Введение к работе
В работе в обобщенном воде представлены результаты теоретических исследований, относящихся к кристаллооптике, оптоэлектро-нияе и коллективным явлениям в полупроводниках. Исследования обье-денены принципиальной связью большинства рассматриваемых явления с переносом энергии электронного возбуждения, излучения и частиц.
Актульность теш работы определяется широким практическим использованием рассматриваемых эффектов и необходимостью кх исследования с точки зрения фундаментальной физики. Низкотемпературная экситонная спектроскопия, новые шсокотегяіературнне источники электромагнитного излучения ИК-диапазона, новый метод неразруиаю-щего контроля качества диэлектрических материалов в микроэлектронной и космической технологии - основной перечень применения исследуемых эффектов.
Перенос энергия и частиц составляет одну из фундаментальных проблем физики конденсированных сред. Изучение механизмов переноса, необходима для понимания и количественного описания широкого круга физических явлений и свойств вещества, имеет большое научное и прикладное значение, В работе рассматривается экситснныЯ механизм, фотонный перенос, дефсргационный механизм переноса энергии, перенос заряженных и нейтральных частиц вэ внешних полях и цр. Закономерности переноса рассматриваются а тесной связи с соот-ветствуюп^лві оптическими, кинетическими и термодинамическими свой-гтвамя исследуемых систем. Основное вніимание уделено иеследованип їелокальних оптических и концентрационных эффектос, обусловленных зоответствупцим перекосом энергии н частиц в диэлентричоеяих и юлупроводкиковых кристаллах и в сложных гетерогенных системах.
Основные вадячи и цель работа. Рассматриваемые в диссерггции юлокалыше оптические эффекты связаны с наличием более чем одно-'О механизма переноса световой энергий.' В спектральных областях йсситонных резонансов дополнительный какал переноса энергии, обус-ювлениый движением окситонов, приводит к существенной нелокаль-юсти диэлектрического отклика. Наиболее важным проявлением соот-іетствуицей пространственной дисперсия является существование в ристалле добавочных световых волн (С.И.Пекпр, I9S7 г.; В.Л.Гйнэ-ург, 1958 г.). Этот термин (ДСВ) означает, что в области экситон-ого поглощения число световых волн больше, чем вне резонансной блести. В настоящее время физика ДСВ стала неотъемлемой частьп
кристаллооптики и низкотемпературной ькситоішой спектроскопии. Самым дискуссионным разделом теории ДСВ оказалась проблема дополнительных граничных усоьий (ДГУ), необходимых, в дополнение к граничным условиям Максвелла, для однозначного определения электромагнитного поля в ограниченных кристаллах. К началу выполнения диссертационной работы в этом направлении для ДГУ, учитывающих механический и резонансный каналы движения акситонов, существовали различные, противоречащие друг другу выражения. В более общи.; плане - отсутствовало согласование концепций механических и кулоновских акситонов в теорій ДСВ в ограниченных кристаллах. Решение эт«х принципиальных вопросов представляло значительный интерес. Актуальный является также развитие новых методов эзсситонной спектроскопии.
В спектральных областях ыеязонного и внутризонного поглощения света существенное влияние на оптические свойства полупровод-пиков оказывает перенос электронов и дырок во внезших полях, вызывающий изменение их концентрации. Создавая биполярное обогащение или обеднение кристалла, можно эффективным образом управлять его излучением и поглощением. Основное вникание в работе в атом направлении уделяется исследованию отрицательной люминесценции (ОЛ) - Еффбкта уменьшения излучения системы в некоторой части спектра по сравнению с ее тепловым излучением в той же части спектра при неизменной температуре. Этот эффект был предсказан при исследовании фотолюминесценции газа (В.В.Актонов-Ромаковский, Б.И.Степанов, М.Б.Фок, А.П.Хаяалюк, 1955 г.). В полупроводниках ОЛ впервые наблодалась в 1965 г. (В.И.Иванов-Омский, Е.Т.Коломи-ец, В.А.Смирнов). Систематическое теоретическое и экспериментальное исследование ОЛ полупроводников было начато в ИП АН УССР (1979 г.). Позке активные исследования были проведены в ФРГ (1981 г.), Японии (1963 г.) и США (1965 г.). Интерес к этому эффекту "холодного поглощения" вызван, главным образом, многочисленными возможностями его практического использования как основы нового класса оптоэлектроншх приборов. В связи с этим весьма актуальным было построение количественной теории ОЛ полупроводни-коь.
В системах; с сильним коллективным взаимодействием (пересы-цешме раствори, полупроводники с высокой концентрацией свободных r-ijicKTponon) упеличсшіе концентрации частиц, инициированное
их переносом во внє;:лих полях или же гсзнкк<тцое шлуктуативно, мояет приводить к рязлі-лінкм фе-iQBtsi превращениям. В диссертации э зтсм плане исследуется эффект образорчнпгі центре:; изображения я фотоэмулыл?'х под действием злектричес.-г>го поля -- электрогог.о-графический (Э1Г) эффеггт и ко'шентреционно-деформационная неустойчивость (ІЩИ) равновесного состояния полупроводников с деформационным электрон-фононкьш іізвшодействиєм.
ЭТГ эффект был обнаружен экспериментальна (А.Е.Кравцов, М.А.Резников, 1270 г.) при разработке способа контроля дефектов диэлектрических слоев. Последние иироко применяются в а-ечпологич производства различных изделий для электроизоляцяи либо хіятче-ской заняты, что и определяем требо жчіке высокого качество гатз-риэла. Эти:,! определяет';: актуальное'<ь и цель исследования приро-ды РІГ эффекта, пезвол&эдего сбнару»л:г>-ть де-факто путем регистрации создаваемых ж\ кегоднородяоетей потонцисльного рельефа. <ЛТ еффект уже используется для нэрззрушзяцей дефектоскопію mo-гослойїшх структур в ыикрозлектрогоже, приборостроении, ого применение позволило впервые исслсдовсть динамику деградации материалов в реальном космическом пространстве.
Представленные в работе исследования ДДН язляятся первыми исследованиями ->тсго эффекта в полупроводниках. В отличие о? известной длинноволновой р-лиеточноГ, неустойчивости Ь'эталяов (СВ. Тябликов, В.В.Толмачев, А.Б.Мигдал, 19 г.), в полупроводниках оказывается возможной коротковолновая г'еустойчіа»ссть однородного состояния. Впервые рассматривается тауяе неустойчивость равне-воского состояния относительно перераспределения электронов между эквивалентными долинами зоны проводимости. Исследования этих новых эффектов и соответствующих фазовых переходов является ВК-туальнш для физики полупроводниковых материалов, имеющих єнома-льно высокие концентрации свободных электронов.
В рамках теории линейного отклика ЇЩН могхяа инт-рпрег;фовать как проявление особенностей в пространственной дисперсии» стланных с деформационной зааискасегьп нелокальной цизяептрическок функции электронной плазми полупроводника, В работа рассматривается также полевая зависимость диэлектрической проницаемости электронной плазмы и соответствующая ей нелинейная зависимость тока от электрического поля; исследуются также нелокальные и нелинейные особенности перекоса, связанные с влиянием на движение носи-
їєдой собственного магнитного поля тока. Проведенные исследования кинетических явлений представляют интерес для* физией полупроводников е области сильных ползи и токоз и в общем плане теории нелокального отклика.
Научная новизна работы состоим в том, что в ней впервые предсказаны новые физические эффекты и розвита их теория, построена количественная или полуколичествешшя теория эффектов, обнаруженных ранез експериментально, получены обобщения ряда теоретическое результатов и еьіеодсв,
1. В рамках теор;-:н добавочных световых волн, копользупцзй
для построения свехозяситоннах состояний кулоновские окситоны,
впервые получени дополнительнее граничные условия при одновре-
-*:экнсм учаre иэхЕничгского и резонансного каналов перекоса возбуждения.
-
Показано, что при расчете поляризационного отклика ограниченного кристалла в концепции кулоновских энситоков необходи-ыо в воамущаицем поле учитывать несднородную волїу, состветству-ыцу» триЕиальньш решениям уравнений макроскопической электродинамика.
-
Поатроанс теория прохождения света сквозь клиновидный кристалл для спектральной области квадрупольного зкеитоиа в условиях зоабузвдеіяія добавочных световых волн.
-
Развита теория мехэоиней гсдьЕаноиагнатной лшинесцещни полупроводников.
-
Проведен расчет переноса рекомбинацмошюго излучения'и иодуляции теплового излучения полупроводников с помощью переноса электронов и дырок и ьзмеиеник их концентрации в скрещенных электрическом и магнитном полях.
-
Построена теория фотовоэбувдекяя полупроводников в условиях дефицита фотонов.
-
Предложена и теоретически обоснована физическая модель аффекта образования изображения в фотоемульсії»! под реЯствиеи электрического поля (без освещен*;*.).
-
Предсказаны неустойчивости равновесного состояния полупроводников с деформационным электран-фенонныи взаимодействием: а/ неустойчивость однородной концентрации свободных электронов к деформации решетки относительно коротковолновых флуктуации;
б/ неустойчивость состояния с одинаковой зйсэлекностья эквивалентных долин относительно uesqosv";:oro перераспределения.
9. Теория электропроводности примесных полупроводников с мз-
лой длиной свободного пробеге носителей тока обсбЕг/знв учетом не
линейной зависимости окрзнироіічнного потенциала от злеятрическо-
го поля тока.
10. Установлен.! общие закона.»-,зрности. в всльт-вмперных харак
теристиках, связанные с собственным магнитосопротивлениеи; про
веден расчет эффекта в электронно-дырочной плазме, в много,- олин-
ных полупроводниках и др.
Основные новые результаты включены в положения, зчноскша на зашату;
1. Решение гранич; х задач кристалооптики с добавочными све
товыми волнами в концепциях кулоновских и механических окситогоэ
приводит к взаймы эквивалентны.! результатам.
В реботе определен вид оператора взаимодействия полубосконоч-ного кристалла с електрегмагнитным поле*.' в концепции кулоновских зкситонов, позволяющий непротиворечивым обрагом учесть дияоль-ди-польное взаимодействие элементарных ячеек. Последовательней учот нерезоиаксной поляризуемости, проведенный в различных моделях эк-ситона, устраняет существовавшую не^чнозгзвдость в определении экситояного ізкладв в поляризацию, через аоторей шргщагася ДГЗ*; он определяется как' вклад механических экситонов,
2. Пря прохождении электрического тока через полупроводник,
помещенный' в поперечное к току магнитное поле, возбуждается отри
цательная и (или) положительная межэенная лшинесценция. Вели
чина и направление потока излучения определяются на основе урав
нения переноса излучения и уравнений биполярной электропроводно
сти-диффузии.
Количественно описаны основные закономерности здіфекта в пластине полупроводника: зависимости мощности люминесценции от электрического и магнитного полей, от температуры, кинетических и термодинамических параметров полупроводника; рассчитаны спектральные характеристики.
3. Наложение электрического поля на фотоэмульсию'приво
дит к поляризации атомов серебра на поверхностях эмульсионных
икнрокршзгаллов и их переносу в области максимального поля, я результате чего достигается локальное концентрационное пересыщение, достаточное'для распада первичного твердого раствора серебра с образованием металлической фазы - .центра проявления.
Получена нелокальная функциональная связь ыевду плотностью обркзущихся центров проявления и распределением макроскопического электрического поля, позволяющая обьясішть и качественно или количественно описать наблвдаеыые закономерности ЭГГ эффекте. Плотность почернеїшя фотоэмульсии максимальне в областях наибольшей неоднородности поля.
4. В полупроводниках о дефорыациемньш влоктрон-фононши
взаимодействием при высоких концентрациях носителей тока возмож
на наусїойчивостн разновесного состояния относительно простран-
стсеїшого кли меедолинного перераспределения носителей, сопро-
воадак^іеся соответственно возникновением неоднородной деформа
ции реаетки и кэмвнаниеы ее екшіетрии.
В работе определены критерии неустойчивостей. Проведен термодинамический енализ состояний кристалла о неоднородной концентрацией электронов и с перестроенным энергетическим спектром; они более выгодно, чем исходные, езли концентрация электронов превышает крикгчаское значение.
5. Электрический ток, поток собственного рекомбиняциенного
излучения полупроводника вызывает концентрационные эффекты, ска
зывающие обратное влияние на ток (поток). Среди них: перераспре
деление экранирующего заряда в примесных полупроводниках под дей
ствием электрического поля тока, перераспределение носителей по
дрейфовым скоростям под действием магнитного поля тока, радиации
нее уменьшение концентрации электронов и дырок в приповерхност
ном слое полупроводника.
Эффекты самовоздействия тока описываются в работе в рамках теории электропроводности-диффузии, а для излучения - и фотонного переноса.
Лрактаческея ценность и значимость работы.
Обобщение теории ДСВ в ограничении кристаллах, позволившее устранить существовавшее длительное время несоответствие мелду результатами расчетов с яетоэкситонов на основе кулоновских и
механических окситонов, имеет га;пнее научное и методическое значение. Эти результата включены а вкдо Д'ПОдкительноЯ гл&гы в амэ-риканское издание монографии С.ІГ.ІЇепора "*ц ::сталлосптика и добавочные световые волны". Теория прохождения света СГЧОЗЬ клиновидный кристалл позволяет получать обширную информацию о законах дисперсии noji ритонов, оптических констентах и других параметрах кристаллов по экспериментально измеренным покязатол."ч преломления и интенсивности наадой из прошедших обыиых и добавочных световых волн, в частности, для экситокной линии А= 6125 А в Си.лО.
Теория ОЛ и других электронно-оптических эффектов с достаточной степей? я точности согласуется с результатами эксперимент тальных исследований и используется при разработке новых опто-электронных устройств и нобых способов определения важнейших параметров полупроводниковых материалов. С участием автора предложены и защищены авторскими свидетельствами? новый ТИП ИСТО'ШИКв электромагнитного излучения, позволяющий создазать сигналы положительного и отрицательного контраста; способы определения скорости поверхностной рекомбинации и подвижности носителей тока в узкозоитигх полупроводниках при высоких температурах и др.
Выяснение природы ЭТГ э-^рфекта и его основных закономерностей явилось теоретической основой разреботки и совершенствования нового метода неразрушающей дефектоскопии. Результаты теоретического исследования эффекта вошли в цикл работ, удостоенный Государственной премии Украинской ССР.
Работы, в которых была предсказана КДН, положили начало сис
тематическому исследования электронных фазовых переходов в полу
проводниках с деформационным электрон-фонончкм взаимодействием.
Рассмотренные еффекты привлекаются в последнэе время для объяс
нения фазовых переходов, которые наблюдаются в GeTe и SnTe >
при высоких уровнях легирования. Возникающую гетероггнность крис
талла удается объяснить расслоением на ромбическую и ромбоэдри
ческую фазы о соответствующим перезаселением -олин и разбиением
фаз на области с повышенной и пониженной концентрациями свобод
ных дырок. Работы автора отражены в обобщающей монографии по тео
ретическому и экспериментальному исследованию этого явления
/В.А.Кочелап, В.Н.Соколов, Б.Ю.Венгалис "Фазовые переходы в
" - 10 -
полупроводниках с деформационным электрон-фононным взаимодействием"/.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов работы определяются, превде всего, их практической значимостью. Те результаты и выводы, которые имеют методическое значение или же не проверялись экспериментально, обоснованы их совпадением при использовании различных методов решения, выбором апробированных моделей и корректностью математических решений.
Апробация работы и публикации. Основные результаты материалов диссертации докладывались на Всесоюзных совещаниях по теории полупроводников: ЛИ /Киев, 1975/, IX /Тбилиси, 1978/, XI /Ужгород, 1933/, XII /Ташкент, 1935/, XIII /Ереван, 1987/; на Всесоюзной конференции по электролюминесценции /Днепропетровск, 1977/, Всесоюзном совещании по поверхностным явлениям в полупроводниках /Киев, 1977/, конференции по люминесценции /Ленинград, 1981/. Международной конференции по излучательной рекомбинации ^3 /Прага, 1983/, 31 Всесоюзной конференции "Проблемы развития радиооптики" /Тбилиси, 1985/, XX Всесоюзном сьезде по спектроскопии /Киев, 1938/; на Всесоюзных школах-семинарах по теории полупроводников /Черновцы, 1982; Донецк, 1938/, по физике поверхности полупроводников /Одесса, 1987/, а также на научных семинарах Ш АН УССР, № АН УССР, й& АН УССР, МГУ и др.
Основные результаты диссертации отражены в 35 публикациях, их список приведен в конце автореферата.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она содержит 249 страниц машинописного текста, 38 рисунков, список литературы включает 284 наименования.