Рассеяние света электронами в сильно легированных проводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ РАССЕЯНИЯ СВЕТА НОСИТЕЛЯМИ

ТОКА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ.

1.1. Классическая теория рассеяния света свободными носителями.

1.2. Квантовая теория рассеяния: света свободными носителями тока. Вырожденные зоны.

ГЛАВА II. МЕТОД ИНВАрАНТОВ В ТЕОРИИ РАССЕЯНИЯ СВЕТА.

2.1. Основная формула.

2.2. Интегральное сечение рассеяния.

2.3. Дифференциальное сечение рассеяния.

2.4. Неэкранируемые механизмы одночастичного рассеяния света свободными носителями тока в полупроводниках со сложной зонной структурой.

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ФЛУКТУАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ НА ЭЛЕКТРОННОЕ РАССЕЯНИЕ

СВЕТА В СИЛЬНО ЛЕГИРОВАННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ.

3.1. Анализ частотной зависимости 672./<Ш ¿Я. на основании законов сохранения

3.2. Выбор механизма рассеяния.

3.3. Электронные состояния в сильно легированном полупроводнике

3.4. Сечение рассеяния света с учётом крупномасштабных флуктуаций потенциала легирующей примеси

ГЛАВА 1У. КОНТРОЛИРУЕМОЕ СТОЛКНОВЕНИЯМИ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В МНОГОДОЖННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ И ВЛИЯНИЕ НА

НЕГО ОДНООСНОЙ ДЕФОРМАЦИИ КРИСТАЛЛА .:

4.1. Расчёт сечения рассеяния света на однородных междолинных флуктуация* носителей тока

4.2. Определение некоторых параметров многодолинных полупроводников по спектрам комбинационного рассеяния света.

4.3. Влияние одноосной деформации образца на электронное рассеяние света в сильно легированном п -кремнии

4.4. 0 немонотонной зависимости ширины спектра электронного рассеяния света от концентрации легирующей примеси в сильно легированных полупроводниках.

ШАБА У. РАССЕЯНИЕ СВЕТА СВОБОДНЫМИ ДОКАМИ В

ПОЛУПРОВОДНИКАХ С ВАЛЕНТНОЙ ЗОНОЙ СИММЕТРИИ

5.1. Кинетическая теория рассеяния света на носителях тока, описываемых матричным гамильтонианом.

5.2. О новом механизме рассеяния света свободными носителями тока

5.3. Влияние экранирования на дифференциальное сечение рассеяния света.

5.4. Бесстолкновительный случай

5.5. Случай частых столкновений основные вывода. литература

Интерес к рассеянию света плазмой твердого тела существовал давно [I] . Однако из-за малости томпсоновского сечения рассеяния С*") экспериментальное наблюдение этого явления стало возможным лишь после создания лазерных источников света [2] . К настоящему времени рассеяние света носителями тока выделилось в самостоятельную область физики твердого тела. Измерение интенсивности рассеянного света стало удобным бесконтактным методом определения концентрации носителей тока. Снятие спектров рассеяния при разных концентрациях доноров позволяет исследовать переход Мотта [з,41 , а в перспективе сможет стать широко используемым бесконтактным методом определения кинетических коэффициентов и их зависимостей от внешних параметров (давления, электрического поля). Такие исследования приобретают в последнее время особую актуальность в связи с использованием в микроэлектронике планарных и слоистых структур, профиль кинетических характеристик которых может быть определен только бесконтактными методами.

Несмотря на значительное число работ, посвященных рассеянию света на носителях тока в полупроводниках, ряд интересных в научном и практическом плане вопросов освещен недостаточно полно или совсем не рассматривался ранее. Так, по сравнению с рассеянием света электронами газовой плазмы [б] , рассеяние в плазме твердого тела обладает рядом особенностей, наиболее существенные из которых обусловлены спецификой электронной зонной структуры материалов [б] . При построении теории рассеяния света плазмой твердого тела основное внимание до сих пор уделялось полупроводникам с простой зоной проводимости ¡7-9] , а также многодолинным полупроводникам ^10, II] . На этих же материалах были поставлены и основные эксперименты [3,4,12,13~[ . Между тем; в современной электронике материалы с дырочной проводимостью играют не меньшую роль, чем с электронной. Экспериментальные и теоретические работы по рассеянию света свободными дырками появились лишь совсем недавно и к настоящему времени всё ещё малочисленны. Известно, что спектр свободных носителей в материалах р-типа сложный и складывается из двух подзон лёгких и тяжёлых дырок, описываемых гамильтонианом Латтинжера /см., например, [141/. Таким образом, представляет интерес развить общий метод вычисления сечения рассеяния света на носителях тока, описываемых матричным гамильтонианом. При этом необходимо учесть, что эффекты зонной структуры приводят к необычным поляризационным свойствам рассеянного света. Важно также иметь в виду, что носители тока в полупроводниках создаются, как правило, путём легирования, а легирующая примесь может влиять на спектр электронного рассеяния света существенным образом.

Решение этих вопросов в рамках данной диссертационной работы являлось конкретной задачей исследований.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Разработан, метод инвариантов для случая рассеяния света электронами в кристалле, когда существенна пространственная дисперсия.

2. Установлено, что размытие порога в сечении электронного рассеяния света при низких температурах позволяет определить параметры флуктуаций потенциала, создаваемого легирующей примесью.

3. Показано, что по электронному рассеянию света в многодолинных полупроводниках можно определять ориентацию долин, и междолинное время релаксации. Предложенный метод измерений имеет преимущества перед традиционными.

4. Показано, что исследование деформационных эффектов в рассеянии света электронами позволяет восстановить изменение засе-лённостей долин при деформации и изменение энергетического спектра носителей при деформации.

5. В полупроводниках р-типа с; изотропной валентной зоной симметрии,Гд существует новый неэкранируемый механизм рассеяния, связанный с; флуктуациями плотности,квадрупольного момента дырочной системы. Этот механизм даёт, определяющий вклад в спектр рассеянного света, так как плотность состояний рассеивающих частиц определяется эффективной массой тяжёлой дырки, а тюмпсо-новское сечение рассеяния - массой лёгкой дырки. Новый механизм может быть выделен экспериментально по его^ специфическим поляризационным. зависимостям.

Практическая значимость работы состоит, в том* что. в ней найден; новый механизм рассеяния света свободными носителями, тока в полупроводниках, который позволяет получить новую информацию о структуре валентной зоны и акцепторных уровнях. Рассмотренные в работе сильно легированные полупроводники являются неупорядоченными системами. Такие системы активно изучаются в настоящее время [15-17] , и уже наметились пути их практического использования. Проведённые в настоящей работе исследования открывают принципиальную возможность определения параметров неупорядоченных электронных систем' методом комбинационного рассеяния света. В работе показано также, что электронное рассеяние света является надёжным методом определения ряда параметров многодолинных полупроводников и, следовательно, может стать методом функционального контроля приборов, основанных на эффекте Ганна /см. напр. [18)/

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и содержит. 116 страниц, включая 8 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 63 наименований. В первой главе, которая носит обзорный характер, изложены классическая и квантовая теории рассеяния света носителями тока и рассмотрен вопрос об их соответствии. Изложена теория рассеяния света на носителях тока?описываемых матричным гамильтонианом. Во второй главе изложен метод инвариантов в применении к теории рассеяния света. В третьей главе рассмотрено влияние, крупномасштабных флуктуаций легирующей примеси, на электронное рассеяние света в сильно легированных полупроводниках. В четвёртой главе рассматривается контроли руемое столкновениями рассеяние, света в многодолинных полупроводниках, изучается влияние одноосной деформации образца на электронное рассеяние, света в гь-кремнии и по экспериментальным спектрам, которые опубликованы в литературе, определяются некоторые параметры п,-кремния. В пятой главе построена кинетическая теория рассеяния света свободными дырками в полупроводниках с валентной зоной симметрии Гд.