Введение к работе
Актуальность темы.
Проблема изучения теплопереноса в полупроводниках и диэлектриках, находящихся при низкой температуре, известна уже достаточно давно. В конце 50-х годов было обнаружено, что значение коэффициента теплопроводности, толучаемое из экспериментов по исследованию стационарного теплопереноса, при низких температурах начинало зависеть от размеров образца [al]. Это означало, іто длины свободного пробега носителей энергии — акустических фононов — л-ановилиеь сравнимыми с размерами образцов. В связи с этим усилился интерес к эаспространению и механизмам рассеяния акустических фононов в материалах.
В 60-х годах появилось направление в физике неравновесных акустических рононов, связанное с импульсным возбуждением полупроводников, где подход, эснованный на "квазиравновесности" системы фононов оказался неприменимым: іри импульсном возбуждении полупроводника, находящегося при низкой температуре, функция распределения фононов является неравновесной, т. е. :ильно отличается от планковской. В эгом случае тешюиеренос определяется эежимом распространения неравновесных фононов, разные типы которого шервые были рассмотрены в [а2].
Экспериментально, информация об эволюции системы неравновесных рононов получается в рамках так называемой техники тепловых импульсов [аЗ]. Сущность этой методики состоит в том, что неравновесные акустические фононы, эождеиные в результате импульсного возбуждения полупроводника, после эаспространения по образцу регистрируются детектором. По анализу эазрешенного по времени и (или) пространственно-разрешенного отклика іетекторз на приход неравновесных фононов извлекается информация о процессах рассеяния неравновесных фононов в среде.
С практической точки зрения, сведения об особенностях теплопереноса в толупроводниках и диэлектриках могут быть полезными, например, при эазработке приборов криоэлектроники или для выбора оптимального гешюотвода (теплостока).
Техника тепловых импульсов существует уже относительно давно — с конца
50-х годов. При помощи этой методики нестационарный тенлоперенос исследовался как в кристаллах (Si, Ge, GaAs, и т. д.) так и в более сложных средах — аморфных, поликристаллических [в.4, в.5]. Тем не менее все еще остается много
недостаточно исследованных (как теоретически так и экспериментально) вопросов, например о процессах рассеяния на примесях, дефектах, и зависимости этих процессов от типа и концентрации центров рассеяния.
В частности, совершенно неисследованным оказалось распространение тепловых импульсов в таком материале как алмаз. В то же время именно алмаз с его уникальной комбинацией свойств является весьма перспективным материалом для разработки нового поколения электронных приборов, способных работать в условиях неблагоприятного окружения (при повышенных температурах, в агрессивных средах, в условиях высокого радиационного фона). Кроме того, теплопроводность алмаза в широком диапазоне температур является наибольшей из всех известных на сегодня материалов, что делает его перспективным для изготовления разного рода теллостоков [аб].
Бурно развивающаяся в последнее время технология производства искусственного алмаза и алмазоподобных пленок, которые уже нашли свое применение в технике, делает актуальным разработку методов для характеризации их свойств, в том числе, и с точки зрения теплопереноса [а7].
В этой связи необходимо отметить, что общепринятого способа расчета неравновесного теплопереноса, на сегодня, не существует. Попытки описания эволюции системы неравновесных фононов проводились неоднократно. В некоторых случаях удавалось получить аналитическое описание режимов распространения неравновесных фононов — баллистического, диффузионного, нелокальной теплопроводности и т. д., однако решения для произвольного случая так и не было найдено. Кроме того, получаемые таким образом решения не дают явного вида отклика детектора, что затрудняет их сравнение с экспериментом. Поэтому в последнее время активно разрабатывается численное моделирование распространения неравновесных фононов методом Монте-Карло [а8, а9]. По мере развития теоретических разработок и понимания процессов, происходящих с неравновесными фононами в среде, а также по мере развития вычислительной техники, стало возможным использовать рассчитываемые этим методом отклики для сравнения с экспериментальными. Это дало принципиальную возможность оценивать некоторые характеристики материала, такие как величина константы упругого рассеяния, а также особенности процессов на границах образца с точки зрения распространения неравновесных фононов.
Целью работы являлось исследование распространения неравновесных акустических фононов при гелиевых температурах в кремнии (как модельном материале с известными параметрами для разработки методики расчета эволюции системы неравновесных фононов) и в ранее ненсследовавшемся материале — алмазе. Необходимо было разработать методику анализа получаемых результатов (разрешенных по времени откликов детектора) и исследовать влияние характеристик исследуемых образцов и условий эксперимента на получаемые результаты.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана математическая модель расчета распространения
неравновесных акустических фононов в полупроводниках методом Монте-Карло,
позволяющая получать непосредственно отклики детектора. В рамках этой модели
для малых уровней возбуждения учитываются реальная геометрия (размеры и
относительное положение генератора и детектора фононов), анизотропия
распространения неравновесных фононов в среде и условия (способ возбуждения
и наличие контакта исследуемого образца с другой средой) физического
эксперимента.
-
Предложен способ оценки константы упругого рассеяния фононов Аааі из сравнения экспериментальных разрешенных по времени тепловых импульсов с рассчитанными в рамках разработанной модели.
-
При моделировании методом Монте-Карло, впервые предложен способ учета уровня возбуждения, т.е. влияния процессов фонон-фононного слияния на отклик детектора. Результаты моделирования для случая больших уровней возбуждения позволили впервые доказать правильность отождествления сдвига максимума отклика болометра при увеличении уровня возбуждения со временем жизни области локального теплового равновесия — "горячего фононного пятна".
-
Впервые с помощью техники тепловых импульсов проведено исследование нестационарного теплопереноса в алмазе при низких температурах. Показано, что широко используемый в этой технике генератор неравновесных фононов — нагреваемая пленка металла (золота), нанесенная на поверхность алмаза методом термического испарения — является неудовлетворительным с точки зрения его временных характеристик.
-
Разработан принципиально новый генератор неравновесных фононов в алмазе — заглубленный имплантированный (аморфизированный или
графитизированный) слой, который позволяет генерировать тепловые импульсы длительностью порядка КГ9 с, то есть обладает лучшими временными характеристиками.
-
Исследовано распространение неравновесных фононов в образце естественного алмаза типа На. Сравнение экспериментально полученных откликов с рассчитанными методом Монте-Карло показало, что в алмазе типа На рассеяние фононов на изотопах преобладает над рассеянием на примесях.
-
Исследовано распространение неравновесных фононов в образце искусственного алмаза и показано, что рассеяние фононов в нем происходит более интенсивно, чем в естественном алмазе типа Па. Развитым в диссертации методом определена величина константы упругого рассеяния в образце искусственного алмаза — A1CiU=6*10J" сг\ что в 3 раза больше, чем при рассеянии неравновесных фононов только на изотопах.
Практическое значение работы состоит в следующем:
-
Разработанная модель расчета распространения неравновесных фононов в полупроводниках позволяет адекватно анализировать результаты экспериментов в технике тепловых импульсов.
-
Исследование процессов теплопереноса в алмазе при низких температурах методом тепловых импульсов может быть полезно при создании различного рода приборов микроэлектроники на основе алмаза.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Разработана математическая модель расчета распространения
неравновесных акустических фононов в полупроводниках методом Монте-Карло,
позволяющая получать непосредственно отклики детектора. Из сравнения
экспериментальных тепловых импульсов с рассчитанными в рамках
разработанной модели предложен способ оценки константы упругого рассеяния
фоНОНОВ Ascat.
2. В рамках развития разработанной модели при моделировании методом
Монте-Карло, впервые предложен способ учета уровня возбуждения, т.е. влияния
процессов фонон-фононного слияния на отклик детектора.
3. Впервые с помощью техники тепловых импульсов был исследован
нестационарный теплоперенос в алмазе при низких температурах. Показано, что
широко используемый в этой технике генератор неравновесных фононов —
нагреваемая пленка металла (золота), нанесенная на поверхность алмаза методом
нагреваемая пленка металла (золота), нанесенная па поверхность алмаза методом термического испарения — является неудовлетворительным с точки зрения его временных характеристик.
4. Разработан принципиально новый генератор неравновесных фононов в
алмазе — заглубленный имплантированный слой, который позволяет
генериропать тепловые импульсы с длительностью порядка 109 с, то есть обладает
лучшими временными характеристиками.
-
Исследовано распространение неравновесных фононов в образце естественного алмаза типа Па. Из сравнения экспериментально полученных откликов с рассчитанными получена величина константы А5еа1=2*10-11с-3. Эго показывает, что рассеяние фононов на изотопах в естественном алмазе типа Па преобладает над рассеянием на примесях.
-
Исследовано распространение неравновесных фононов в образце искусственного алмаза. Развитым в диссертации методом определена величина константы упругого рассеяния в образце искусственного алмаза — Л5М=6* 1 (Н4^.
Аігробация работы
Результаты работы докладывались на 15-й Международной конференции по криогенной технике "ІСЕС-15" (1994, Генуя, Италия), Международной конференции "Металлическая наноэлектроника" (1994, Черноголовка, Россия), Международной конференции "Микроэл.ектропика-94" (1994, Звенигород, Россия). Международной летней школе "Фононы в кристаллических структурах различных размерностей" (1995, Киев, Украина), Всероссийской конференции "Алмазы в технике и электронике" (1997, Москва, Россия) и семинарах ФИАН и МГУ.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
