Введение к работе
Актуальность теми
Получение лазерного эффекта в каналах стркмерных разрядов в полупроводниках в 1973 г. дало новый толчок исследованиям этого явления, известного в диэлектриках с 1887 г. Развитие электрических разрядов в кристаллах происходит в иаслючителыго экстремальных условиях: поле напряженностью порядка 107 В/см воздействует на кристалл за времена 1СГ10 - 1СГ13 с и создает электронно-дырочную плазму (ЭДН) с концентрацией неравновесных носителей заряда (ННЗ) порядка 101д см-3. Экспериментальные исследования пробоя диэлектриков явились мощным стимулом для развития физики твердого тела, однако до настоящего времени нет однозначного мнения ни по одному из его важнейших аспектов - причинам кристаллографической ориентации, механизмам возбуждения неравновесных носителей заряда, моделям формирования и развития канала разряда. Можно было надеятся, что всестороннее изучение этого явления в полупроводниках даст вовуслшость получить важную информацию для понимания обуславливающих ого причин, обнаружить ноеьіє закономерности, полезные для практи- _. ческого использования.
Распространение электрических разрядов в прямсзснных полупроводниках сопровождается рысокоинтенсизиым свечением. Для объяснения механизмов рекомбинации и генерации света при возбуждении электрическими раррлдами полезно использовать Фотолв-минесцектные методы исследований, особенно в условия:; достаточно сильного возбуждения. Перспективность с'научной точки зрения таких работ обусловлена и тем, что ухе на семьх рачних этапах изучения взаимодействия мощного светового излучения с веществом обнаружились многие новые интересные физические явления: мнегочастичные взаимодействия, нелинейное поглощение, усиленій и генерация света. Некоторое время при интерпретации результатов не обращалось достаточного внимания на структурный изменения, происходящие в кристаллах при зыеских уровнях лазерного возбуждения, особенно в условиях наиболее часто используемой импульсно-периодическей накачки. Поэтому проведение комплексных работ по изучению рекомбинадаонных процессов и ге-
- г -нерации света в полупроводниках, выяснению необратимых последствий воздействия лазерного излучения и электрического ПОЛЯ на люминесцентные свойства и структуру решетки широкозонных полупроводников, установлению его механизмов важно в первую очередь с научной точки зрения. Однако такие исследования могут принести и практическую пользу,так как позволяют найти способы улучшения качества кристаллов в результате внешних воздействий, разработать способы повышения порогов дефектообразования и,следовательно, срока службы различных приборов и устройств. Это особенно вакно в тех случаях, когда применяется импульсно-пери-одическое воздействие,а также облучение непрерывным излучением, приводящее к фотораэдожению твердых тел.
Особый научный и практический интерес представляет изучение влияния сильных световых и электрических полей на спектры и интенсивность люминесценции свободных экситонов. Несмотря на многочисленные исследования и значительные успехи в изучении экситонов,оставался открытым вопрос о причинах .приводящих к возникновению структуры резонансных полос излучения свободных экситонов, возбуждение и аннигиляция которых всегда происходят вблизи поверхности кристалла, внутри или около области пространственного заряда.
Многие свойства кристаллов при высоких уровнях электрического и оптического возбуждения имеют ярко Еыраженную зависимость от кристаллографической ориентации объема или поверхности образцов. В связи с этим было необходимо исследовать анизотропию химического растворения полупроводников соединений А1'в71, в которых она изучена явно недостаточно, и сравнить ее с анизотропией других свойств, в первую очередь стримерных разрядов. Методы химического растворения кристаллов широко ис-ользуются для различных практических целей. Летальное исследование процессов растворения обычно сопровождается обнаружением ноеых закономерностей, полезных при изготовлении приборов и разработке методов определения ориентации, кристаллов.
Связь работу с научити программами. Диссертационные исследования проводились'' в рамках тем,входящих в Планы важнейших научно-исследовательских работ в области естественных наук по республиканским комплексним программам:"Исследование процессов поглощения и испускания света при интенсивном электро- и фотовозбуждении" ("Кристалл"),"Исследование механизмов генерации и
t I
- 3 -рекомбинация носителей заряда в широкозоннкх полупроводниках" ("Оптика 2.20") ."Создание элементов нелинейной оптики и опто-злектроники, изучение их рабочик характеристик" ("Оптика 2.21"), "Разработка, создание и исследование полупроводниковых Лазеров, изучение процессов взаимодействия лазерного излучения и электрических полей с полупроводниковыми кристаллами" ("Лазер 3.03").
Целая работы являлось установление механизмов излучатедь-ной рекомбинации и генерации света, моделей формирования внутренних полей, причин образования и отдига дефектов реаетіси з иирокозонных полупроводниках и диэлектриках при сильных электрических, световых и химических воздействиях, разработка новых способоз определения параметров кристаллов и совершенствования полупроводниковых лазеров с оптической и электронной накачкой. Для достижения этой цели были определены следующие залзчя:
изучение кристаллографической ориентации н излучатодь-ной рекомбинация в каналах электрических разрядов з полупроводниках и диэлектриках различных классов симіетркщ разработ-ка метода расчета анизотропии нелинейной поляризации кркстая-лов в сильных электрических поляк;
исследований процессов рекомбинации и генерации света в полупроводниках при еысских уровнях оптического аозбуядеяия, причин, обуславливай!^ структуру резонансній полос дкмкгше-ценцки свободных экситснов;
изучение ВЛИЯНИЯ ВНСЯНЭГО РЛСКТРЇГ-ЇЄСКОГО поля 113 ЛЯМИ-НССЦеНЦИЮ СВОООДНЫХ ЗКСИТОНОЗ И проЦеССЫ ДЄ$0КТОО5р23ОПЄ!«!Л',
исследование фэторазлохенйя, отгага н образования дефектов в кристаллах под воздействием непрерывного и импугьело-периодического лазерного излучения;
изучение анизотропии растворения кристаллов, установление ВЗаійЮСВЯЗИ Ме»ДУ ХКМИЧеСКИЧ К ПОЛЗВЫМ ВОЗД0ЙСТВИЄЇ.Ї.
Ііаучїізя ирз»ака даботд заключается з следуїник результатах:
- Впервые возбуждены ориентйрозаякце электричесглю разря
ду и исследованы их крксталлографичгазю свойства, влияние
температуры и оптической подсветки з ряде кристаллических
твердых' тел:7дЗ, ZnO, ZnSe, ZnTe, CdSSe, CdSa, OdTe. 6aAs,
LiNbO3,Te02, ZnPs и СсІРг. Доказано, что совокупность направле
ний распространения электрических разрядов в полупроводниках
содеркит элементы симметрии точечной группы только данной
кристаллографической системі и что направления разрядов не свя-
- 4 -ваш однозначно с расположением узлов кристаллической решетки.
- Изучена лвшдаесцеицня из каналов стримерных разрядов в
различных полупроводниках от бдизкаей УФ до ик области спектра.
Показано, что отримерный способ позволяет воабуздать люминес
ценцию в любой точке объема кристалла, и что в спектрах стрн-
мериой люминесценции проявляется излучение электронно-Дыроч
ной плазмы и издучатедьнад рекомбинация с участлеы прішєсєй и
дефектов. Получена и изучена генерация света в каналах стри
мерных разрядов в кристаллах ZnO, GaAs, CdTe, установлен при
чины, определяющие ресурс работы стримерных источников света.
выдвинута иобосновала новая идея о причинах кристаллографической ориентации стрингерных разрядов, основанная на явлении сауокоицентрпрования постоянного электрического поля в кристаллах при сильной нелинейной поляризации решетки.
Изучены фотсшзминесценция и фотопроводимость, генерация света и влияние электрического поля на экснтонну» люминесценцию ZnTe. Установлены механизмы иэлучателыюй рекомбинаций в этих кристаллах при высоких уровнях вогбуждения и показано, что туиение экситовной 'фотодашесцзишш в электрическом поде вызвано ионизацией экситонгак состояний и увеличением эффективной температуры 'электронов.-
Обнаружено и неучено самообра^эние линий излучения 'свободных' экснтокоз в кристаллах CdS. Показано,что это явление вызвано самойоглощениом акситонного излучения в тонко» Приповерхностном слое с низкой концентрацией экситоков, вовникавдим под воздействием электрических полей в области пространственного заряда.
Исследовано влияние импульсного и ичпульсно-дериоди-ческого лазерного излучения на отяйг и образование дефектов решетки в полупроводниках АИВУ5, найдену факторы, замеряющие и ускоряющие эти процессы, рокаэаяо, что основную роль в механизме лазерного воздействия играют термоупругйв напряжения и электрические ПОЛЯ. ...
Впервые обнаружены световые картины (гало) на поверхностях полупроводников и показано, что они формируются образующимся при химическом растворении микрорельефом поверхности в результате преломления и дифракции света,на его элементах н отражают структуру кристалла. Установлена взаимосвязь между анизотропией скоростей растворения и -анизотропией смещения ио-
- Б - .
нов из положення равновесия в сильных электрических ПОЛЯХ.
Обосвозашірстг» и достоверном?» основных результатов диссертации определяется тем, что для выполнения экспериментальных исследований и анализа их результатов были испольдованы современные технические средства,результаты экспериментов подтверждены теоретическими выкладками и оценками основных параметров, использованы и проверены в ряде практических нркмеке-ний, подтверждены и цитируются другими авторами.
npwtiiiwfctiea цаняость р.?боти состоит вследующем. В результате изучения свойств стрдаарных разрядов в полупроводниках разработаїіц способы определения ориентации кристаллов и определения типа полярной поверхности кристаллов, скосоЗ определения неоднородности и блочной структуры полупроводников. Создан такяе способ определения ориентации полярных поверхностей, основанный на зависимости формы полоса излучения свободные экситонов от типа полярной поверхности.На основе симметрии и формы световых фигур, Формируемых микрорельефом на поверхности полупроводников, раврзботаны способы определенна ориентации кристаллов и показателей прелойденял '-.У!дмостой и гейоз. Использование микрорельефа на боїхпнк грякзк лазароп с оптической иасачксй, а также вместо входных ?эркая лазероя с электронной накачкой позволило повысить мелкость is КПД яті*;; лазеров иа порядок. Результаты исследований милкчз дозорного облучения на структуру дефектов и гтов>зр''кооть по-г/прс^с-Лаи^о?! могут быть использованы для улучкекня качества егргсак полуйре-вэлникошх лазеров. В результата ирозедента.ч кеслэ.^езел^ создано 15 изобретений.
2. Кристаллографическая оркокіг;уія эгысгретосжт разроет; з тьердых телах обусловлена са-окснцэнтрироз-ачиеи з.ш:тріг-іес~ кого поля на франте разряда в определекта иаг.р-езлецаях, воз-никакцим вследствие пространственной зянготропни распрэдедеинд свободных зарядов цри услоери сильней пелішейнод полярь'Зйцкн кристалла.
3. Спектры иалученич и кинетика фогопросодг-тасти я крас-
таадах ZnTe при высоких уровнях возбуждения обусловлены зкси-тои-экситонными и звсигои-плазноннычи взаимодействиями, а генерация света при двухфатонноы оптическом возбуждении - аннигиляцией свободных авситонов с испусканием продольных оптических фононов.
4.Самообра!цение резонансных линий люминесценции свободных экситовов в полупроводниках вызвано сашпоглощением излучения в приповерхностном слое с градиентом концентрации экситоцов, созданным электрическими полями поверхностных состояний и пироэлектрического эффекта.
б. Механизмы импульсного допорогового воздействия лазерного излучения на процессы, изменения дефектной структуры полупроводников:
при сравнительно ниаїзіх иптенсивностях імпульсного лазерного УФ излучения уменьсепие концентрации .гомеровских дислокации на поверхности полупроводников обусловлено их уходом из облученной области иод действием термоулругда напряжений и вследствие ослабления да взаимодействия с дефектами, вызванного экранированием поле# дислокаций иеравнозеокыш носителями заряда^
с ростом плотности ыоеугостн л дозы облучения генерируемые лазерный излучением терцоупрупш напряжения и пьезопс-ля, близкие по величине п порогам текучести и проеол, ЕЫЗЫЙЕО? движение и размножение дислокаций, что способствует цзмєкеїко структуры точечных дефектов и появлений центров безыздучатель-ной рекомбинации.
6. Световые гало, возникающее на поверхностях полупроводников после химического растпороїшя, отражает структуру кристалла и формируются в результате преломления и дифракции света ла пирамидальных элементах микрорельефа.
&ЩЯЩ КИГД^ rarohp.
