Дослідження ефекту лінійного плеохроїзму у напівпровідникових кристалах кубічної сингонії з індукованою анізотропією діелектричних властивостей за допомогою методу, заснованому на модуляції поляризації з високою чутливістю до величини анізотропії.
Аннотация к работе
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИОфіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Данильченко Борис Олександрович, Інститут фізики НАН України, завідувач відділу фізики радіаційних процесів; Захист відбудеться ”16” вересня 2005 р. о 1615 на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.199.01 при Інституті фізики напівпровідників ім. Дисертацію присвячено дослідженню ефекту лінійного плеохроїзму у напівпровідникових кристалах кубічної сингонії з індукованою анізотропією діелектричних властивостей. В спектральних залежностях дихроїзму виявлено особливості, що дають інформацію про зонний енергетичний спектр кристалів та вперше виявлено фононну компоненту дихроїзму. Показано, що аналіз спектральних характеристик плеохроїзму дає можливість отримати інформацію про фізико-технологічні особливості напівпровідникових структур.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. 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 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.У цьому розділі сформульовано основну мету та задачі роботи, що вирішувались для її досягнення, аналізується і обґрунтовується вибір обєктів 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. 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. 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 d = d0 sin(wt), (1) де w - власна частота резонатора, d0 - зрушення фаз, встановлене напругою живлення кварцового резонатору (відповідає чверті або половині довжини хвилі). 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.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 - DT=(DT/da)Da. 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, повязані з участю фононів в міжзонних переходах, що і в спектрах поляризаційної різниці пропускання. Встановлено в спектральних характеристиках плеохроїзму в фотопровідності кристалів германію проявлення особливостей енергетичного спектру зон кристала, звязаних зі зміною правил відбору в міжзонних переходах. 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.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
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 - DT=(DT/da)Da. Умовою виконання цієї рівності, як було прийнято, є мале значення анізотропії Da<< a^,a||.
3. В спектрах дихроїзму, виміряних в одновісно деформованих кристалах кремнію, виявлено немонотонності, повязані 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, повязані 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, звязаних 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.
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.-р.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.
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.