Введение к работе
Актуальность темы. Одним из перспективных направлений физики твердого тела является акустооптика, изучающая взаимодействие акустических и электромагнитных волн в среде Монокристаллы арсенида галлия, благодаря уникальному сочетанию электрических, оптических и акустических свойств, являются важным объектом для подобных исследований, так как позволяют создавать устройства, основанные как на влиянии оптического излучения на акустические характеристики среды, так и на влиянии интенсивного звука на оптические свойства Явления акустоопти-ки в пьезополупроводниках, к которым относится арсенид галлия, могут быть использованы как для цели диагностики физических свойств материалов, так и для создания различных акустоэлектронных устройств, находящих все более широкое применение на практике
Взаимосвязь оптических, электрических и акустических свойств наиболее сильно проявляется в высокоомных пьезополупроводниках, к числу которых относится монокристаллический арсенид галлия, получаемый путем легирования примесями переходных металлов Из этого примесного ряда следует выделить примеси хрома и железа, которые создают одни из самых глубоко лежащих компенсирующих примесных уровней, что предопределяет широкое применение данных примесей при создании полуизолирующих подложек из арсенида галлия
Результаты акустических исследований высокоомных пьезополу-проводников группы А3В5 за последние двадцать лет показывают, что оптическое облучение может существенно изменять упругие и неупругие характеристики материала Однако при этом недостаточное внимание было уделено изучению возможности оптического индуцирования акустических волн с использованием пьезоэлектрической связи между объемной фото-э д с и механическими свойствами таких кристаллов, в то время как выяснение физических механизмов таких процессов представляется важным как с научной точки зрения, так и для создания новых методов исследования свойств полупроводников, а также технических устройств, основанных на преобразовании оптической энергии в механические колебания или импульсы электродвижущей силы
Диссертация выполнена на кафедре полупроводниковой электроники Воронежского государственного технического университета в рамках госбюджетной программы ГБ-04 34 «Исследование полупроводниковых материалов (Si, А3В5 и др), приборов и технологии их изготовления», номер гос регистрации 0120 0412888, НИР «Университеты России» 1886-04
Целью работы являлось исследование закономерностей взаимосвязи объемной фото-э дев высокоомных монокристаллах арсенида галлия с их пьезолектрическими свойствами и выявление механизмов им-
пульсного оптического индуцирования упругих колебаний и фотопьезо-э д с в высокоомных льезополупроводниках
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи
Установление характера взаимосвязи между фотоэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами монокристаллов арсенида галлия, легированных примесями хрома или железа
Экспериментальное изучение эффекта оптического индуцирования изгибных и продольных резонансных упругих колебаний в образцах арсенида галлия с примесями хрома или железа
Разработка физической модели механизма фотопьезоэлектрического индуцирования упругих колебаний в высокоомных монокристаллах арсенида галлия
Выявление физических условий максимальной эффективности преобразования энергии оптических импульсов в энергию упругих колебаний и фотопьезо-э д с в высокоомных пластинах арсенида галлия
Разработка вариантов практического использования эффекта фотопьезоэлектрического индуцирования механических колебаний и фотопьезо-э дев высокоомных монокристаллах арсенида галлия
Объекты и методы исследований. Объектами исследования служили монокристаллические пластины высокоомного арсенида галлия, легированного примесями хрома или железа
При проведении исследований использовались следующие методы метод внутреннего трения, импульсного оптического индуцирования упругих колебаний в монокристаллах, метод фотопроводимости, метод эффекта Холла, измерения фотопьезо-э дев полупроводниковых пластинах
Научная новизна работы заключается в следующем.
Впервые обнаружен и исследован эффект фотопьезоэлектрического индуцирования упругих колебаний в высокоомных монокристаллах арсенида галлия
Установлено, что максимальная амплитуда индуцируемых световыми импульсами упругих колебаний в монокристаллах арсенида галлия наблюдается в температурном интервале, где внутреннее трение и электропроводность материала имеют малые значения
Уменьшение амплитуды индуцируемых световыми импульсами упругих колебаний объясняется в низкотемпературной области — их демпфированием за счет акустоэлектронной релаксации, порождаемой знакопеременным пьезоэлектрическим полем, а в высокотемпературной области -экранированием фото-э д с за счет возрастания проводимости кристалла, вследствие термической активации глубоких примесных уровней
Предложена физическая модель механизма фотопьезоэлектрического индуцирования упругих колебаний в высокоомных монокристаллах арсенида галлия В соответствии с этой моделью импульсное оптическое
облучение полупроводника порождает переменную по величине объемную фото-э д с , которая через обратный пьезоэлектрический эффект вызывает упругие колебания в пьезоактивном направлении кристалла
5 Выявлена физическая природа фотопьезо-э дев высокоомных пластинах арсенида галлия, состоящая в следующем Импульсное оптическое облучение пластины пьезоактивного среза порождает переменную по величине объемную фото-э д с, которая через обратный пьезоэлектрический эффект вызывает продольные резонансные механические колебания Переменная деформация растяжения-сжатия пластины вдоль пьезоактивного направления приводит к возникновению импульсов э д с на ее противоположных поверхностях
Научная и практическая значимость полученных результатов состоит в следующем
Обнаружен и исследован эффект фотопьезоэлектрического индуцирования упругих колебаний в высокоомных монокристаллах арсенида галлия Предложена физическая модель, учитывающая взаимосвязь фото-э д с с пьезоэлектрическими характеристиками материала Это позволило расширить научные представления об оптоакустических процессах в пьезоэлектрических полупроводниках
Разработаны физические основы фотопьезоэлектрического возбуждения изгибных и продольных резонансных механических колебаний пластин пьезополупроводников
Предложены физические принципы новых методов определения физичекич параметров пьезополупроводников и технических устройств, основанных на эффекте фотопьезоиндукции
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1 Собственное импульсное оптическое облучение монокристалли
ческих пластин высокоомного арсенида галлия пьезоактивной ориентации
вызывает резонансные изгибные колебания при совпадении частоты моду
ляции света с частотой изгибной моды пластины
2 Максимальная амплитуда возбуждаемых световыми импульсами
изгибных колебаний наблюдается в интервале температур, где одновре
менно имеют место малые значения внутреннего трения и электропровод
ности кристалла Уменьшение амплитуды возбуждаемых колебаний в низ
котемпературной области максимума объясняется их демпфированием в
результате акустоэлектроннои релаксации, связанной со знакопеременным
пьезоэлектрическим полем, а в высокотемпературной области — экраниро
ванием фото-э д с за счет возрастания проводимости кристалла вследствие
термической активации глубоких примесных центров
3 Механизм фотопьезоэлектрического индуцирования упругих
колебаний в высокоомных монокристаллах арсенида галлия Импульсное
оптическое облучение полупроводника порождает переменную по величине
объемную фото-э д с , которая через обратный пьезоэлектрический эффект вызывает упругие колебания в пьезоактивном направлении кристалла
4 Импульсное оптическое облучение монокристаллических пла
стин высокоомного арсенида галлия индуцирует импульсы электродвижу
щей силы на пьезоактивных гранях пластины при совпадении частоты мо
дуляции света с резонансной частотой продольных механических колеба
ний
5 Механизм возникновения фотопьезо-э дев высокоомных моно
кристаллах арсенида галлия состоит в следующем Импульсное оптическое
облучение пластин пьезоактивного среза порождает переменную по вели
чине объемную фото-э д с, которая через обратный пьезоэлектрический
эффект вызывает упругие колебания на частоте продольного механического
резонанса При этом переменная деформация растяжения-сжатия пластины
вдоль пьезоактивного направления приводит к возникновению импульсов
э д с на ее противоположных поверхностях за счет поперечного пьезоэф-
фекта
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на XXI Международной конференции «Нелинейные процессы в твердых телах» (Воронеж, 2004), Всероссийской научно-практической конференции «Охрана, безопасность и связь» (Воронеж, 2005), Международной научной конференции «ФТТ-2005 Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 2005); VII-й Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация ИКИ-2006» (Барнаул, 2006), Международной конференции «Структурная релаксация в твердых телах» (Винница, 2006), VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2006), VIII Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2006), 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 2006), а также научных семинарах кафедры полупроводниковой электроники Воронежского государственного технического университета Автором получены Грамота открытого конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов в рамках основных научных направлений Воронежского государственного технического университета за научную работу в рамках направления «Материаловедение функциональных и конструкционных материалов» (Воронеж, 2005), Диплом III степени 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, МИЭТ, 2006), Благодарность за участие в Региональной общественной премии «Золотой лев» (Воронеж, 2006)
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ
В работах опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата лично соискателем выполнены в [1, 2, 4, 6, 8-11] - работы по разработке физической модели эффекта фотопьезоиндукции, в [3, 5, 7, 12] -предложены физические принципы новых методов определения параметров высокоомных пьезополупроводников и технических устройств, основанных на преобразовании энергии оптических импульсов в энергию упругих колебаний и фотопьезо-э д с
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 101 наименования Работа содержит 124 страницы, включая 39 рисунков, 2 таблицы
