Исследования волн пространственного заряда в магнитном поле в высокоомных полупроводниках

Актуальность работы.

В полупроводниках при приложении электрического поля могут возникать собственные колебания электронной плотности заряда (и соответственно внутреннего электрического поля), именуемые волнами пространственного заряда (ВПЗ), [1].

Исследования ВПЗ представляют большой интерес при изучении свойств вещества, без знаний о которых не обойтись в современной науке и технологии полупроводников, [2]. Метод ВПЗ-спектроскопии выгодно отличается от других методов определения параметров полупроводников, например, тем, что позволяет определять сразу несколько важных величин, а именно произведение ¡-лт (где /л — подвижность носителей, аг-их время жизни), эффективную концентрацию ловушек Лгец, время максвелловской релаксации тд,/, а также влияние эффектов экранирования. В ходе данной работы было установлено, что возбуждение ВПЗ в присутствии магнитного поля, позволяет усовершенствовать данный метод возможностью определения отдельно подвижности носителей д, направления дрейфа носителей внутри образца, а также знака основных носителей.

ВПЗ также применяются при изучении линейных и нелинейных волновых процессов, [3]. ВПЗ чаще всего ассоциируются с динамической голографией, [4−8] и фоторефрактивными кристаллами со структурой силленита, [9|, публикаций же связанных с классическими полупроводниками (например, СсГГеЮе, [10] или 1пР: Ре, [11]) достаточно мало.

В области голографии опубликовано несколько количество работ, изучающих явления в присутствии магнитного поля, [12−15]. К моменту начала работы над данной диссертацией детальных исследований ВПЗ в магнитном поле проведено не было. При этом ожидалось, что такие исследования приведут к ранее неизученным эффектам, которые дадут новую информацию о явлениях, связанных с переносом зарядов и о свойствах самих материалов.

Все рассматриваемые эффекты, изложенные в работе, наблюдались впервые, что свидетельствует об актуальности и востребованности настоящей диссертационной работы.

Цель диссертационной работы.

1. Изучить поведение ВПЗ в условиях сильного поглощения света и большой фотопроводимости.

2. Исследовать влияние магнитного поля на ВПЗ в различных экспериментальных геометриях.

3. Измерить и изучить ориеитационные зависимости амплитуды ВПЗ в присутствии магнитного поля.

Научная новизна. В работе впервые детально изучено поведение ВПЗ в присутствии магнитного поля, и составлена классификация явлений в зависимости от используемой геометрии эксперимента на примере двух материалов: ваАвгСг и 1пР: Ре. Обнаружены квадратичная и линейная зависимости амплитуды сигнала ВПЗ от магнитного поля.

Впервые экспериментально исследоваио возбуждение и детектирование ВПЗ при наличии нестабильностей и в присутствии магнитного поля, сопровождающееся эффектом усиления ВПЗ в СаАвгСг за счёт наличия отрицательной дифференциальной проводимости.

В случае «параллельной» (магнитное поле направлено вдоль освещаемой поверхности образца) геометрии обнаружен эффект сильного влияния магнитного поля на ВПЗ.

Были исследованы ориеитационные зависимости ВПЗ на примере ОаАэгСг.

Для сопоставления полученных результатов с предыдущими исследованиями ВПЗ в фоторефрактивных кристаллах в отсутствие межзонных переходов, впервые проведены исследования в В^СеОго с использованием осве5 щающего образец света с длиной волны, соответствующей энергии фотона, близкой к ширине запрещённой зоны, то есть при наличии сильного поглощения и большой фотопроводимости.

Практическая значимость. ВПЗ-спектроскопия может применяться как эффективный метод исследования свойств вещества, имеющий определённые преимущества перед другими методами. С этой точки зрения, исследования ВПЗ в присутствии магнитного поля позволяют усовершенствовать этот метод-, и дать новую информацию о свойствах материалов. В частности такие исследования позволяют более точно определять подвижность носителей, а также магнетосопротивление образца и влияние эффектов экранирования.

Приложение магнитного поля приводит к изменению области, в которой распространяются ВПЗ. Таким образом можно определять параметры не только средние по всему образцу, но также и проводить пространственно-разрешённые измерения исследуемых величин.

Зависимость амплитуды ВПЗ от взаимной ориентации направления волнового вектора возбуждающей интерференционной картины и направления движения носителей даёт возможность определения одного из перечисленных направлений при известном втором. Также, аналогично эффекту Холла, имеется возможность определить знак основных носителей заряда из экспериментальных кривых.

Непосредственное влияние магнитного поля на величину сигнала ВПЗ при определённых условиях достигает весьма больших значений, и может быть использовано для определения точных значений магнитного поля. На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В условиях сильного поглощения света и большой фотопроводимости изменяется эффективная концентрация ловушек и резонансные частоты волн пространственного заряда.

2. Зависимость изменения амплитуды волн пространственного заряда от магнитного поля является либо линейной, либо квадратичной при различных ориентацнях вектора магнитного поля относительно направления электрического поля и освещаемой поверхности образца.

3. При квадратичной зависимости амплитуды волн пространственного заряда от магнитного поля знак изменения амплитуды определяется значением порогового поля отрицательной дифференциальной проводимости.

4. Ориентационные зависимости амплитуды волн пространственного заряда позволяют определять направление дрейфа носителей заряда внутри образца, а также их знак.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на трёх международных конференциях: Int’l Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2010) Int’l Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2010) (Kazan, Russia, 2010), Topical Meeting Photorefractive Materials, Effects, and Devices — PR 09, Control of Light and Matter (Bad Honef, Germany, 2009), 4-ая Международная конференция «Голография ЭКСПО-2007» (Москва, 2007) — на семинарах двух зимних школ: Международная зимняя школа по физике полупроводников ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН (Зеленогорск, 2010), XLIV Зимняя школа ПИЯФ РАН (Рощино, 2010) — а также на Конференции по физике и астрономии для молодых учёных Санкт-Петербурга и Северо-Запада «Физика.СПб» (Санкт-Петербург, 2009), и Всероссийской конференции «Влияние атомно-кристаллической и электронной структуры на свойства конденсированных сред», посвящёниой памяти академика Ю. А. Осипьяна (Черноголовка, 2009).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10-ти печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, [Al, А2, A3], 1 статья в сборниках трудов конференций, [A4] и 6 тезисов докладов, [А5, А6, А7, А8,.

А9, AlOj.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из шести глав. В первой главе рассматривается существующее теоретическое описание явления ВПЗ. Во второй главе обсуждаются применяемые в ходе работы экспериментальные методы. В третьей — шестой главах представлены результаты измерений ВПЗ в магнитном поле в различных геометриях эксперимента. Диссертация содержит 28 рисунков, список литературы из 90 наименований, одну таблицу. Полный объём диссертации составляет 105 страниц.