Введение к работе
Актуальность теыы. Проблема изучения теплоотвода при низких температурах в кристаллах полупроводников и диэлектриков непосредственно связана с изучением режимов распространения акустических фононов. При низких температурах весьма распространенной является ситуация, когда фононная система в кристалле оказывается существенно неравновесной, иными словами, когда функция распределения фононов сильно отличается от планковской. Какой именно режим распространения неравновеишх акустических фононов установится (баллистический, диффузионный, нелокальной теплопроводности и т.д.) - зависит от того, как происходят процессы упругого и неупругого рассеяния фононов [1].
Однако представления об указанных процессах рассеяния, их температурной зависимости, а также влияния на них реальных параметров кристалла, его анизотропии, далеко не полны, хотя они крайне необходимы для корректного описания разнообразных неравновесных процессов - в том числе и теплоотвода.
Весьма информативной (о точки зрения получения данных о процессах рассеяния) является методика тепловых импульсов (ТИ) [2). Сущность методики ТИ состоит в том, что на одной из граней исследуемого кристалла создается (например, фотовозбуждением поверхности) фононная неравновесность. Поток неравновесных акустических фононов различных энергий и поляризаций распространяется по кристаллу и может оыть зарегистрирован детектором на другой грани.
Техника ТИ дает возможность получать информацию о временах жизни относительно фонон-фононного взаимодействия, Бременах свободного пробега относительно упругого рассеяния в зависимости от частоты и поляризации фононов.
В качестве детекторов неравновесных акустических фононов в методике ТИ часто используются болометры на основе классических сверхпроводников. Однако применение детекторов на основе классических сверхпроводников с температурой перехода в сверхпроводящее состояние в области жидкого гелия не позволяет регистрировать тепловые импульсы в широком интервале температур. Кроме того, из-за узости динамического диапазона таких
детекторов (у болометрического детектора динамический диапазон определяется шириной перехода в сверхпроводящее состояние и составляет десятые доли градуса), невозможно исследование тепловых импульсов при высоких уровнях возбуждения. Но именно высокие уровни возбуждения и представляют интерес, поскольку при высоких уровнях возбуждения интенсивно идут процессы слияния фононов и возможно образование области в кристалле, в которой может устанавливаться "локальная температура", так называемое "горячее пятно" (ГП) [3].
После открытия Беднорцем и Мюллером высокотемпературной сверхпроводимости появилась принципиальная возможность снять ограничения методики тепловых импульсов по температуре эксперимента и уровням возбуждения. Используя детекторы на основе ВТСП (в первую очередь YBaCuO) можно исследовать тепловые импульсы в интервале температур от жидкого гелия до жидкого азота [41.
К сожалению, в процессе развития технологии получения ВТСП на таком,- интересном с практической точки зрения, материале как кремний, стало ясно, что поскольку структурные характеристики кремния и YBaCuO существенно различаются, технология роста пленок ВТСП 'должна была включать в себя формирование буферного слоя на границе ВТОП/Si, который также защищает от Езаимодиффузии.
На момент начала работы не было практически никаких данных о влиянии переходного слоя на временные характеристики болометрического детектора на основе ВТСП (т.е. сведений о том, насколько быстрые изменения потока неравновесных фононов он смог бы отслеживать). Это затрудняло интерпретацию экспериментальных данных. В единственной на тот момент времени работе Киндера [4], в которой исследовалось применение гранулированной пленки ВТСП для детектирования неравновесных фононов, приводилась оценка быстродействия <* 1Q0 не, в то же время было указано, что использованная технология напыления YBaCuO приводила к появлению буферного слоя S102-
Возникал вопрос, как влияет буферный слой на границе ВТСП/подложка (т.е. тепловое сопротивление границы) на быстродействие болометрической структуры на основе ВТСП (т.е. скорость отвода тепла). Ответ на этот вопрос можно получить, например,
проведя модельные исследования фотоотклика разных болометрических структур. Однако в существовавшей литературе, посвященной исследованиям фотоотклика болометрических структур на основе ВТСП, приводились оценки быстродействия таких структур в весьма широком диапазоне - от микросекунд до наносекунд и менее. Кроме того, были указания на то, что существует нетепловой вклад в фотоотклик (т.е. фотоотклик не был обусловлен полностью изменением температуры болометра при поглощении излучения) в области ниже TQ (Т - температура перехода в сверхпроводящее состояние). Зачастую высокое быстродействие (длительность отклика до 10 нсек и менее) связывалось с наличием нетеплового отклика [5]. В то же время использование ВТСП болометра в качестве детектора неравновесных фононов предполагало высокое быстродействие именно в болометрическом режиме. Поэтому требовалось провести исследование механизма фотоотклика з широком диапазоне температур.
Целью работы являлось создание пленочного болометрического приемника YBaCuO на кремнии с широким динамическим диапазоном для исследования режима распространения неравновесных акустических фононов при высоких уровнях оптического возбуждения. При этом необходимо было изучить механизмы фотоотклика болометрических структур на основе YBaCuO, получить информацию о влиянии граничного теплового сопротивления (или теплового сопротивления буферного слоя) YBaCuO/подложка на быстродействие болометрической структуры, исследовать установление локального теплового равновесия при оптическом возбуждении тонких пластин кремния.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Проведены экспериментальные исследования отклика
болометрических структур YBaCuO/MgO, YBaCu0/Zr0o, YBaCuO/YSZ/Si
на импульсное и модулированное непрерывное, лазерные излучения
(в последней структуре только на импульсное).
2. Разработана тепловая модель фотоотклика болометрических
структур, учитывающая нелинейные зависимости тепловых параметров
пленки ВТСП, подложки, граничного теплового сопротивления от
температуры, а также тепловыделение от транспортного тока.
3. Сравнение экспериментальных частотных зависимостей
- б -
отклика с расчетными позволило впервые оценить граничное тепловое сопротивление в структурах YBaCuQ/MgO, YBaCu0/YSZ/Zr0o в области сверхпроводящего перехода.
-
Исследовано распространение тепла в подложках промышленного кремния после лазерной эпитаксии YBaCuO. Показано, что в результате лазерной эпитаксии вводятся центры акцепторного типа, замедляющие отвод тепла.
-
Проведено моделирование методом Монте-Карло (с учетом реальной геометрии эксперимента) тепловых импульсов в кремниевых подложках, используемых в процессе лазерной эпитаксии; показано, что при низких уровнях оптического возбуждения основной вклад в . сигнал вносят фононы с частотами 1-f2 ТГц.
6. С помощью YBaCuO болометра зарегистрирован сдвиг
максимума отклика болометра при увеличении плотности оптического
возбуждения поверхности кремния более 10 мкДж/мм2.
7. Определен порог образования горячего фононного пятна -
области -локальной температуры - в кремнии (по плотности
оптического возбуждения) и параметры ГП.
Практическое значение. Проведено усовершенствование методики тепловых импульсов, позволившее существенно расширить возможности по изучению процессов распространения неравновесных акустических фононов. Полученные в 'работе результаты несут новую информацию об условиях формирования и параметрах горячего пятна в кремниевых пластинах, что важно с точки зрения понимания режимов тешюотвода при низких температурах. Расширено понимание механизма фотоотклика в структурах, на основе ВТСП, что может быть полезно при создании болометрических приемников работающих в диапазоне длин волн от дальнего МК до ультрафиолета.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. В рамках предложенной тепловой модели удается описать временные и частотные характеристики фотоотклика болометрических структур на основе YBaCuO/MgO, YBaCuO/YSZ/ZrCU при всех температурах, при которых наблюдался отклик (т.е. при температурах как выше Тс, так и в области Тс ). В то же время
обнаруженная аномальная (в области Тс )температурная зависимость амплитуды отклика при малых уровнях возбуждения не описывается в рамках тепловой модели.
-
Сравнение результатов моделирования с реальными экспериментами позволило оценить граничное тепловое сопротивление (RBd) для систем YBaCuO/MgO, YBaCuO/Zr02 в области сверхпроводящего перехода.
-
Обнаружено изменение формы (крутизны нарастания переднего фронта, ширины на полувысоте) теплового импульса, т.е. изменение скорости отвода тепла в подложках промышленного кремния после лазерной эпитаксии YBaCuO.
-
Обнаруженный сдвиг максимума отклика, болометра сопоставляется со временем жизни горячего фононного пятна, возникшего при увеличении плотности оптического возбуждения.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на 2-ой Международной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости и явлениям локализации (Москва, 11-17 мая 1991г.), 3-ей Международной конференции по рассеянию фононов- (Итака, 1992, СМ), 1-ом Всесоюзном совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, 1991г.), 1-ой Российской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 1993г.) и семинарах ФйАН.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, двух приложений, списка цитированной литературы, содержащего 67 наименований. Полный объем составляет 107 страниц, в том числе 71 страница машинописного текста и 36 рисунков.
Похожие диссертации на Нестационарный перенос тепла в структурах ВТСП/диэлектрик, ВТСП/полупроводник при низких температурах
