Експериментальні дослідження високопольових автосолітонів в нерівноважній електронно-дірковій плазмі в кристалах Ge та Si

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут фізики

УДК 621.315.592

Експериментальні дослідження високопольових автосолітонів в нерівноважній електронно-дірковій плазмі в кристалах Ge та Si

01.04.07 - фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Кравченко Андрій Володимирович

Київ 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті фізики НАН України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук Винославський Михайло Миколайович, Інститут фізики НАН України, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти:

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

кандидат фізико-математичних наук Іщук Лариса Вадимівна, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, радіофізичний факультет, старший науковий співробітник кафедри напівпровідникової електроніки

Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, відділення технології і матеріали сенсорної техніки

Захист дисертації відбудеться "23" червня 2005 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.159.01 при Інституті фізики НАН України (адреса: 03028, Київ-28, проспект Науки, 46).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розісланий "23" травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради Чумак О.О.

автосолітон плазма дірковий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В нерівноважній електронно-дірковій плазмі напівпровідникових кристалів внаслідок процесів самоорганізації можливе утворення просторово впорядкованих дисипативних структур - автосолітонів. Різноманітні типи автосолітонів експериментально були виявлені в напівпровідниках (GaAs, InSb, Te і т.п.) і напівпровідникових структурах. Інтерес до дослідження таких просторово-неоднорідних структур зумовлений тим, що вони дають можливість визначати параметри плазми (температура, рухливість і т.п.) в сильно нерівноважному стані. Крім цього, знання умов їхнього виникнення необхідно, оскільки вони можуть утворюватися при роботі різних приладів сильнострумової електроніки (мікросхем, транзисторів, тиристорів) і приводити, як правило, до їх деградації і руйнування.

Одним з типів таких дисипативних структур є термодифузійні автосолітони, що були виявлені у фотогенерованій електронно-дірковій плазмі в чистих кристалах Ge і Si в сильних електричних полях. Теоретично було передбачено, що механізм виникнення термодифузійних автосолітонів пов'язаний із зміною поведінки часу енергетичної релаксації носіїв при їхньому сильному розігріві. Експериментально було показано, що величина поля в автосолітоні може бути досить великою і досягати 20 кВ/см при прикладеному до зразка середньому полі ~ 300 В/см. Проведені розрахунки показали, що температура електронів в автосолітоні при таких полях може досягати 1000 К і вище. Однак до цього часу це не було доведено експериментально.

Було встановлено, що тип автосолітонів, що утворюються, і їхня поведінка є різними в залежності від концентрації, величини і напрямку електричного поля відносно кристалографічних осей Ge. Вони можуть бути стоячими, біжучими або пульсуючими. Це вказує на можливу істотну роль зонної структури кристала в процесі їхнього формування. Крім цього, було показано, що утворення автосолітонів істотно залежать від розподілу домішок у зразку і властивостей його приконтактних областей. Разом з цим вплив цих факторів на виникнення і поведінку автосолітонів докладно не було досліджено.

Згадані вище обставини зумовили вибір теми даної дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відділі електроніки твердого тіла Інституту фізики НАН України у відповідності з планами наукової діяльності відділу в рамках бюджетних тем НАН України та Державного фонду фундаментальних досліджень:

1.4.1. В/8 (1994-1996), № держреєстрації0194u024079, "Динамика нелинейных процессов в сильных электрических или ИК-световых полях в полупроводниках со сложной структурой зон".

1.4.1. В/34 (1997-1999), № держреєстрації 0197v009165, "Нелінійні оптичні і фотоелектричні явища в напівпровідниках і напівпровідникових гетероструктурах в сильних електричних або ІЧ світлових полях".

1.4.1. В/61 (2000-2002), № держреєстрації 0100v000279, "Електрон-фононна і електрон-фотонна взаємодія в неоднорідних напівпровідникових системах".

Державний фонд фундаментальних досліджень (1995 р.), реєстраційний номер проекту 2.3/345, "Нові механізми створення динамічних надграток у електронно-дірковій плазмі напівпровідників Ge та Si".

Державний фонд фундаментальних досліджень (1997 р.), реєстраційний номер проекту 2.4/816, "Механізми самоорганізації та утворення впорядкованих дисипативних структур в монополярній та біполярній плазмі напівпровідників Ge та Si".

Мета і задачі досліджень.

Метою роботи було експериментальне дослідження розігріву електронно-діркової плазми електричним полем в процесі утворення термодифузійних автосолітонів в кристалах Ge і Si.

Для досягнення цієї мети необхідно було розв'язати наступні задачі:

Дослідження розігріву плазми сильним електричним полем шляхом вимірювання інфрачервоного випромінювання світла "гарячими" носіями й оцінка їх температури.

Вивчення впливу міждолинного перерозподілу "гарячих" електронів на утворення термодифузійного автосолітона.

З'ясування впливу типу провідності кристалу і властивостей приконтактних областей на поведінку плазми в електричному полі та утворення в ній автосолітона.

Проведення зазначених вище досліджень вимагало, в першу чергу, розробки методики і створення експериментальної установки для одночасного вимірювання розподілу електричного поля вздовж зразка і випромінювання "гарячими" носіями в ІЧ діапазоні спектра.

Об'єктом досліджень була електронно-діркова плазма в кристалах Ge і Si з різними типами провідності.

Предметом досліджень були процеси, шо відбуваються в електронно-дірковій плазмі при її розігріві сильним електричним полем, в тому числі і процеси самоорганізації.

Методи досліджень:

Вимірювання вольт-амперних характеристик електронно-діркової плазми в Ge і Si для різних напрямків електричного поля в кристалі.

Дослідження поведінки в часі розподілу електричного поля в зразку вздовж напрямку струму при різних величинах прикладеного поля і концентрації фотогенерованих носіїв.

Вимірювання випромінювання світла електронно-дірковою плазмою в інфрачервоному діапазоні спектра при різних величинах гріючого носії електричного поля.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в дисертації вперше:

Вимірюваннями інфрачервоного випромінювання "гарячих" електронів підтверджений, запропонований раніше теоретично, механізм утворення термодифузійних автосолітонів, який пов'язаний з розігрівом плазми електричним полем.

Показано, що утворення автосолітона в плазмі в кристалах p- і n-типу відбувається однаковим чином.

Досліджено вплив міждолинного перерозподілу "гарячих" електронів на утворення автосолітона. Встановлено, що внаслідок такого перерозподілу процес утворення автосолітона стає багатоступінчатим.

Практичне значення одержаних результатів.

Досліджені процеси, як правило, виникають в різних приладах сильнострумової електроніки і визначають максимальні робочі струми та напруги, а також впливають на надійність роботи приладів.

Створена експериментальна установка використовується також для дослідження електричного транспорту "гарячих" носіїв й випромінювання ними світла при внутрішньозонних переходах в різних напівпровідникових гетероструктурах.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці методики вимірювань і створенні експериментальної установки, виготовленні зразків, самостійному проведенні вимірювань і в обробці отриманих експериментальних результатів. Автор разом із співавторами брав рівноправну участь в обговоренні та інтерпретації експериментальних результатів, в підготовці до друку наукових статей і доповідей, також доповідав про отримані результати на семінарах. Основні положення й висновки дисертації сформульовані й обґрунтовані особисто дисертантом.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на наукових семінарах Інституту фізики НАН України та Інституту фізики напівпровідників НАН України, підсумкових конференціях ІФ НАН України (2003 р.); міжнародних конференціях:

M.N. Vinoslavskiy and A.V. Kravchenko, Hot luminescence of selforganized autosolitons in bipolar plasma in many-valley semiconductor, Proceeding of the XIV International School-Seminar “Spectroscopy of molecules and crystals”, p.129, June 7-12, 1999, Odessa, Ukraine.

М.Н. Винославский, О.Г. Сарбей, А.В. Кравченко, Высокополевые автосолитоны в неравновесной биполярной плазме многодолинного полупроводника, Тезисы докладов, V Российская конференция по физике полупроводников, 10-14 сентября 2001 г., Нижний Новгород.

М.Н. Винославский, О.Г. Сарбей, А.В. Кравченко, В.Н. Порошин, Высокополевые автосолитоны в фотогенерированной электронно-дырочной плазме p-Si, Нанофотоника-2001, Нижний Новгород, 26-29 марта 2001г.

М.Н. Винославский и А.В. Кравченко, “Процессы самоорганизации фотогенерированной электронно-дырочной плазмы в p-Ge в электрическом поле”, 1-а Українська конференція з фізики напівпровідників УНКФН-1, Україна, Одеса, 10-14 вересня 2002 р., т.2, стр. 347-348.

М.Н. Винославский, А.В. Кравченко, П.А. Белевский. Процессы самоорганизации фотогенерированной электронно-дырочной плазмы в p-Ge в электрическом поле. IV Міжнародна школа конференція “Актуальні проблеми фізики напівпровідників”, Тези доповідей, Дрогобич, Україна, 24-27 червня 2003 року, с. 131.

Белевский П.А., Винославский М.Н., Кравченко А.В., Высокополевые автосолитоны в фотогенерированной электронно-дырочной плазме p-Si, II Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, Чернівці-Вижниця, Україна, 20-24 вересня 2004 р., тези доповідей, т. 2, с. 516-517.

Винославский М.Н., Белевский П.А., Кравченко А.В., Термодиффузионные автосолитоны в биполярной плазме многодолинного полупроводника, II Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, Чернівці-Вижниця, Україна, 20-24 вересня 2004 р., тези доповідей, т. 1, с. 209-210.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових робіт, в тому числі 5 статей у провідних фізичних журналах та 7 тез конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків і списку використаних джерел. Вона викладена на 136 сторінках і містить 47 рисунків. Список використаних джерел містить 131 посилання, в тому числі 28 зарубіжних.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, зв'язок роботи з плановими завданнями. Наведені дані про апробацію результатів роботи, кількість публікацій, особистий внесок здобувача, структуру та обсяг дисертації.

У першому розділі подано літературний огляд процесів, які відбуваються в електронно-дірковій плазмі при її розігріві сильним електричним полем, в тому числі і процесів самоорганізації. Розглянуто просторово-неоднорідні дисипативні структури та умови їх виникнення як в моно-, так і в біполярній плазмі напівпровідника. Основна увага приділена експериментальному виявленню високопольових термодифузійних автосолітонів в біполярній плазмі, розігрітій електричним полем в зразках n-Ge при температурі 77 К. Такий автосолітон (АС) - являє собою відокремлену просторово-неоднорідну структуру, яка характеризується високою температурою, високим електричним полем і пониженою концентрацією носіїв заряду. Подано локальний механізм утворення автосолітона, який зумовлений зростанням часу енергетичної релаксації носіїв, розігрітих вище температури Дебая. Обговорені деякі властивості автосолітонів в електронно-дірковій плазмі (ЕДП) кристалів n-Ge: визначено швидкість їх руху та вплив на них кристалографічного напрямку зразка, вздовж якого прикладене гріюче електричне поле. Розглянуто стоячі, біжучі та пульсуючі автосолітони. Також описані АС в різних напівпровідникових кристалах: p-InSb, в тонких плівках n-GaAs, в кремнієвих р-i-п структурах та в системі ЕДП/екситон в Si. Наведено деякі аспекти теорії автосолітонів та розглянуто умови їх виникнення в електронно-дірковій плазмі в кристалі n-Ge.

Окрім цього розглянуто питання випромінювання інфрачервоного (ІЧ) світла "гарячими" носіями в напівпровідникових кристалах. Наведено результати досліджень електролюмінісценції в кристалах n-Ge в умовах стримінгу, внутрішньозонного випромінювання "гарячих" електронів в зразках n-InSb і в кремнієвих біполярних транзисторах. Також подано характеристики люмінесценції монокристалів p-Ge і p-Si в субміліметровій області довжин хвиль в умовах стримінгу.

У другому розділі розглянуто методики вимірювань та експериментальну установку для одночасного вимірювання розподілу електричного поля уздовж зразка і випромінювання гарячих носіїв в інфрачервоному діапазоні спектра.

Одночасне дослідження вольт-амперних характеристик зразків, розподілів електричного поля вздовж зразків за допомогою багатозондової системи й ІЧ випромінювання електронно-діркової плазми кристалів у діапазоні довжин хвиль = 1.65 - 10 мкм дозволило виділити процеси контактної ексклюзії, обернення напрямку біполярного дрейфу плазми й утворення автосолітона. Зразки Ge, Si, що досліджувались, мали розміри V=0,1_*0,05_*0,8 (см³), були орієнтовані уздовж <111>-або <100>-осі і поміщалися разом з багатозондовою голівкою в кріостат з рідким азотом. Електронно-діркова плазма з концентрацією до n=p~1_*10¹⁶ см^-3 фотогенерувалася однорідно уздовж широкої грані зразка одиночним імпульсом світла дзвоноподібної форми тривалістю ~ 230 мкс. Прямокутний імпульс напруги амплітудою до 300 В і тривалістю _U=10-250 мкс підводився до контактів зразка або одночасно з початком імпульсу світла, або з затримкою в часі - у момент насичення в максимумі інтенсивності світла. За допомогою запам'ятовуючих осцилографів реєструвалися сигнали імпульсів світла I(t), струму J(t), напруги U(t), випромінювання зі зразка IR(t) з фотоприймача, а також напруги з зондів, які подавались на диференціальні входи осцилографів, що дозволяло реєструвати локальні напруженості електричного поля в різних ділянках зразка й одержувати розподіл електричного поля уздовж кристалу в необхідні моменти часу. Ставлячи перед фотоприймачем різні фільтри, можна було визначити спектральний діапазон випромінювання "гарячих" носіїв і оцінити температуру плазми (вважаючи спектр випромінювання Планківським) при її розігріві електричним полем.

У даному розділі також описані технології виготовлення зразків, зондів та режими вимірювань.

У третьому розділі описані результати досліджень динаміки зміни температури електронно-діркової плазми по вимірюванню інфрачервоного випромінювання “гарячих” носіїв. Було проведене співставлення динаміки ІЧ світла “гарячих” носіїв з динамікою перебудови просторового розподілу напруженості електричного поля уздовж зразка в процесі розігріву фотогенерованої ЕДП електричним полем і при утворенні автосолітонів. Були оцінені величини температури “гарячих” носіїв при розігріві біполярної плазми і Джоулевого розігріву ґратки кристалу в області АС. Також у цьому розділі наводяться результати досліджень по розділенню перехідних процесів і стаціонарних станів у нерівноважній електронно-дірковій плазмі в кристалі, для чого були досліджені динамічні і, так звані, квазістаціонарні вольт-амперні характеристики (ВАХ) зразків.

Дослідження проводилися при температурі рідкого азоту на зразках чистого n-Ge (~40 Омсм, N_d~110¹³ см^-3), орієнтованих уздовж <100>- та <111>-осей. Інфрачервоне випромінювання “гарячих” носіїв фокусувалось на фотоприймач Ge+Au. Для виділення певної ділянки спектру випромінювання біполярної плазми використовувалися різні фільтри, які обмежували світло з боку довгих хвиль при =2.5, 4 і 6 мкм, відповідно. З боку коротких довжин хвиль ІЧ випромінювання зразка обрізалося за допомогою пластинки Ge (=1.65 мкм), встановленої перед кріостатом з фотоприймачем. Це дозволило відстежити динаміку зміни температури носіїв протягом імпульсу напруги. Одночасне вимірювання випромінювання “гарячих” носіїв і розподілу напруженості електричного поля вздовж зразка дозволили вивчити внесок трьох процесів у сигнал ІЧ світла.

Послідовне виникнення трьох явищ з ростом освітленості зразка: контактна ексклюзія (момент часу 0-t₂), обернення напрямку біполярного дрейфу ЕДП (t₂-t₃), утворення статичного АС (t₃-t₄). Форми імпульсів: а - світла I, струму J, напруги U; б - повного ІЧ випромінювання IR (=1.65-10 m) і пропущеного крізь фільтр IR_glass (=1.65-2 m); в - локальних напруженостей електричного поля в приконтактній області; г - розподіл напруженості електричного поля вздовж зразка в послідовні моменти часу, що відповідають трьом зазначеним вище процесам.

Першим процесом є контактна ексклюзія (момент часу 0-t₂), яка з зростанням освітленості супроводжується монотонним ростом струму J, напруженості поля поблизу контакту E_0-1 і ІЧ випромінювання в діапазоні 6-10 мкм (рис. 2). Явище ексклюзії пояснюється тим, що при біполярному дрейфі під дією прикладеного електричного поля електронно-діркова плазма зноситься до негативного контакту в напрямку дрейфу неосновних носіїв (у даному випадку - дірок). При цьому біля позитивного контакту утворюється область зі зниженою концентрацією плазми і високою напруженістю електричного поля, а в іншій частині зразка встановлюється висока концентрація плазми і низьке поле.

Другий процес - обернення напрямку біполярного дрейфу ЕДП (t₂-t₃) супроводжується різким зростанням струму J і сигналу ІЧ випромінювання в діапазоні 4,5-10 мкм, а також падінням напруженості поля в області ексклюзії E_0-1. Явище обернення напрямку біполярного дрейфу плазми [1, 2], зумовлене різною залежністю рухливостей електронів і дірок від їхньої температури. При деякій температурі носіїв, розігрітих електричним полем, над потоком плазми, пов'язаним з градієнтом концентрації носіїв і спрямованим до негативного контакту у бік дрейфу дірок, - як неосновних носіїв, починає переважати потік плазми, пов'язаний із градієнтом відношення рухливостей електронів і дірок, і який спрямований до позитивного контакту. При цьому в приконтактну область E_0-1 підвищеного поля і зменшеної концентрації носіїв приходять електрони і дірки з низькопольової (”холодної”), збагаченої носіями частини зразка E_1-2. Це значно збільшує число вільних носіїв в області ексклюзії, що дає сильніше зростання струму і сигналу IR випромінювання носіїв, хоча і веде до зниження напруженості поля.

Різке падіння поля Е_0-1(t) біля контакту, внаслідок обернення напрямку біполярного дрейфу плазми, призводить до зростання напруженості поля в іншій частині зразка, збагаченій носіями, і до створення там умов для виникнення автосолітона - третього процесу. При цьому повинні виконуватись критерії як по величині напруженості поля, так і по концентрації носіїв. Однак виникнення автосолітона може відбуватися і за відсутності обернення напрямку біполярного дрейфу ЕДП. Механізм утворення АС пов'язаний з виникненням позитивного зворотного зв'язку для наростання температури носіїв, розігрітих локально до температури Дебая (_D), при якій час енергетичної релаксації носіїв перестає зменшуватися, а при T > _D починає збільшуватися [3, 4]. Виникнення АС (t₃-t₄) призводить до падіння струму і його осциляцій, а також до сильного зростання електричного поля E_1-2 в області автосолітона і сигналу ІЧ випромінювання в діапазоні 1,65-2,5 мкм. Це дає можливість оцінити максимум температури електронів, яка приблизно дорівнює 1000 К. Поява піка на сигналі ІЧ випромінювання (IR_glass) через фільтр, що пропускає випромінювання найбільш гарячих носіїв ( < 2,5 мкм), пов'язана з виникненням АС у моменти t₃-t₄. Спад короткохвильового сигналу випромінювання IR_glass “гарячих” носіїв, у той час як загальний сигнал випромінювання IR і локальне електричне поле продовжують зростати, пов'язаний з переходом електронів із долин з легкою ефективною масою в долину з важкою ефективною масою, що проявляється в другому стрибку поля Е_1-2 в АС. Також спад сигналу IR_glass викликається “охолодженням” носіїв через сильний розігрів ґратки в області автосолітона, про що свідчить подальше зростання повного сигналу IR протягом часу існування АС.

Вольт-амперні характеристики і розподіли поля для зразків з орієнтацією поля вздовж <100>- та <111>-осей якісно збігалися. Квазістаціонарні ВАХ за формою були подібні динамічним ВАХ з відповідним збігом розподілів електричного поля.

Четвертий розділ присвячено вивченню впливу типу провідності напівпровідникового кристалу на умови виникнення й особливості поведінки високопольових автосолітонів, а також перевірці для кристалів p-Ge, прийнятого раніше для n-Ge, механізму утворення високопольових автосолітонів. До того ж у розділі наведено результати досліджень впливу багатодолинної структури енергетичних зон і типу електричних контактів на поведінку автосолітона. Вимірювання проводилися на зразках чистого p-Ge ( ~ 40 Omcm), з напрямком електричного поля уздовж <111>-осі при Т=77 К.

Стаціонарні ВАХ (отримані за допомогою прямокутних імпульсів напруги) та динамічні ВАХ освітлених зразків із двома p⁺-p контактами або обома n-p контактами мають ділянки слабкого зростання, ступінчатого зростання і ділянки насичення (або його N-подібної залежності), що слідують одна за одною із зростанням напруги. Розподіли електричного поля вздовж зразка й ІЧ випромінювання показали, що початкова ділянка слабкого росту ВАХ в зразках першого типу характеризує процес контактної ексклюзії ЕДП біля негативного контакту (рис. 3, E_0-1(t) і E(x,t₁)) і накопичення плазми - біля позитивного. В зразках другого типу спостерігали інжекцію ЕДП з негативного контакту і запирання біля позитивного переходу (рис. 4, E_0-1(t), E_16-17(t) і E(x,t₁)).

Ділянки крутого наростання ВАХ у зразках з p⁺- p контактами (рис. 3 - J(t)), так як і для n-Ge, зумовлені оберненням напрямку біполярного дрейфу ЕДП в області ексклюзії біля негативного контакту. Ділянки різкого зростання струму на ВАХ у зразках з n - p контактами пов'язані з заливанням фотогенерованою і інжектованою плазмою запорного переходу - J(t), Е_16-17(t)).

Ділянки насичення ВАХ (або N-подібні) в зразках обох типів зумовлені утворенням високопольових автосолітонів, що характеризуються високою температурою і зменшеною концентрацією носіїв. В цих умовах параметри ЕДП задовольняють вимогам теорії [3, 4] для утворення термодифузійних автосолітонів. При невисоких величинах концентрації ЕДП і прикладеної напруги в області ексклюзії біля негативного p⁺-p контакту стрибком формується один або відразу два статичних АС. У зразку з двома n-p контактами один статичний автосолітон високої амплітуди утворюється поблизу негативного інжектуючого контакту (рис. 4, Е_АС1 = Е_1-2 ~ 3300 В/см), і другий АС меншої амплітуди виникає поблизу позитивного контакту (Е_АС2 = Е_15-16 ~ 1600 В/см), після того як відбулося заливання фотогенерованою плазмою позитивного запорного переходу. Завдяки відсутності області ексклюзії в цих зразках струми, що протікають через них, значно вищі, ніж у зразках з p+-p контактами, а виникнення АС викликає значне зменшення струму (у 1,5-2 рази).

Динаміка наростання поля в першому АС поблизу негативного n - p контакту має трьохступінчатий характер. Перша стадія формування АС пов'язана із власним механізмом його утворення. Другий стрибок поля в автосолітоні у зразках Ge з кристалографічним напрямком поля вздовж <111>-осі, що відповідає великій осі енергетичної долини (і великій ефективній масі електронів), пояснюється переходом електронів у сильному електричному полі АС із долин з легкою ефективною масою в одну долину з важкою ефективною масою електронів. Третій стрибок зростання поля в АС пов'язаний із закиданням електронів у сильному полі АС у вищу Х-долину. Міждолинні переходи електронів також підтверджуються характером поведінки інфрачервоного випромінювання “гарячих” носіїв. Наростання поля в другому АС поблизу позитивного контакту має одноступінчастий характер і проходить через пульсуючі стани. Визначаючи з осцилограм поля Е_2-3(t₂) час входження АС в міжзондовий проміжок та знаючи міжзондову відстань можна оцінити ширину АС (~ 4,510^-3 см), його швидкість (v_АС ~ 9_*10³ см/сек) та середню напруженість поля в ньому (~ 2010³ В/см). З огляду на дзвоноподібний розподіл напруженості поля в АС, імовірно, що у максимумі вона ще вища. Оцінка температури носіїв в АС з врахуванням отриманих сигналів ІЧ світла і спектра чутливості фотоприймача дає температуру електронів, які вносять основну частку в сигнал випромінювання “гарячих” носіїв, ~ 1000 К

При високих рівнях розігріву носіїв в зразках c p⁺ - p контактами виникав турбулентний стан ЕДП, коли АС хаотично виникають і зникають на різних ділянках зразка. В деяких зразках з p⁺-p контактами утворювався АС великої амплітуди (Е_АС 10 кВ/см), в області якого спостерігався короткочасний спад поля, який супроводжувався значним зростанням струму і сигналу ІЧ випромінювання зі зразка, після чого поле знову поверталось до попереднього значення . Це пов'язано з міжзонним пробоєм в області високопольового АС. З ростом концентрації ЕДП його ширина зменшується через зменшення швидкості біполярного дрейфу плазми, поле в ньому зростає і енергія носіїв перевищує 1 еВ.

Показано, що умови, які необхідні для виникнення автосолітона, виконуються в експериментах: 1) / << 1 або l / L << 1 ( ~ 1 10^-11 c та l ~ 1 10^-5 см - час і довжина релаксації енергії частинок; ~ (1 - 5) 10^-6 c - час життя носіїв і L ~ 1 10^-2 см - довжина біполярної дифузії носіїв); 2) умова + s > - 1 - забезпечує позитивний зворотній зв'язок для зростання температури носіїв і виконується в полі Е 800 В/см, _p ~ (T_e) і = dln(_p)/dln(T_e), ~ (T_e)^s і s = dln()/dln(T_e), _p - час релаксації імпульсу частинок; 3) виконується співвідношення _p(~ 1 10^-13 с) << _ee (~ 1 10^-12 с) << (~ 110^-11 с), яке забезпечує режим енерегетичного контролю для носіїв і формування АС у вигляді поперечної страти, _ee - час електрон-електронних зіткнень.

Утворення біжучого високопольового автосолітона з трьохступінчатим наростанням напруженості поля біля інжектуючого негативного контакту та статичного автосолітона з проміжною пульсуючою стадією поблизу позитивного контакту. Зразок з n-p контактами. Показано форми імпульсів напруги U(t), світла - І, струму - J та розподіл напруженості поля до і після виникнення автосолітона - E(x,t₁), E(x,t₂), E(x,t₃).

В п'ятому розділі подано результати досліджень фотогенерованої електронно-діркової плазми, розігрітої електричним полем, та досліджено умови виникнення автосолітонів у кристалах Si. Можливість виникнення АС у біполярній плазмі в зразках Si передбачена в роботі [5]. Оскільки в германії та кремнії характери поведінки часу енергетичної релаксації носіїв подібні при температурі плазми вищій за температуру Дебая, то природно припустити, що в Si можливе виникнення АС з таким же механізмом утворення, що й у Ge. Однак температура Дебая в Si, до якої, відповідно до теорії [3, 4], прив'язується нелінійний механізм утворення високопольових автосолітонів, значно вища (~ 730 К), а рухливості носіїв у Si набагато нижчі, ніж у Ge. Усе це повинно утруднити можливість виникнення АС у Si.

Зразки вирізали у формі прямокутників з розмірами (0.05 0.1 0.9) cm³ з високоомного p-Si (~3500 Om_*cm). У протилежні менші торці зразка впалювались p⁺-p контакти з Al. Електричне поле було орієнтоване уздовж <100>-осі. Виміри проводилися при T=77 K. Одиночний імпульс напруги U прямокутної або пилкоподібної форми з довжиною _U=0.01-1 мс і амплітудою до 300 В прикладався до контактів зразка в момент часу, коли інтенсивність I світлового імпульсу досягала насичення (рис. 5, а). Такий режим дозволяв одержувати або квазістаціонарну, або динамічну вольт-амперну характеристику при незмінному освітленні кристалу, а разом з дослідженням розподілу електричного поля уздовж зразка це дало змогу визначати граничні значення напруги, при яких з'являються нелінійності ВАХ і автосолітони. Щоб уникнути значного Джоулевого розігріву зразка використовувався режим з одиночним імпульсом напруги. Середній по зразку розігрів протягом імпульсу струму не перевищував T=10-20 K.

Як і в кристалах Ge, в зразках Si спостерігалось три явища, що послідовно виникають з ростом прикладеної до зразка напруги, яким відповідали різні ділянки ВАХ: 1) контактна ексклюзія - характеризується появою області високого поля біля негативного контакту Е_0-1 і відображається початковою ділянкою (І) монотонного зростання ВАХ обернення напрямку біполярного дрейфу ЕДП веде до появи ділянок ВАХ у вигляді крутого зростання струму (ІІ, IV) і різкого падіння поля Е_0-1 в області ексклюзії виникнення ряду високопольових статичних АС уздовж зразка супроводжується появою N-подібних ділянок ВАХ (III, V) у вигляді падіння струму та зростанням локальних полів Е_2-3, Е_8-9, Е_13-14 до 2000-6000 В/см. АС мають ширину L_АС=0,1-0,3 мм і відстань між ними ~ 1 - 1.5мм, тобто, порядку довжини біполярної дифузії. У зразках Si з кристалографічним напрямком поля уздовж <100>-осі, що відповідає великій осі енергетичної долини (і великій ефективній масі електронів), спостерігалося багатоступінчасте зростання поля в автосолітоні внаслідок міждолинних переходів електронів в сильному полі автосолітона подібно тому, що спостерігалося в зразках Ge. Оцінена температура електронів в АС досягає Т_е~1000 К. Висока температура носіїв, в основному, і визначає високе поле в автосолітоні. Механізм утворення АС у зразках p-Si пов'язаний, як і в досліджуваних раніше зразках n-Ge, з виникненням позитивного зворотного зв'язку для наростання температури носіїв, розігрітих локально до температури Дебая (_D), при якій час енергетичної релаксації носіїв перестає зменшуватися і при T > _D збільшується.

Осцилограми струму J, локальних полів E_0-1(t) - E_14-15(t) у зразку, що відображають процеси ексклюзії (I), обернення напрямку біполярного дрейфу ЕДП (II, IV) й утворення термодифузійних АС (III, V) з ростом прикладеної напруги (U) при незмінній освітленості зразка (I=const).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Досліджено процеси, що відбуваються в електронно-дірковій плазмі в кристалах германію та кремнію при її розігріві електричним полем. Вивчено утворення в такій плазмі за рахунок процесів самовпорядкування просторово-неоднорідних структур - термодифузійних автосолітонів та їх властивості.

Основні результати роботи:

Встановлена кореляція поведінки електронної температури і величини електричного поля в автосолітоні. На основі вимірювань інфрачервоного випромінювання “гарячих” носіїв і оцінки їх температури підтверджений механізм утворення автосолітонів в нерівноважній електронно-дірковій плазмі. Механізм був запропонований теоретично і пов'язаний з розігрівом носіїв до температури Дебая та зміною за рахунок цього поведінки часу їх енергетичної релаксації.

Показано, що температура носіїв в автосолітоні досягає 1000 К і вище.

Показано, що перерозподіл “гарячих” електронів між еквівалентними долинами та їх перехід у вищележачу по енергії долину веде до уповільнення розігріву електронів, що проявляється в трьохступінчастому наростанні електричного поля в автосолітоні.

Показано, що утворення автосолітона в плазмі в кристалах p- і n-типу відбувається однаковим чином.

Показано, що змінюючи властивості приконтактних областей можна впливати на місце зародження автосолітона в кристалі і на напрямок біполярного дрейфу в кристалі.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В СТАТТЯХ

О.Г. Сарбей, М.М. Винославський, А.В. Кравченко. Автосолітони в нерівноважній біполярній плазмі багатодолинного напівпровідника. УФЖ, т. 44, № 1-2, с. 190-196 (1999).

М.Н. Винославский, А.В. Кравченко, Излучение горячих носителей при образовании высокополевых автосолитонов в электронно-дырочной плазме n-Ge, ФТП, т. 35, вып. 4, с. 390-395 (2001).

M. Vinoslavskiy, A. Kravchenko and V. Annin. High-field autosolitons in photogenerated electron-hole plasma in p-Si. J.Phys.: Condens. Matter 13, pp. 11623-11632 (2001).

М.Н. Винославский, А.В. Кравченко. Высокополевые автосолитоны в фотогенерированной электронно-дырочной плазме p-Si. Известия Академии Наук. Серия физическая, т. 66, № 2, с. 227-230 (2002).

М.Н. Винославский, А.В. Кравченко. Высокополевые автосолитоны в электронно-дырочной плазме p-Ge. ЖЭТФ т. 124, вып. 1 (7), с. 180-193 (2003).

АНОТАЦІЇ

Кравченко А.В. Експериментальні дослідження високопольових автосолітонів в нерівноважній електронно-дірковій плазмі в кристалах Ge та Si. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню процесів, які відбуваються в електронно-дірковій плазмі при її розігріві сильним електричним полем, в тому числі і процесів самоорганізації. Для проведення досліджень була створена оригінальна експериментальна установка для одночасного вимірювання розподілу електричного поля вздовж зразка і випромінювання "гарячих" носіїв в інфрачервоному діапазоні спектра. Вимірюваннями інфрачервоного випромінювання "гарячих" електронів експериментально підтверджений, запропонований раніше теоретично, механізм утворення термодифузійних автосолітонів, який пов'язаний з розігрівом плазми електричним полем вище температури Дебая . Встановлено, що температура носіїв в автосолітоні досягає 1000 К і вище. Показано, що утворення автосолітона в плазмі в кристалах p- і n-типу відбувається однаковим чином. Досліджено вплив міждолинного перерозподілу "гарячих" електронів на утворення автосолітона. Встановлено, що внаслідок такого перерозподілу, тобто, через вплив зонної структури кристалу, процес утворення автосолітона стає багатоступінчатим.

Ключові слова: високопольові термодифузійні автосолітони, електронно-діркова плазма, міждолинний перерозподіл електронів, інфрачервоне випромінювання, "гарячі" носії, електричне поле.

Кравченко А.В. Экспериментальные исследования высокополевых автосолитонов в неравновесной электронно-дырочной плазме в кристаллах Ge и Si. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твёрдого тела. - Институт физики НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию процессов, происходящих в электронно-дырочной плазме при ее разогреве сильным электрическим полем, в том числе и процессов самоорганизации. Для проведения исследований была созданная оригинальная экспериментальная установка для одновременного измерения распределения электрического поля вдоль образца и излучения "горячих" носителей в инфракрасном (=1.65 - 10 мкм) диапазоне спектра.

В диссертации на основе измерения инфракрасного излучения “горячих” электронов подтвержден, предложенный ранее теоретически, механизм образования термодиффузионных автосолитонов, связанный с разогревом плазмы электрическим полем выше температуры Дебая. Выявлены и исследованы высокополевые автосолитоны в электронно-дырочной плазме в кристаллах p-Ge и p-Si в греющих электрических полях. В образцах p-Ge получены статические, движущиеся и пульсирующие автосолитоны, а также турбулентное состояние плзазмы, когда АС хаотически возникают и исчезают в разных участках образца. В кристаллах p-Si автосолитоны возникали в виде статического ряда. Достигнуты значения поля в автосолитоне Е_АС 2·10⁴ В/см и энергии носителей в АС более чем 1 ЭВ, при которых происходил межзонний пробой.

Установлена корреляция поведения электронной температуры и величины электрического поля при эксклюзии, обращении направления биполярного дрейфа ЭДП, при образовании и эволюции автосолитона. Оценка температуры носителей в высокополевом АС, полученная из оптических измерений, совпадает с теоретической оценкой, и составляет ~ 1000 К и выше.

Показано, что образование автосолитона в плазме в кристаллах p- и n-типа происходит одинаковым образом. Также установлено, что, изменяя свойства приконтактных областей, т.е. тип электрических контактов, можно влиять на место зарождения автосолитона в кристалле и на направление биполярного дрейфа плазмы

Исследовано влияние междолинного перераспределения горячих электронов на образование автосолитона в кристаллах Ge и Si . Установлено, что вследствие такого перераспределения, т.е. из-за влияния зонной структуры кристалла, в образцах Ge процесс образования автосолитона становится многоступенчатым. Первый скачок локального электрического поля до высокой величины (Е_АС 1000 В/см) при формировании высокополевого автосолитона связан с изменением вида зависимости времени релаксации энергии электронов от их температуры с падающей на растущую вблизи температуры Дебая, которая достигается, согласно расчетам, в поле Е ~ 1300 В/см, т.е. связан с самим механизмом образования автосолитона. Второй скачок нарастания поля при образовании АС большой амплитуды связан с междолинным переходом электронов между эквивалентными долинами. Под действием высокого поля автосолитона электроны переходят из долин с малой эффективной массой в долину с большой эффективной массой. Это приводит к уменьшению подвижности электронов и увеличению напряженности поля в области АС. Спад коротковолнового сигнала излучения “горячих” носителей, в то время как общий сигнал излучения и локальное электрическое поле продолжают возрастать, подтверждает междолинное перезаселение электронов. Третий скачок нарастания поля в АС связан с забросом электронов в сильном поле АС (Е_АС > 5000 В/см) в более высоколежащую X-долину. В образцах Si также наблюдалось многоступенчатое наростание поля в автосолитоне, подобно тому, как это наблюдалось в образцах Ge.

Ключевые слова: высокополевые термодиффузионные автосолитоны, электронно-дырочная плазма, междолинное перераспределение электронов, инфракрасное излучение, "горячие" носители, электрическое поле.

Kravchenko A.V. Experimental investigations of high-field autosolitons in non-equilibrium electron-hole plasma in Ge and Si crystals. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences, speciality 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Physics National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The thesis deals with experimental studies of processes in the electron-hole plasma, under heating by strong electric field including the self-organization processes. In order to carry out experimental investigations the unique set-up has been constructed which enabled to make simultaneous measurements of the electric field distribution along a sample and electromagnetic radiation of the “hot” carriers in the infrared spectral range. The experimental evidences proving universal nature of the mechanism of thermodiffusion autosoliton formation due to plasma heating by the electric field, which was proposed earlier, have been presented. It is found, that the carriers temperature in autosoliton reaches 1000 K or even higher. It is shown that an autosoliton formation in plasma of crystals both of the p- and n- type performs by the same manner. The influence of the intervalley redistribution of “hot” carriers on the autosoliton formation has been studied. It is show that this redistribution which is due to many-valley band structure causes multi-step soliton formation.

Keywords: high-field thermodiffusive autosolitons, electron-hole plasma,intervalley electron redistribution, infrared radiation, "hot" carriers, electric field.

Размещено на Allbest.ru