Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современной техники немыслимо без роведения широких научно-исследовательских работ в области разра-отки. производства и применения новых полупроводниковых материалов, связи с постоянно возрастающим уровнем миниатюризации полупровод-иковых приборов для нх производства могут быть использованы только е материалы, в которых очень точно выдержано требуемое лростран-гвенное распределение свойств. Повышение требований к исходным мате-иалам стимулирует развитие экспериментальных методов анализа, а также іатематического аппарата для обработки экспериментальных данных.
Математический аппарат, применяемый для интерпретации экспери-іент&іьньїх данных, должен обеспечивать максимально возможное оличество интересующей информации при минимальной вероятности ее скаження, для чего необходимо разрабатывать методики, объединяющие в ебе наиболее адекватную модель описания физической картины заимодействия и современные математические методы. Кроме того на сновании такой методики должен быть создан программный пакет для нгерпретации результатов измерений, применимый для широкого класса іатериалов и физических процессов, протекающих в них.
Диссертационная работа направлена на создание такого аппарата и зучение на его основе физико-химических и оптических свойств реальных о іупроводннковьіх материалов.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы -азработка и программная реализация основанного на генетическом лгоритме математического подхода к исследованию физико-химических и лшческих свойств полупроводниковых соединений и изучение с его омощью колебаний атомов в кристаллической решетке, ближнего юрялка, локальных фазовых переходов и поведения дефектов в таких ажных для оптоэлектроники и инфракрасной техники полупроводниках, ак твердые растворы теллуридов кадмия-ртути и кадмия-цинка, а также еллурида свинца, легированного галлием.
В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие адачи:
- выбор и разработка теоретических моделей для описания жзической природы процессов взаимодействия инфракрасного
злектромагнитного излучения с электронной и фононной подсистема полупроводника;
разработка комплексного подхода для интерпретации спектр инфракрасного отражения;
выбор и усовершенствование математических методов, с помощ которых реализуется этот подход;
разработка и введение в генетический алгоритм двух принципиаль новых операций, носящих названия "построение расширенной популяциі и "глобальная мутация", позволяющих улучшить работу генетическс алгоритма;
создание пакета программ, в основе которого лежат выбрани методы;
исследование фононных колебательных мод, ближнего поряді локальных искажений структуры в твердых растворах теллуридов кадмі ртути и кадмля-цннка при изменении состава;
исследование свойств электронной и фононной подсистс энергетического состояния, а также локальных колебаний введены примеси и структурной перестройки решетки теллурида свині легированного галлием, в области дефекта.
Научная новизна:
Предложена модификация модели гармонических осцилляторов д описания спектральной зависимости функций диэлектрического откли кристалла.
Впервые получены решения задач оптимизации- в области инфг. красной спектроскопии с применением генетического алгоритма.
Разработаны две новые модификации генетического алгоритм основанные на глобальных мутациях и варьировании численное популяции.
Предложен гибридный алгоритм поиска экстремума функш нескольких переменных, скоррелированных неявным образом, сочетающі случайный поиск, генетический алгоритм и покоординатный спус позволяющий максимально использовать достоинства каждого перечисленных методов.
На основе комбинированного подхода выполнено полное иесг доваиие дисперсии сил осцилляторов решеточных мод Cdi jZn,Te с учете пространственного распределения атомов, образующих твердый раство по элементарным ячейкам.
На базе теоретической модели однородных ячеечных смещений проведен расчет положений фононных мод в зависимости от состава для материалов Cdi.»Zn»Te и CdxHgi.»Te.
Установлено, что в Cdi.,Zn»Te при составах х * 0,045 наблюдается аномальное отклонение значений сил осцилляторов от» теоретически рассчитаных для случая статистически равномерного распределения атомов в кристалле и предложено теоретическое обоснование этого эффекта.
С помощью гибридного алгоритма идентифицированы и описаны локальные колебания примесных атомов галлия в материале РЬТе.
Практическая значимость, В диссертационной работе получены важные сведения о физических явлениях в реальных полупроводниковых твердых растворах Cdi.,Zn«Te, CdxHgi.«Te и PbTe(Ga). С их помощью определено влияние изменения температуры, состава и уровня легирования на структурные и оптические свойства этих твердых растворов.
Выявленные закономерности могут быть использованы при изготовлении приборов и устройств на основе этих материалов: инфракрасных детекторов для окна прозрачности атмосферы, компьютерных томографов, приборов ночного видения, инфракрасных прицелов, высокоэффективных детекторов большой площади для регистрации гамма-излучения, детекторов излучения слабо светящихся объектов, а также в технологических процессах выращивания эпитаксиальных структур.
Разработан программный пакет для минимизации функций многих переменных, ^коррелированных неявным образом, легко модифицируемый для конкретных прикладных задач. Программно реализована модификация этого пакета для интерпретации спектров инфракрасного отражения.
Положения, выносимые на защиту:
І.Две новые модификации генетического алгоритма: "выбор из расширенной популяции" и "глобальная мутация". Смысл использования расширенной популяции заключается в усилении обмена генетическим материалом и минимизации вероятности потери полезных строительных блохов. Глобальная мутация позволяет получать новые, ранее отсутствовавшие полезные гены при нулевой вероятности разрушить г-старые полезные строительные блоки.
2. Гибридный алгоритм поиска экстремума функций нескольких переменных, осоррелированных неявным образом, сочетающий случайный поиск, генетический алгоритм и покоординатный спуск, позволяющий максимально использовать достоиьства каждого из перечисленных методов.
-
Идентификация и описание локальных колебаний типа Ga+ и Ga (по отношению к решетке) в PbTe(Ga).
-
Соотношения для дисперсии сил осцилляторов решеточных мод полупроводниковых материалов Cd|.*ZnxTe и CdxHgi-xTe с учетом пространственного распределения атомов, образующих твердый раствор, по элементарным ячейкам.
-
В твердых растворах CdxHgi-xTe реализуется статистическое распределение катионов по подрешетке, поскольку фононные частоты, теоретически рассчитанные по модифицированной модели однородных ячеечных смещений в приближении статистического распределения катионов, очень хорошо согласуются с экспериментальными результатами.
-
В твердых растворах Cdi-xZnxTe при составах х * 0,045 обнаружено аномальное отклонение значений сил осцилляторов от теоретически рассчитанных для случая статистически равномерного распределения атомов в кристалле. Отклонение связано с изменением локальной симметрии кристаллов в области центров типа Те-р+-Те.
-
Метод подгонки экспериментальных спектров инфракрасного отражения теоретическими спектральными зависимостями (основанными на модели гармонических осцилляторов и модифицированной модели гармонических осцилляторов), основанный на сочетании дисперсионного анализа и анализа Крамерса - Кронига.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на следующих конференциях и семинарах:
Международная конференция по оптической диагностике материалов и приборов опто- микро- и квантовой электроники ( Киев, Украина, 1995 ). Седьмая международная конференция по изучению полупроводниковых материалов AJB* и приборов на их основе ( Эдинбург, Великобритания, 1995 ). Европейский семинар по инфракрасной спектроскопии ( Франция, 1995 ). Международная конференция по полупроводникам ( Бухарест, Румыния, 1996 ). XXIII Европейский Конгресс по молекулярной спектроскопии ( Венгрия, 1996 ). Международная конференция по новейшим материалам оптики и оптоэлектроники (Прага, Чехия, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 185 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 175 наименований.
