фотопровідності в одновісно деформованих монокристалах германію та вентильної фотоерс у одновісно деформованих кремнієвих p-n переходах). Виявлено явище дихроїзму на дифузній довжині нерівноважних носіїв заряду в спектрах плеохроїзму в фотопровідності та додатково в спектрах плеохроїзму вентильної фотоерс на товщині просторового заряду. Показано, що аналіз спектральних характеристик плеохроїзму дає можливість отримати інформацію про фізико-технологічні особливості напівпровідникових структур.

Ключові слова: поляризація, модуляція поляризації, лінійний дихроїзм, анізотропія діелектричних властивостей.



АННОТАЦИЯ

Матяш И.Е. Плеохроизм оптических и фотоэлектрических явлений в кубических кристаллах с индуцированной анизотропией. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела, Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена исследованию эффекта линейного плеохроизма в полупроводниковых кристаллах кубической сингонии с индуцированной анизотропией диэлектрических свойств. Разработана установка для измерений величины плеохроизма, отличительной чертой которой является использование фотоупругого модулятора поляризации. Применение метода поляризационной модуляции позволило достоверно регистрировать анизотропию диэлектрических свойств от механической деформации величиной не менее 1 кг/см². Сущность метода заключается в практически мгновенной регистрации результатов различного поглощения линейно поляризованных волн, плоскости поляризации которых параллельны и перпендикулярны оптической оси образца. С помощью феноменологического анализа показано и экспериментально подтверждено, что полученные с помощью этой методики сигналы поляризационной разности содержат производную функции по коэффициенту поглощения и поляризационную разность коэффициента поглощения.

В образцах одноосно деформированного нелегированного кремния, в диапазоне упругих деформаций, исследован эффект линейного дихроизма в пропускании. В спектральных зависимостях дихроизма обнаружены особенности, которые дают информацию о зонном энергетическом спектре кристаллов и впервые обнаружена фононная компонента дихроизма. Из спектральных характеристик эффекта дихроизма математически определена поляризационная разность коэффициентов поглощения, зависимость ее величины от энергии квантов и ориентационная зависимость по отношению к кристаллографическим осям. Обнаружено, что спектральные зависимости поляризационной разности коэффициента поглощения имеют те же особенности, что и спектры дихроизма в пропускании.

Исследован линейный плеохроизм в фотопроводимости в одноосно деформированных монокристаллах германия. Обнаружено, что полученные спектральные характеристики отражают особенности энергетического спектра зон и имеют две составляющие, которые определяются толщиной образца и диффузионной длиной неравновесных носителей заряда. Обнаружено, что энергия, при которой происходит смена знака плеохроизма, является характерной и выраженная коэффициентом поглощения коррелирует с диффузионной длиной 1/(h) = L.

При исследовании плеохроизма в вентильной фотоэдс в одноосно деформированных кремниевых p-n переходах обнаружено, что форма спектральных характеристик определяется конструктивными особенностями переходов. Также обнаружено, что в данном случае спектральные зависимости плеохроизма включают в себя максимум три составляющие, которые определяются толщиной образца, диффузионной длиной неравновесных носителей и толщиной пространственного заряда. Сделан вывод о том, что анализ спектральных характеристик плеохроизма может стать основой диагностики материалов и приборов, так как дает возможность получить информацию про физико-технологические особенности полупроводниковых структур.

Ключевые слова: поляризация, модуляция поляризации, линейный плеохроизм, анизотропия диэлектрических свойств.



ABSTRACT

Matyash I.E. Pleochroism of optical and photoelectrical phenomena in cubic crystals with stimulated anisotropy. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 01.04.07 - physics of solid state.- V.Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2005.

The dissertation is devoted to research of linear pleochroism effect in semiconductor crystals of cubic syngony with stimulated anisotropy of dielectric properties. The research is carried out with the help of a method based on modulation of polarization, which is characterized by the very large sensitivity to anisotropy value. Is shown, that the obtained polarization difference signal is defined as multiplication of a derivative of function on absorption coefficient and polarization difference of absorption coefficient.

The effect of linear dichroism in the transmittance of uniaxiel deformed undoped silicon is investigated in a range of elastic deformations. The features of a spectral dichroism dependences were found out which give the information about a energy zone spectrum of crystals. Simultaneously the first time the phonon component of dichroism is revealed.

The linear pleochroism of some photo-electric phenomena (photoconductivity in uniaxial deformed Germany monocrystals and gate photoelectromotive force in uniaxial deformed silicon p-n transitions) was investigated. It was found the phenomenon of dichroism on a diffusion length of nonequilibrium charge carriers in pleochroism spectra of photoconductivity and gate photoelectromotive force. It is necessary to notice that the phenomenon of dichroism also was revealed on the thickness of a spatial charge in the pleochroism spectra of gate photoelectromotive force. Is shown, that the analysis of the spectral pleochroism characteristics allows to receive the information about physical-technological features of semiconductor structures.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Актуальність цієї роботи базується на концепції, згідно якої:

- кристали кубічної сингонії були і залишаються основними матеріалами сучасної електроніки;

- в реальних умовах дія різноманітних фізичних чинників на кристали призводить до виникнення в них анізотропії діелектричних властивостей тієї чи іншої величини. Одновісна деформація від зовнішнього тиску чи внутрішніх неоднорідностей в кристалах або виготовлених із них різноманітних структур серед всіх відомих фізичних дій відзначається своєю поширеністю та впливовістю. Вагомою причиною виникнення внутрішньої напруги у напівпровідникових кристалах є дефекти кристалічної гратки (легуючі домішки, неконтрольовані включення тощо). Їх походження пов'язано як з умовами вирощування кристалів, так і з особливостями технологічних операцій, що використовуються у виробництві напівпровідникових приладів. До того ж розвиток електроніки в напрямку зменшення розмірів функціональних елементів схем та збільшення інтеграції наштовхується на зростання градієнтів дефектів та зумовлених ними внутрішніх напружень. Тому виникає необхідність у все більш досконалих методах діагностики матеріалів і структур. Саме поляризаційно-модуляційна спектроскопія створює засади для розробки таких методів. При цьому мається на увазі, що в даному випадку термін спектроскопія набуває більш широкого змісту. Тобто, з точки зору на виникнення поляризаційних ефектів в кристалах їх діелектрична функція стає залежною не тільки від параметрів випромінювання, що призводять до частотної та просторової дисперсії, а й від дії різноманітних фізичних чинників, особливо коли вони мають спрямований характер. Одним із згаданих поляризаційних ефектів, дослідження якого дає інформацію про деякі параметри напівпровідникових матеріалі та структур на їх основі, є лінійний дихроїзм (у загальному випадку плеохроїзм), який визначається відношенням поляризаційної різниці будь якого ефекту до поляризаційної суми

Р = (І - І) / (І + І).

Тому будемо вважати конкретною метою роботи перш за все використання спроможностей поляризаційної модуляції для реєстрації лінійного дихроїзму на прикладі однорідних кубічних кристалів кремнію, в яких анізотропія діелектричних властивостей зумовлена одновісним тиском. Потім вироблену в таких умовах, які можна вважати модельними, інтерпретацію отриманих результатів розповсюдити на більш складні випадки. Одним із них є явище плеохроїзму у фотопровідності, складність якого полягає у тому, що роль поглинутого світла на товщині зразка, чи на його частині, співвимірною з дифузійною довжиною основних носіїв заряду може суттєво відрізнятися. Ще більш складним явищем можна вважати плеохроїзм у фотовольтаїчних ефектах. Із ряду ефектів цього типу визначальним для випробовування поляризаційно-модуляційного методу з деяких причин використано вентильну фотоерс, що виникає в p-n-переходах під дією світла. Наявність шару кристалу із вбудованим в ньому внутрішнім електричним полем від просторового заряду p-n-переходу додає до відзначених ускладнюючих обставин такі, що пов'язані з проявленням дихроїзму на товщині просторового заряду. Вплив цих обставин на форму спектральних, деформаційних та польових характеристик лінійного дихроїзму не має теоретичного обґрунтування, тому тільки їх експериментальне дослідження може дати відповідь на питання про їх практичну значимість.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає основним науковим напрямкам діяльності Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, що закріплені його статутом, і виконувалась в рамках планової комплексної теми „Механізми впливу технології отримання і зовнішніх факторів на властивості напівпровідникових структур і функціональних елементів сенсорних систем на їх основі” - постанова Бюро відділення фізики і астрономії Національної Академії Наук України протокол №11 від 27.11.2002 р., а також окремої теми “Розробка універсального приладу для вимірювання анізотропії діелектричних властивостей матеріалів” за розпорядженням Президії Національної Академії Наук України від 18.02.2002 р. №97.

Мета дисертаційної роботи - визначення особливостей ефекту лінійного плеохроїзму в деформованих кубічних напівпровідникових кристалах завдяки використанню методу поляризаційно-модуляційної спектроскопії.

У відповідності до поставленої мети в роботі розв'язувались такі завдання:

1. Розробка та випробування методу реєстрації індукованого плеохроїзму в кубічних кристалах за допомогою оптичної схеми, призначеної для реєстрації різниці того чи іншого ефекту, що зумовлена опроміненням зразка двома ортогональними лінійно поляризованими хвилями поперемінно.

2. Дослідження особливостей ефекту лінійного дихроїзму коефіцієнту пропускання в однорідних зразках одновісно деформованого монокристалічного кремнію.

3. Визначення зв'язку між деякими параметрами матеріалу та формою спектральних залежностей лінійного плеохроїзму в фотопровідності анізотропних кристалів германію.

4. Дослідження залежності особливостей спектрів лінійного плеохроїзму вентильної фотоерс від фізичних характеристик та структурних властивостей кремнієвих p-n переходів.

Об'єктом досліджень є поляризаційний ефект лінійного плеохроїзму, що виникає в кубічних кристалах та структурах в результаті наведеної анізотропії.

Предмет досліджень - експериментальне встановлення зв'язку між формою характеристик плеохроїзму оптичних та фотоелектричних явищ в кубічних напівпровідникових кристалах з індукованою анізотропією та фізичними властивостями кристалів та технологічними параметрами виготовлених зразків.

Методи дослідження. Для експериментальних досліджень використовувались відповідні електрофізичні методи, зокрема метод поляризаційно-модуляційної спектроскопії, яких ґрунтується на аналізі стану поляризації за допомогою використання фотопружного модулятора поляризації. Також при вирішенні поставлених у дисертації задач застосовувались методи моделювання з використанням математичних пакетів “Origin 6.1” та “Maple 5”.

Наукова новизна.

1. Вперше виявлено фонону компоненту дихроїзму в нелегованих кристалах кремнію та встановлено її орієнтаційну залежність по відношенню до кристалографічних осей.

2. Вперше з спектральних характеристик ефекту дихроїзму в нелегованих кристалах кремнію визначена поляризаційна різниця коефіцієнтів поглинання та її залежність від енергії квантів.

3. Встановлено, що спектральна характеристика поляризаційної різниці коефіцієнта пропускання може бути розкладена на три спектральні залежності - похідну пропускання по енергії квантів, обернену похідну коефіцієнта поглинання по енергії квантів та поляризаційну різницю коефіцієнта поглинання.

4. Встановлено проявлення ефекту дихроїзму на дифузійній довжині нерівноважних носіїв заряду в спектрах плеохроїзму в фотопровідності та додатково до цього ефекту дихроїзму на товщині просторового заряду в спектрах плеохроїзму вентильної фотоерс.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

1. Випробувано вимірювальну систему з модуляцією поляризації при реєстрації ефекту дихроїзму в напівпровідникових кристалах та встановлено її рекордну чутливість до величини анізотропії коефіцієнта поглинання, яка може бути використана у розробці та створенні діагностичних засобів для контролю якості напівпровідникових кристалів.

2. Встановлено, що процес поляризаційної модуляції електромагнітного випромінювання в дослідженні спектрів оптичних та фотоелектричних явищах полягає у фізичному диференціюванні функції ефекту по коефіцієнту поглинання світла.

3. За допомогою розрахунку на основі матричної оптики показано, що при використанні оптичної схеми з модулятором поляризації у якості динамічного аналізатора поляризації стає можливим визначення всіх чотирьох компонент вектора Стокса.

Особистий внесок здобувача. Постановку завдань та обговорення результатів роботи було зроблено разом з науковим керівником. Основні експериментальні результати було отримано здобувачем [роботи 1-12]. Співавтори публікацій брали участь у проведенні розрахунків та обговоренні експериментальних робіт. Показана можливість використання модуляції поляризації для діагностики матеріалів з наведеною анізотропією [4,10,11]. Участь автора в досліджені ефекту лінійного дихроїзму індукованого одноосним напруженням у кристалах кремнію полягала в експериментальних вимірах спектрів дихроїзму, побудуванні фізичної моделі досліджуваного ефекту та обговоренні отриманих результатів [1-3,5-7]. Також дисертант приймав безпосередню участь у проведенні феноменологічного аналізу спектрів наведеного дихроїзму [8]. Виявлення зміни знака в спектрах фотоплеохроїзму в фотопровідності деформованих кристалів германію та встановлення зв'язку між цією особливістю та дифузійною довжиною нерівноважних носіїв заряду належить автору [6,9]. Експериментальні дослідження впливу конструкційних особливостей кремнієвих p-n переходів і пов'язаних з цим розподілів заряду на спектри фотоплеохроїзму в вентильній фотоерс також належить дисертанту [12].

Апробація роботи. Результати роботи доповідались на таких конференціях: 1-а Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, УНКФН-1 (Одеса, 2002р.); Third international young scientists conference “Problems of optics and high technology material science” - SPO 2002 (Київ, 2002р.); International scientific and practical conference “Spectroscopy in special applications” - SSA2003 (Київ, 2003р.); 4-а міжнародна школа-конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників” (Дрогобич, 2003р.); 5-а міжнародна науково-практична конференція “Сучасні інформаційні та електроні технології” (Одеса, 2004р.); Міжнародна науково-технічна конференція “Сенсорна електроніка і мікросистемні технології” - СЕМСТ-1 (Одеса, 2004р.). Крім того отримані в дисертації результати частинами доповідалась безпосередньо автором на наукових семінарах відділення “Технології і матеріали сенсорної техніки” Інституту фізики напівпровідників ім. В.Лашкарьова НАН України.

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано 12 наукових робіт, з них 6 статей у наукових журналах та 6 публікацій в матеріалах українських і міжнародних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із змісту, вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаної літератури. Робота викладена на 127 сторінках, включаючи 27 малюнка, 1 таблицю. Список цитованої літератури містить 104 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності роботи та аналіз стану проблеми. У цьому розділі сформульовано основну мету та задачі роботи, що вирішувались для її досягнення, аналізується і обґрунтовується вибір об'єктів та засобів досліджень, викладено наукову новизну і практичну значимість роботи, надається інформація про публікації, в яких брав участь автор, і апробацію результатів досліджень, а також подано структуру та короткий зміст дисертаційної роботи за розділами.

У першому розділі дана загальна класифікація оптичних поляризаційних ефектів, яка ґрунтується на складових анізотропії комплексного коефіцієнту заломлення. Також розділ містить літературний огляд експериментальних та теоретичних робіт, присвячених дослідженню фізичних властивостей різноманітних анізотропних речовин за допомогою вимірювання лінійного дихроїзму. Основну увагу приділено публікаціям, пов'язаним з реєстрацією нерівномірного розподілу домішок в матеріалах, а також з вивченням зонного енергетичного спектра кристалів. Зроблено висновки про підвищену інформаційну спроможність цих досліджень, а також про перспективність створення на основі вимірювань лінійного дихроїзму неруйнівного високочутливого методу виявлення дефектів кристалічної гратки та викликаних ними напружень у кристалі.

Викладено відомі принципи модуляції електромагнітного випромінювання з використанням різних фізичних ефектів (ефектів Фарадея, Покельса, фотопружності, механічного обертання та інших), та співставлено їх основні характеристики. Виходячи з умов завдання, яке полягає у дослідженні лінійного плеохроїзму в одновісно деформованих кубічних кристалах, обґрунтовано висновок, що найбільш придатним для створення експериментальної методики може бути модулятор поляризації на основі фотопружного ефекту.

Другий розділ дисертації є методичним.

Перш за все у ньому зібрані та узагальнені свідчення, що стосуються особливостей фотопружного модулятора поляризації світла. Приведено найефективнішу конструкцію модулятора з такими характеристиками:

- спектральний діапазон випромінювання 0.22.0 мкм;

- частота модуляції - 60 кГц; 120 кГц;

- величина зміни інтенсивності модулюючого випромінювання 10^-4;

- напруга живлення резонатора у діапазоні випромінювання при роботі в режимі півхвильової фазової пластинки 4050 В;

- розміри

а) резонатора з кристалічного кварцу, мм: 101545;

б) активного елемента з плавленого кварцу, мм: 101550.

Також розглянуто фізичні принципи функціонування поляризаційного модулятора. Відзначено, що використанням модулятора на основі фотопружного ефекту реалізується один із двох принципів модуляції поляризації, а саме модуляція за рахунок зрушення фаз між ортогональними компонентами лінійно-поляризованого випромінювання. А величина фазового зрушення між компонентами випромінювання, що пройшло крізь модулятор, виражається залежністю

= ₀ sin(t), (1)

де - власна частота резонатора, ₀ - зрушення фаз, встановлене напругою живлення кварцового резонатору (відповідає чверті або половині довжини хвилі).

Крім того у розділі викладено оригінальні результати. На основі розрахунку з використанням методу матричної оптики було встановлено властивість фотопружного модулятора, яка полягає у здатності повного аналізу вектора Стокса електромагнітної хвилі довільного стану поляризації. Показано, що в загальному випадку еліптично поляризованого світла стає можливим за допомогою поляризаційної модуляції розділити сигнали, які визначаються величинами кожної з компонент вектора Стокса. Так сигнал, зумовлений циркулярною компонентою V, реєструється на частоті резонатора, а залежний від лінійної - на подвійній. Сигнали ж лінійних компонент Q та U розрізняються азимутальним положенням модулятора.

Крім того показано, що при реєстрації циркулярно поляризованого світла робота модулятора у півхвильовому режимі недоцільна. У цьому випадку в результаті перевищення глибини модуляції з'являється сигнал, що містить вищі гармоніки та спотворює гармонічну з частотою залежність. А при реєстрації лінійно поляризованого випромінювання саме півхвильовий режим модулятора являється ефективним, бо в цьому випадку корисний сигнал збільшується.

Також дано модельне представлення ефектів плеохроїзму в пропусканні та фотопровідності кубічних кристалів з індукованою анізотропією. Загально відомо, що одноосна деформація призводить хоча б до зняття виродження валентної зони у центрі зони Бріллюєна. Це призводить до того, що єдиним чином можливий перехід у ізотропному випадку розпадається на два, які різняться як значеннями енергій, так й правилами відбору по відношенню до станів поляризації. Екстремум валентної зони, що утворився в результаті деформації складається із змішаних станів V_± важких та легких дірок, умови переходів із яких залежать від стану поляризації. Так, перехід із V₊ - стану є дозволеним для двох лінійних поляризацій, в той час як перехід із V_- - стану виявляється забороненим для поляризації, паралельній осі деформації. В результаті деформації край спектральної залежності коефіцієнта поглинання від енергії квантів зміщується та роздвоюється.

Таким чином, в зразку певної товщини d ортогональні лінійно поляризовані хвилі з азимутами поляризації паралельною та перпендикулярною вісі деформації будуть поглинатися згідно закону Бугера-Ламберта

I=I₀exp(d*)

з різними показниками степені d*(h) и d*(h). Якщо освітлювати зразок цими лінійними поляризаціями поперемінно з певною частотою, то зареєстрований на частоті модуляції сигнал буде пропорційним величині ефекту лінійного плеохроїзму та дорівнювати різниці компонент, що пройшли зразок

Т = Т - Т (у випадку пропускання), або різниці компонент, що поглинулися

І = І - І (у випадку фотопровідності).

У третьому розділі дисертації наведено результати досліджень лінійного дихроїзму в пропусканні зразків монокристалічного кремнію в діапазоні довжин хвиль з області напівпрозорості d 1. Анізотропія діелектричних властивостей зразків була індукована одновісною пружною деформацією, яка утворена та керована зовнішнім зусиллям.

Представлені спектральні характеристики дихроїзму зразків однакової товщини, деформованих вздовж трьох основних кристалографічних напрямків однаковим одновісним зусиллям. На спектральних характеристиках дихроїзму для всіх зразків чітко проявляються протяжні лінійні ділянки, з'єднані перегинами. Апроксимація цих лінійних ділянок до перетину між собою дозволила виявити закономірності у їх довжині по шкалі енергії квантів. Усі вони відповідають енергії певних фононів, характерних для кристалів кремнію.

Експериментально встановлено, що положення цих особливостей по шкалі енергії не пов'язано з величиною прикладеного механічного напруження та товщиною зразка, а зумовлено тими особливостями енергетичного спектра, які притаманні кристалам кремнію.

В результаті проведеного феноменологічного аналізу процесу поляризаційної модуляції показано, що вимірюваний сигнал є пропорційним похідній функції пропускання по коефіцієнту поглинання:

Т = (dT/d) , (2)



де - поляризаційна різниця коефіцієнту поглинання.

Звичайним методом модуляції інтенсивності було отримано спектральні залежності коефіцієнту пропускання. Із сукупності спектральних характеристик пропускання та дихроїзму розрахунком з використанням співвідношення

= B*ln(1+Т/T)

(В - коефіцієнт, що враховує товщину зразака та відбивання) отримано поляризаційну різницю коефіцієнтів поглинання.

Сімейство таких характеристик, що відповідають зразкам, деформованих вздовж трьох головних кристалографічних напрямків, представлено на рис. 2 в залежності від енергії квантів. Рисунок доводить, що ефект наведеного дихроїзму в кристалах кремнію є орієнтаційно залежним, до того ж для всіх трьох орієнтацій має немонотонну залежність від енергії. Її інтерпретація не викликає труднощів, якщо врахувати відомі факти для кристала кремнію. Так, сильний перелом характеристик при h1.14 еВ пояснюється зростанням імовірності переходів при досягненні енергією квантів світла значень більших за ширину забороненої зони.

Що ж стосується спаду величини дихроїзму при енергії більше 1.26 еВ, то його можна зрозуміти, якщо врахувати, що вище цих значень енергії відома функція коефіцієнта поглинання у кремнії починає відхилятися від квадратичної у бік меншого нахилу. В цьому випадку різниця в значеннях ординат між двома залежностями, що відносяться до ортогональних поляризацій, повинна зменшуватися, що й спостерігається під час експерименту. Тобто, в ефекті лінійного дихроїзму більш яскраво виявляються особливості спектральної залежності коефіцієнта поглинання, пов'язані зі зміною механізму міжзоних переходів.

У четвертому розділі викладено результати дослідження лінійного плеохроїзм у фотопровідності, що спостерігалася на зразках з монокристалічного германію. Вони мали різну швидкість поверхневої рекомбінації та були піддані одновісній деформації за допомогою пристрою, який забезпечував однорідність механічної напруги по перетину зразка.

Показані спектральні характеристики плеохроїзму в фотопровідності від енергії квантів при різних швидкостях поверхневої рекомбінації, що отримані за допомогою модуляції поляризації. Як і передбачалось, ці характеристики, відображають особливості енергетичного спектра зон. Це виходить з того факту, що положення по шкалі енергії від'ємних екстремумів кривих фотоплеохроїзму не пов'язані з величинами швидкості поверхневої рекомбінації або деформуючого зусилля. Дійсно, у кристалі германію при енергії h=0.798 еВ, має місце сінгулярність у вигляді точки М₀, тобто у місці прямих переходів, що відбуваються у точці Г зони Бриллюєна .

Наявність двох максимумів різного знаку було пояснено з фізичної точки зору. У діапазоні малих коефіцієнтів поглинання більш впливовим є дихроїзм на товщині зразка. Поляризація, що поглинається з більшим коефіцієнтом поглинання, генерує більшу кількість носіїв та її вклад у фототік більше. У діапазоні великих коефіцієнтів поглинання обидві поляризації поглинаються в межах зразка й кількість генерованих носіїв однаково. Але поляризація, що поглинається з більшим коефіцієнтом поглинання, генерує носії ближче до поверхні, та більша їх кількість встигає досягти поверхні й рекомбінувати. Поляризаційна різниця змінює знак.

Таким чином, можна зробити висновок, що отримані спектральні характеристики мають дві складові. Від'ємний максимум обумовлюється ефектом дихроїзму на дифузійній довжині, а позитивний дихроїзмом на товщині зразка. Підтвердженням цього служить те, що точка перетину нуля, яка стабілізується при прагненні величини швидкості поверхневої рекомбінації до нескінченості, є характерною. Ця точка, виражена значенням коефіцієнта поглинання, корелює з величиною довжини дифузійного зсуву носіїв заряду та задовільно узгоджується з умовою 1/₀ L.

Тобто було встановлено, що на відміну від спектральних характеристик лінійного дихроїзму в пропусканні, які обумовлюються лише особливостями енергетичних зон кристала, спектри плеохроїзму у фотопровідності залежать також від рекомбінаційних параметрів матеріалу та властивостей його поверхні.

П'ятий розділ присвячено дослідженню плеохроїзму вентильної фотоерс у одновісно деформованих кремнієвих p-n переходах.

Приведено спектральні характеристики плеохроїзму в вентильній фотоерс від коефіцієнта поглинання, що отримані за допомогою модуляції поляризації для трьох p-n переходів створених різними технологічними операціями: А - епітаксія, В - дифузія, С - імплантація.

Найбільш цікаву залежність плеохроїзму демонструє зразок С, поляризаційна різниця V_С виявляється знакозмінною, причому двічі перетинає вісь абсцис. Утім, один з перетинів, розташований при ?5 см^-1, пояснюється наявністю великого коефіцієнта відбиття від дзеркальної тильної поверхні за рахунок її металізації. Дійсно, велика інтенсивність відбитого випромінювання створює у розташованій біля p-n-переходу області просторового заряду нерівноважні електроно-діркові пари, які генерують поляризаційну різницю того ж знака, що й сильно поглинуте світло.

Якщо пояснювати величину V позитивного знаку, то для всіх трьох зразків вона обумовлена ефектом дихроїзму на дифузійній довжині, величина якої порівнянна зі значенням довжини поглинання 1/ для цих характеристик. Що ж стосується дихроїзму на товщині просторового заряду, то у випадку сильно легованого зразка А вона настільки мала, що виходить за межи виявничої здатності використаного пристрою навіть з урахуванням модуляційної методики. Більш сприятливі обставини у зразках В та С, що пов'язані зі збільшеним значенням дебаєвскої довжини, дозволяють спостерігати анізотропію у дрейфовій компоненті вентильної фотоерс. Причому, в зразку С (високоомна база) абсолютні значення спектральної характеристики поляризаційної різниці, а також її довжина по коефіцієнту поглинання суттєво перевищують відповідні величини в інших випадках. Останній обставині в чималій ступені сприяє також мала товщина емітерної частини зразка.

Додатково було проведено вимірювання спектральних характеристик вентильної фотоерс за допомогою модуляції інтенсивності. Співставлення попарно спектрів фотоерс та її поляризаційної різниці показало, що раніше проведений феноменологічний аналіз процесу поляризаційної модуляції в даному випадку не завжди вірний. Це протиріччя пояснюється тим, що розподіл генерованих випромінюванням нерівноважних носіїв заряду відрізняється від експонентної залежності в наслідок дифузійно-дрейфових процесів. Однак саме ця обставина дає можливість достатньо легко оцінити дифузійну довжину нерівноважних носіїв та товщину просторового заряду.



Основні висновки

1. Вперше проведено дослідження плеохроїзму з використанням методу поляризаційної модуляції випромінювання. Сутність методу полягає в реєстрації різниці поглинання лінійно поляризованих хвиль, площини поляризації яких з високою частотою займають паралельні й перпендикулярні положення по відношенню до оптичної вісі анізотропного зразка.

2. На основі феноменологічного аналізу процесу поляризаційної модуляції електромагнітного випромінювання показано та експериментально підтверджено, що реєстровані з допомогою цієї методики спектральні характеристики поляризаційної різниці пропускання представляють собою результат фізичного диференціювання функції пропускання по коефіцієнту поглинання, помножений на величину анізотропії - T=(dT/d). Умовою виконання цієї рівності, як було прийнято, є мале значення анізотропії ,.

3. В спектрах дихроїзму, виміряних в одновісно деформованих кристалах кремнію, виявлено немонотонності, пов'язані з участю фононів в міжзонних переходах, а також проявлення особливостей зонного енергетичного спектру кристала. Зроблено висновок, що отримані особливості визначаються основними властивостями речовини.

4. На основі математичного аналізу експериментальних результатів дослідження дихроїзму в пропусканні отримано спектральні залежності величини анізотропії коефіцієнта поглинання при фіксованій величині одноосної та однорідної механічної напруги. Показано, що ці спектральні характеристики мають ті ж особливості, пов'язані з участю фононів в міжзонних переходах, що і в спектрах поляризаційної різниці пропускання.

5. Встановлено в спектральних характеристиках плеохроїзму в фотопровідності кристалів германію проявлення особливостей енергетичного спектру зон кристала, зв'язаних зі зміною правил відбору в міжзонних переходах. Показано, що спектри плеохроїзму в фотопровідності визначаються не тільки особливостями енергетичних зон кристалу, а й рекомбінаційними параметрами матеріалу та властивостями поверхні зразка. Показано, що спектри фотоплеохроїзму складаються з двох компонент: дихроїзму на товщині зразка та дихроїзму на дифузійній довжині.

6. Виявлено, що спектральні характеристики поляризаційної різниці вентильної фотоерс кремнієвих p-n переходів є похіднми характеристик фотоерс по коефіцієнту поглинання в певних обмеженнях, залежних від технологічних і конструкційних особливостей напівпровідникових структур. Крім того показано, що спектр фотоплеохроїзму складається максимум з трьох компонент: дихроїзм на товщині кристала, дихроїзм на дифузійній довжині та дихроїзм на товщині області просторового заряду.

7. Визначено можливість використання дослідженого ефекту індукованого лінійного плеохроїзму для діагностики внутрішніх механічних напружень у кристалах та отримання інформації про характерні параметри p-n переходів. Показано, що використані в роботі фізичні умови та стандартні вимірювальні пристрої дозволяють досягти мінімального значення достовірно спостерігаємої механічної напруги на рівні 1 кг/см².



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Сердега Б.К., Венгер Є.Ф., Матяш І.Є. Особливості фононної компоненти лінійного дихроїзму в одноосно деформованих кристалах кремнію. // Тези доповідей 1-ої Української наукової конференції з фізики напівпровідників (УНКФН-1).-Том 1.- Одесса: Астропринт.- 2002.- с.72.

2. Matyash I.E., Serdega B.K. Modulation-polarization spectroscopy of transmission in anisotropy crystals. // Scientific works of third international young scientists conference “Problems of optics and high technology material science” (SPO 2002).-Киев: ВПЦ “Київський університет”.- 2002.- p.68-69.

3. Венгер Е.Ф., Матяш И.Е., Сердега Б.К. Поляризационно-модуляционная спектроскопия линейного дихроизма в одноосно деформированных кристаллах кремния. // Оптика и спектроскопия.- 2003.-т.94.- №1.- с.38-42.

4. Matyash I.E., Serdega B.K. Polarization-modulation diagnostics induced anisotropy of materials. // Book of abstracts of international scientific and practical conference “Spectroscopy in special applications” (SSA2003).-Киев.-2003.-p.168.

5. Serdega B.K., Venger E.F., Matyash I.E. The features of phonon component of linear dichroism in uniaxially strained silicon crystals. // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2003.-V.6.- №3.- p.319-323.

6. Венгер Є.Ф., Матяш І.Є., Сердега Б.К.. Оптичні та фотоелектричні явища в напівпровідниках із анізотропією провідності. // Тези доповідей 4 міжнародної школи-конференції “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”.-Дрогобич: НВЦ “Каменяр”.-2003.-с.129.

7. Венгер Е.Ф., Матяш И.Е., Сердега Б.К. Исследование наведенного одноосной деформацией линейного дихроизма в кристаллах кремния. // ФТП.- 2003.- т.37.- №10.- с.1188-1192.

8. Kondratenko S.V., Matyash I.E., Serdega B.К. Some features of polarization modulation in spectroscopy of optical and photoelectric effects. // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2004.- V.7.- №2.- p.195-198.

9. Матяш И.Е., Сердега Б.К. Анализ поляризационно-модуляционных спектров фотоплеохроизма, индуцированного одноосным сжатием в кристалле Ge. // ФТП.-2004.-т.38.-№6.- с.684-689.

10. Сердега Б.К., Матяш И.Е. Технология модуляции поляризации в создании сенсоров физических величин. // Труды пятой международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ).-Одесса: Негоциант.-2004.-с.220.

11. Сердега Б.К., Бережинский Л.И., Венгер Е.Ф., Матяш И.Е. Оптоэлектронные сенсоры физических величин на основе модуляции поляризации электромагнитного излучения. // Тези доповідей Міжнародної науково-технічної конференції “Сенсорна електроніка і мікросистемні технології” (СЕМСТ-1).-Одесса: Астропринт.-2004.-с.110.

12. Berezhinsky L.I., Venger E.F., Matyash I.E., Serdega B.K.. Spectra of the photoelectric phenomena physically differentiated on the absorption factor of the light. // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2004.- v.7.-№4.-с456-461.

Размещено на Allbest.ru

...