Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Обнаружение Ф. Николлом и сотрудниками ФИАН СССР в 1973-1974 г. лазерного эффекта в каналах электрических разрядов в полупроводниках, условия возбуждения генерации в которых электрическим полем были определены в работе Н.Г. Басова, Б.М. Вула и Ю.М. Попова в 1959 г., дало новый импульс для исследования этого явления. Распространение стримерных разрядов в широкозонных полупроводниках сопровождается высокоинтенсивным рекомбинационным свечением. Большая скорость распространения разрядов (v~109cm/c) и малые времена действия (t~10_12*10_13c) сильного поля (Е~107В/см) приводят к генерации высокой концентрации неравновесных носителей заряда (ННЗ), достигающей величины п~1019см~3, без заметных повреждений кристалла. Стримерный разряд является эффективным способом возбуждения люминесценции и генерации субнаносекундных импульсов света. Экстремальные условия, в которых находится кристалл при возбуждении и распространении электрических разрядов, создают существенные трудности для теоретического описания данного явления. Ни одна из существующих гипотез не дает однозначного понимания причин кристаллографической ориентации разрядов, механизмов генерации ННЗ, формирования и движения фронта сильного поля. При объяснении свойств разрядов ни одна из гипотез не учитывает возможность возникновения нелинейной поляризации и анизотропии пространственного распределения внутренних полей.
Несмотря на обширные экспериментальные исследования распространения электрических разрядов в диэлектриках и полупроводниках, не была определена однозначно ориентация разрядов в кристаллах со структурой сфалерита, а также влияние дефектов упаковки и примесей на ориентацию и спектры излучения электрических разрядов в этих веществах. Оставался также открытым вопрос о возможности возбуждения ориентированных разрядов и их свойствах в непрямозонных полупроводниках. Поэтому в качестве объектов исследований были выбраны прямозонные полупроводники со структурой сфалерита ZnS, ZnSe, CdTe и непрямозонные полупроводники CdP2, ZnP2 с элементарной ячейкой тетрагональной симметрии.
. ч * ,
Связь работы с крупными научными программами. Исследования проводились в рамках тем, входящих в планы важнейших научно-исследовательских работ в области естественных наук по республиканским комплексным программам: "Создание элементов нелинейной оптики и оптоэлектроники, изучение их рабочих характеристик" -Оптика 2.01 и "Разработка, создание и исследование полупроводниковых лазеров, изучение процессов взаимодействия лазерного излучения и электрических полей с полупроводниками" - Лазер 3.03.
Целью работы являлось определение причин, влияющих на кристаллографическую ориентацию электрических разрядов в прямозон-ных полупроводниках кубической (ZnS, ZnSe, CdTe) и непрямозон-ных полупроводниках (СбРг, 2лРг) тетрагональной симметрии, установление механизмов излучательной рекомбинации и генерации света в каналах стримерных разрядов.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:
возбудить ориентированные разряды в непрямозонных полупроводниках 2лРг и CdP2, установить влияние температуры, длительности, полярности и амплитуды импульсов электрического поля на кристаллографическую ориентацию разрядов, определить скорости развития разрядов и сопоставить направления разрядов с анизотропией акустических свойств кристаллов;
изучить влияние дефектов упаковки и примесей на ориентацию стримерных разрядов в полупроводниках с кубической симметрией кристаллической решетки (ZnS, ZnSe) и определить ориентацию объемных стримерных разрядов в кристаллах (CdTe), не содержащих политипных модификаций;
исследовать процессы излучательной рекомбинации в прямозонных полупроводниках при высоких уровнях стримерного и оптического возбуждения;
рассчитать нормальные компоненты тензора нелинейной диэлектрической проницаемости в кристаллах ZnS, ZnSe, CdTe и GaAs на основе теории химической связи Харрисона и аппроксимации межатомного взаимодействия потенциалом Борна-Майера.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
- Впервые возбуждены ориентированные электрические разряды
и определена их кристаллографическая ориентация в непрямозонных
полупроводниках ZnP2 и CdP2. Обнаружена ее зависимость от полярности и амплитуды возбуждающих электрических импульсов." Установлено, что основные свойства разрядов в непрямозонных полупроводниках CdP2 и ZnP2 аналогичны свойствам разрядов в диэлектриках: наличие каналов пробоя, малая скорость распространения, зависимость ориентации от крутизны фронта и амплитуды электрического импульса.
Показано, что в кубических кристаллах со структурой сфалерита ZnS и ZnSe ориентированные объемные разряды возбуждаются только при наличии дефектов упаковки гексагональной фазы и картина разрядов имеет гексагональную симметрию, а в кристаллах CdTe той же структуры возбуждаются объемные стримерные разряды, совокупность направлений которых соответствует кубической системе симметрии.
Разработан метод расчета нормальных компонент тензора нелинейной диэлектрической проницаемости полупроводников и показано, что в процессе формирования поля в приэлектродной области кристалла возникает его пространственная анизотропия, способная определить кристаллографическую ориентацию разрядов.
Впервые получена генерация излучения вдоль канала стри-мерного разряда в монокристаллах CdTe.
Практическая значимость полученных результатов. Результаты изучения кристаллографической ориентации стримерных разрядов в прямозонных и непрямозонных полупроводниках могут быть использованы для ориентации кристаллов, определения типа полярных поверхностей и направлений кристаллографических осей. Влияние гексагональной фазы в кубических кристаллах ZnS и ZnSe на ориентацию разряда позволяет определять наличие вюрцитной фазы более 5%. На основе исследований ориентации электрических разрядов в CdP2 разработан и защищен способ определения направления оси С.
Создан стримерный лазер в ближней инфракрасной области спектра на кристаллах CdTe.
Методика получения микрорельефа на поверхности -СЇЇЇ} полупроводниковых соединений ZnS, ZnSe, QaAs, CdTe, разработанная для кристаллографической ориентации образцов по световым фигурам, использована в способах создания мощных лазеров с электронной накачкой типа "излучающее зеркало", что позволило значительно (более чем в два раза) поднять их КГЩ.
Экономическая значимость полученных результатов заключается в том, что применение стримерных методов ориентации кристаллов приводит к сокращению трудовых и энергетических затрат, уменьшению времени измерения и позволяет использовать более дешевое оборудование.
Применение способов ориентации кристаллов и методов создания микрорельефа при изготовлении полупроводниковых лазеров с электронной накачкой приводит к снижению материальных затрат вследствие упрощения технологии и увеличения срока службы.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Симметрия совокупности направлений распространения электрических разрядов в непрямозонных полупроводниках ZnP2 и CdP2 относится к той же кристаллографической системе, что и точечная группа симметрии кристаллов, а основные свойства разрядов вследствие отсутствия излучательной рекомбинации аналогичны свойствам разрядов в диэлектриках.
-
Кристаллографическая ориентация электрических разрядов в полупроводниковых кристаллах кубической симметрии определяется анизотропией и величиной нелинейной части нормальной компоненты тензора диэлектрической проницаемости кристалла или политипных гексагональных прослоек.
-
Стримерная и фотолюминесценция в кристаллах сульфида цинка, легированных кислородом, обусловлены рекомбинацией электронов и дырок в донорно-акцепторных парах.
Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он заключается в непосредственном участии в выполнении экспериментальных и теоретический исследований, в обсуждении и анализе результатов работ, в постановке совместно с научными руководителями Г.П. Яблонским и А.Л. Гурским (в ряде случаев совместно с В.Б. Грибковским и А.А. Гладыщуком) задач исследований. Другие соавторы работ выращивали кристаллы или участвовали в проведении измерений.
Работа выполнена в лаборатории оптики полупроводников Института физики им. Б.И.Степанова АНВ.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре по стримерным разрядам (Минск, 1989); на V и VI Всесоюзных школах-семинарах "Физика импульных разрядов в конденсированных средах" (Николаев, 1991, 1993); на научно-технических конференциях БрПИ (Брест, 1991,
1993, 1994); на международном семинаре "Открытые системы -избранные вопросы теории и эксперимента" (Брест, 1992); на международных конференциях "European Workshop on 11-VI Semiconductors" (Аахен, Германия, 1992) и "Wide-Band-Sap Semiconductors" (Триест, Италия, 1992); на республиканской конференции молодых ученых по квантовой электронике (Минск, 1994).
Опубликоваиность результатов. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статях, 2 препринтах, 2 патентах на изобретения и 7 тезисах докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы, включающего 282 наименования. Она содержит 92 страницы основного машинописного текста, 39 рисунков и 5 таблиц.