Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0008

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0008
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"
Название доклада
Инфракрасная и терагерцовая спектроскопия с временным разрешением неравновесной динамики носителей заряда в полупроводниках с использованием излучения лазеров на свободных электронах
Докладчик
Ковалевский Константин Андреевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Важной целью проекта является запуск экспериментальной установки для измерений быстро протекающих процессов методом пробного импульса на базе лазера на свободных электронах (ЛСЭ) в г. Новосибирск. Подобная установка успешно эксплуатируется на ЛСЭ (Дрезден) и опыт совместных научных исследований с немецкой стороной помогает в достижении указанной цели. Это предоставит научно-исследовательским группам и особенно в России новое средство проведения исследований сильно неравновесных электронных состояний в полупроводниках, полупроводниковых структурах и других средах. Максимально возможное временное разрешение ограничивается длительностью импульса ЛСЭ и 100 пкс разрешение, которое можно получить на ЛСЭ в Новосибирске, согласно теоретическим оценкам темпа релаксации доноров и акцепторов достаточно для проведения измерений на кристалле германия.
Другая цель - разработка и внедрение в измерительные схемы на установках на ЛСЭ в Новосибирске и Дрездене быстрого (с разрешением менее нс) фотоприемника терагерцового излучения на базе кристалла германия легированного мелкими донорами и (или) акцепторами. Такой фотоприемник мог бы использоваться не только для измерений методом пробного импульса, но и других временных измерениях как на отмеченных выше ЛСЭ, так и других подобных источниках импульсного инфракрасного излучения. Следующей целью совместного проекта является создание установки по Рамановской спектроскопии (основна на комбинационном рассеянии света) на ЛСЭ в Дрездене (FELBE) и проведение экспериментов на ней.
Также в целях проекта присутствует получение новых знаний о физике неравновесных процессов, протекающих в легированных мелкими примесными центрами полу-проводниках кремния и германия.
Актуальность и новизна исследования
Опыт исследований с использованием лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), в Голландии (г.Наймеген) и Германии (г.Дрезден) показывает, что метод пробного импульса является наиболее прямым и эффективным инструментом изучения времен релаксации различных электронных систем. Метод с успехом применяется для исследования электронных состояний объемных полупроводников, структур пониженной размерности и таких необычных сред как графен. Используя аналогичную оптическую схему можно исследовать эффекты фотонного эха и влияние сильного поля волны (эффект Штарка) на энергию и волновые функции электронных состояний. Однако на единственном в России лазере на свободных электронах соответствующая установка отсутствует, и проведение целого ряда исследований в нашей стране поэтому не представляется возможным. Тем самым обустройство соответствующего рабочего места на ЛСЭ в Новосибирске является актуальной научно-технической задачей.
Есть и другая проблема. Она связана с интерпретацией данных измерений полученных таким методом. В этом вопросе у экспериментаторов пока не сложилось единого подхода, и публикуемые результаты измерений иногда противоречат друг другу. Поэтому актуальным является выработка теоретически обоснованного подхода описывающего временную динамику откликов в методе пробного импульса.
В части эксперимента на ЛСЭ в Новосибирске изучается низкотемпературная релаксация различных возбужденных состояний мелких доноров и акцепторов в объемном германии, а также акцепторов в наноструктурах на основе кремния и германия с селективно легированными квантовыми ямами. Особое внимание уделяется воздействию на результаты измерений одноосной деформации сжатия кристалла, что ранее не исследовалось.
Описание исследования

1. С точки зрения создания новых установок, это установка по измерению временной динамики релаксационных процессов с временным разрешением до 100 пикосекунд на базе Лазера на свободных электронах в г. Новосибирск (ИЯФ СО РАН, ЛСЭ) и установки по Рамановской и нелтнейной спектроскопии на базе ЛСЭ FELBE в Дрездене-Россендорф, основные пути и способы являются устоявшимися и опробованными в мире, за исключением специфики, обусловленной применением излучения лазеров на свободных электронах, имеющих определенные мощностные и временные/спектральные особенности. Ограничения на пути достижения заявленных результатов определяются техническими параметрами ЛСЭ, которые являются достаточно сложным наукоемким продуктом. Основным гипотетическим риском в данном случае является уход государства из сферы высоких технологий и науки, так как во всем мире подобные объекты (ЛСЭ) находятся на финансировании государства.
 

2. Теоретические расчеты времен релаксации возбужденных состояний мелких примесей в кремнии и германии при взаимодействии с фононами с учетом влияния одноосной деформации сжатия проводятся в рамках апробированных методик. Волновые функции состояний примеси рассчитываются в рамках метода эффективных масс с использованием пробных волновых функций. Темпы излучения фононов вычисляются в рамках метода деформационного потенциала. Учет влияние деформация на характеристики релаксационных процессов производится через влияние одноосного сжатия на спектр примесного центра. Зависимость энергий состояний от приложенной деформации рассчитывается из известных в литературе формул с опорой на экспериментальные спектральные зависимости.

3. Измерение временной динамики релаксации неравновесных состояний мелких доноров и акцепторов в кристаллах кремния и германия проводится методом пробного импульса с использованием излучения ЛСЭ. Этот метод основан на измерении времени восстановления коэффициента поглощения/прохождения среды, который изменяется под действием возбуждающего импульса. Это прямой способ измерения скоростей релаксации неравновесных состояний исследуемой среды.

4. Рост кристаллов и традиционные способы их легирования (метод Чохральского, метод Пьедестала, метод зонной плавки)  производится в Институте роста кристаллов (IKZ, Berlin). Нейтронное легирование образцов проводится в НИФХИ им. Л.Я. Карпова (Троицк), которое позволяет получать образцы с высокой степенью однородности распределения примеси по кристаллу. 

5. Осуществление одноосного сжатия исследуемых образцов производится с помощью деформационного модуля, разработанного в рамках настоящего проекта. Для калибровки прикладываемого к образцу давления проводятся спектральные измерения сигнала поглощения в сдавленном образце. Положения примесных линий в спектре позволяет с хорошей точностью контролировать прикладываемое давление. Приложенная деформация позволяет модифицировать примесные состояния, взаимодействие с акустическими фононами и получить оптимальные условия для развития генерации в ТГц области спектра.

6. Одновременно с исследованием объемного кремния и германия, проводится исследование квантово-размерных гетероструктур на их основе с легированными слоями. Низкоразмерные структуры позволяют осуществить модификацию уровней кулоновского центра не только за счет встроенной в слои деформации, но и благодаря размерному квантованию в квантовых ямах.

 

 

Результаты исследования

Результаты, полученные Российскими участниками проекта:

1. Построена на базе Новосибирского ЛСЭ станция по измерению быстропротекающих процессов методом пробного импульса. Проведены тестовые измерения времени релаксации неравновесных состояний в кристалле германия, легированном донорами сурьмы. Измерения показали работоспособность построенной станции. В настоящее время производится подготовка к следующим измерениям на этой станции.

2. Разработаны технологические условия и проведено нейтронное легирование образцов кремния и германия. Проведена спектроскопия поглощения этих образцов с целью уточнения спектра примесных состояний и оценки качества.

3. Разработаны технологические условия и выращены наноструктуры на основе кремния и германия с легированными мелкими примесными центрами слоями методом молекулярно пучковой эпитаксии. Проведены рентгеновская дифрактометрия этих структур и масс спектроскопия вторичных ионов с целью определения состава выращенных слоев, измерены вольт-амперные характеристики.

4. Проведены теоретические оценки темпов безызлучательного распада возбужденных состояний мелких примесных центров в кристалле кремния и германия, в том числе в зависимости от одноосной деформации сжатия.

5. Проведены измерения временной динамики релаксации неравновесных состояний мелких доноров фосфора и висмута, а так же акцепторов бора в одноосно-деформированном кремнии с использованием излучения ЛСЭ FELBE.

Результаты, полученные иностранным партнером:

1. Построены установки по Рамановской и нелинейной спектроскопии на базе ЛСЭ "FELBE" в Дрездене-Россендорф. Проведены исследования доноров сурьмы кремнии.

2. Изготовлены исследуемые образцы (легированные мелкими донорами и акцепторами кристаллы кремния и германия), а так же изготовлены и проведена необходимая обработка образцов кристаллического германия, на основе которого будут изготовлены приемники ТГц излучения, которые будут использованы на лазерах на свободных электронах в Новосибирске и Дрездене.

3. Проведены работы по обнаружению и исследованию эффекта сильного поля, т.е. влияние излучения лазера на свободных электронах (ЛСЭ) на локализованные состояния доноров и (или) акцепторов в кремнии с использованием лазера на свободных электронах в г. Дрезден-Россендорфе.


 

 

Практическая значимость исследования
1. Создание установки по измерению временной динамики релаксационных процессов с временным разрешением до 100 пикосекунд на базе Лазера на свободных электронах в г. Новосибирск (ИЯФ СО РАН, ЛСЭ).
2. Создание установки по Рамановской спектроскопии (спектроскопия основная на комбинационном рассеянии света) на ЛСЭ в Дрездене (FELBE)
3. Отработка методики измерения временной динамики неравновесных носителей заряда в полупроводниках на установке "памп-проб" на базе Лазера на свободных электронах в г. Новосибирск (ИЯФ СО РАН, ЛСЭ).
4. Создание ТГц детекторов на основе кремния и германия, и квантово-размерных структур на их основе.
Постер

Poster_template_IN.ppt