Эффект фотопьезоэлектрического индуцирования упругих колебаний в высокоомных монокристаллах арсенида галлия

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКИЕ, АКУСТИЧЕСКИЕ И ФОТОАКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ ТИПА А3В5
1.1. Объемный фотоэффект в полупроводниках. Эффект Дембера
1.2. Барьерный фотовольтанический эффект
1.3. Эффекты и явления акустооптики.
1.4. Оптические, электрооптические и фотоакустические свойства соединений А3В5
1.5. Внутреннее трение, обусловленное электронной релаксацией, в полупроводниковых соединениях А3В5
1.6. Экспериментальные методики измерения акустического поглощения.
Основные результаты и выводы к главе 1
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ОБРАЗЦЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Обоснование выбора образцов для исследований
2.2 Экспериментальная методика
2.3 Конструкция узла поддержки образца
2.4 Конструкция измерительной вакуумной камеры
2.5 Структура электрической части установки для изучения индуцируемых световыми импульсами собственных механических колебаний
2.6 Анализ погрешности измерения амплитуды механических колебаний и внутреннего трения
2.7. Методика измерения кинетики собственной фотопроводимости высокоомных монокристаллов арсенида галлия
2.8 Методика исследования эффекта фотопьезоиндукции в случае
продольных резонансных механических колебаний образца
2.9 Дополнительные методики, использованные в работе Основные результаты и выводы к главе 2
ГЛАВА 3. ЭФФЕКТ ИМПУЛЬСНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИНДУЦИРОВАНИЯ ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЙ В ВЫСОКООМНЫХ МОНОКРИСТАЛ-ЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИНАХ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
3.1 Постановка задачи
3.2 Индуцирование упругих колебаний в высокоомных монокристаллах арсенида галлия с помощью световых импульсов
3.3. Зависимость амплитуды изгибных колебаний от кристаллографической ориентации пластины
3.4 Амплитуда изгибных колебаний при импульсном оптическом облучении пластин арсенида галлия
3.5 Диффузионная длина неравновесных носителей заряда при оптическом облучении монокристаллических образцов GaAs.Gr и ваЛьТе
3.6 Зависимость амплитуды изгибных колебаний от интенсивности световых импульсов при различной температуре
3.7 Расчет значений э.д.с. Дембера и напряженности поля Дембера
3.8. Расчет деформации изгиба пластины ОаАь при собственном оптическом облучении её поверхности Основные результаты и выводы к главе 3
ГЛАВА 4. ФОТОПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ИНДУЦИРОВАНИЕ ПРОДОЛЬНЫХ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ В ВЫСОКООМНЫХ МОНОКРИСТАЛЛАХ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ.
4.1 Общие замечания
4.2 Фотопьезо э.д.с. при продольных резонансных колебаниях высокоомных пластин арсенида галлия
4
4.3 Физическая природа фотопьезо-э.д.с. 106
4.4 Практическое использование эффекта фотопьезоиндукции 108
4.4.1 Устройство преобразования оптической энергии в механическую 108
4.4.2 Фотоакустический датчик на арсениде галлия 109
4.4.3. Методы контроля параметров пьезополупроводников 110
Основные результаты и выводы к главе 4 110
Основные результаты и выводы 111
Литература 113
ВВЕДЕНИЕ
5
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 акустооптики в пьезополупроводниках, к которым относится ар-сенид галлия, могут быть использованы как для цели диагностики физических свойств материалов, так и для создания различных акустоэлектронных устройств, находящих всё 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 пьезополупроводников 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 механиз-
6
мов 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 (Б1, А3В5 и др.), приборов и технологии их изготовления», номер гос. регистрации 0120.0412888, НИР «Университеты России» 1886-04.
Цель работы.
Целью настоящей работы являлось исследование закономерностей взаимосвязи объемной фото-э.д.с. в высокоомных монокристаллах арсенида галлия с их пьезолектрическими свойствами и выявление механизмов импульсного оптического индуцирования упругих колебаний и фотопьезо-э.д.с. в высокоомных пьезополупроводниках.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Установление характера взаимосвязи между фотоэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами монокристаллов арсенида галлия, легированных примесями хрома или железа.
2. Экспериментальное изучение эффекта оптического индуцирования изгибных и продольных резонансных упругих колебаний в образцах арсенида галлия с примесями хрома или железа.
3. Разработка физической модели механизма фотопьезоэлектрического индуцирования упругих колебаний в высокоомных монокристаллах арсенида галлия.
7
4. Выявление физических условий максимальной эффективности преобразования энергии оптических импульсов в энергию упругих колебаний и фотопьезо-э.д.с. в высокоомных пластинах арсенида галлия.
5. Разработка вариантов практического использования эффекта фото-пьезоэлектрического индуцирования механических колебаний и фотопьезо-
э.д.с. в 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.д.с. в полупроводниковых пластинах.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Впервые обнаружен и исследован эффект фотопьезоэлектрического индуцирования упругих колебаний в высокоомных монокристаллах арсенида галлия.
2. 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.
3. 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 - экранировани-
8
ем фото-э.д.с. за счет возрастания проводимости кристалла, вследствие термической активации глубоких примесных уровней.
4. 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.д.с. в 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 её противоположных поверхностях
Научная и практическая значимость полученных результатов состоит в следующем.
1. 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 представление об оптоакустических процессах в пьезоэлектрических полупроводниках.
2. Разработаны физические основы фотопьезоэлектрического возбуждения изгибных и продольных резонансных механических колебаний пластин пьезополупроводников.
9
3. Предложены физические принципы новых методов определения фи-зичеких параметров пьезополупроводников и технических устройств, основанных на эффекте фотопьезоиндукции.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Собственное импульсное оптическое облучение монокристалличе-ских пластин высокоомного арсенида галлия пьезоактивной ориентации вызывает резонансные изгибные колебания при совпадении частоты модуляции света с частотой изгибной моды пластины.
2. Максимальная амплитуда возбуждаемых световыми импульсами из-гибных колебаний наблюдается в интервале температур, где одновременно имеют место малые значения внутреннего трения и электропроводности кристалла. Уменьшение амплитуды возбуждаемых колебаний в низкотемпературной области максимума объясняется их демпфированием в результате аку-стоэлектронной релаксации, связанной со знакопеременным пьезоэлектрическим полем, а в высокотемпературной области - экранированием 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 пластин высокоомного арсенида галлия индуцирует импульсы электродвижущей силы на пьезоактивных гранях пластины при совпадении частоты модуляции света с резонансной частотой продольных механических колебаний.
5. Механизм возникновения фотопьезо-э.д.с. в высокоомных монокристаллах арсенида галлия состоит в следующем. Импульсное оптическое облу-
10
чение пластин пьезоактивного среза порождает переменную по величине 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 её противоположных поверхностях за счет поперечного пьезоэффекта.
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); УП-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