Поверхностные плазмон-фононные возбуждения в одновесных полупроводниках ZnO i 6H-SiC и структура на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

І

МЕЛЬНИЧУК ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ

/;

/

УДК 539.2:621.315:535

ПОВЕРХНЕВІ ПЛАЗМОН-ФОНОННІ ЗБУДЖЕННЯ В ОДНОВІСНИХ НАПІВПРОВІДНИКАХ 2пО і бН-БіС ТА СТРУКТУРАХ НА ЇХ ОСНОВІ

01.04.10—фізика напівпровідників та діелектриків

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Київ-2000

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної академії на; України

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України Венгер Євген Федорович, Інститут фізики напівпровц ників НАН України, заступник директора

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України Лнтовченко Володимир Григорович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділу фізичних основ інтегральної мікроелектроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор

Кікінеші Олександр Олександрович, Ужгородський національний університет, завідувач кафедри твердотільної електроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор

Слободяшок Олександр Валентинович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач кафедри експериментальної фізики

Провідна установа:

Чернівецький національний університет імені Ю. Федьковича, кафедра мікрослек-троніки та напівпровідникових приладів, м. Чернівці

Захист відбудеться оі 6 ол 2Лс^ 2001 р. о 14І:>год на засіданні спеціалізо

ваної вченої ради Д 26.199.02 при Інституті фізики напівпровідників НАН Україні (03028 Київ 28, просп. Науки, 45)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівировідникі НАН України (03028 Київ 28, просп. Науки, 45)

Автореферат розісланий /г ж/

2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради —' Іщенко С.С.

Актуальність теми. Використання оптично-анізотропних одновісних поляр-их напівпровідників оксиду цинку і карбіду кремнію та структур на їх основі при творенні цілого ряду напівпровідникових приладів (в тому числі люмінесцентних ідикаторів, лічильників ядерних випромінювань, короткохвильових оптоелект-онних приладів, термо-, п’єзо- і тензодатчиків, акустоелекгронних генераторів та

і.) має науковий та практичний інтерес і, безперечно, потребує дослідження їх оп-ичних та електрофізичних властивостей, провідне місце серед яких посідають ме-эди спектроскопії відбивання та поверхневих поляритонів (1111).

Залишається актуальним питання вивчення взаємодії електромагнітного випро-ішовання з різними типами коливань (наприклад, фонони, плазмони тощо) та умов, і яких відбуваються збудження і розповсюдження поверхневих електромагнітних зиль, тобто ПП. Під останніми розуміють поверхневі квазічастинки, що відповіда-іть коливанням змішаного електромагнітно-механічного характеру, максимум амп-ітуди поля яких знаходиться на поверхні твердого тіла, а амплітуда поля експонен-ійно зменшується в обох напрямках від межі поділу середовищ. Взаємодія новерх-гвих оптичних фононів із поверхневими плазмовими коливаннями вільних носіїв іряду призводить до збудження змішаних поверхневих плазмон-фононних поляри-знів (ШІФП), у яких перебудова спектра коливань максимальна, коли плазмова нагота Vp ВИЯВЛЯЄТЬСЯ близькою ДО частоти ПОЗДОВЖНІХ ОПТИЧНИХ фононів V[_.

В багатьох анізотропних напівпровідникових сполуках (наприклад, Sb2S3, іЮЗ, ZnP2, CdP2, CdS тощо) поверхневі фононні поляритони досліджено достат-ьо добре. В.В. Бриксін [Г], В.М. Агранович [2*,З*], M.JI. Дмитрук [4*] та співавто-л показали, що в анізотропних кристалах цей тип коливань на відміну від ізотроп-ях має особливості, які проявляються в дисперсійних залежностях, просторовій груктурі та коефіцієнтах затухання ПІІ.

Монокристали ZnO і 6H-SÍC кристалізуються в структурі вюртцшу і належать э однієї просторової групи Cj„ (Р63шс). Оксид цинку характеризується значною ані-»тропієїо властивостей фононної і слабкою анізотропією плазмової підсистем, в той іс як карбід кремнію (політип 6Н) - незначною анізотропією властивостей фононні' підсистеми та сильною анізотропією властивостей плазмової підсистеми. Тому ші об’єкти є модельними кристалами, зручними під час дослідження властивостей эверхневих фононних і плазмон-фононних поляритонів, анізотропії оптичних влас-івостей в ІЧ-області спектра при наявності зв'язку довгохвильових оптичних коли-шь гратки з електронною плазмою в полярних оптично-анізотропних напівпровід-ікових структурах.

Про можливість існування ПП в 6H-SÍC вперше було вказано у роботі ).А. Пасічника та співавт. [5 ], де наведено розрахунок їх дисперсійних залеж-

ностей при трьох орієнтаціях оптичної осі гексагонального карбіду кремнію ві; носно поверхні і хвильового вектора. Однак вивчення впливу анізотропії на влаї тивості ПП у сильно легованих монокристалах бН-БіС потребувало додатково досліджень. На початок виконання дисертаційної роботи в літературі були лин суперечливі дані стосовно спектра коливань гратки оксиду цинку. Анізотроп ефективної маси вільних носіїв зарядів т\ коефіцієнтів затухання фононів уф плазмонів ур, дисперсійні залежності та коефіцієнти затухання ППФП оксщ цинку при різних орієнтаціях оптичної осі кристала С відносно хвильового векті ра К в літературі взагалі не розглядалися. Г.І. Довбешко та співавт. [6*, 7*] вивчил ПП у шарах ZnO на кварці, А1, Бі тощо. Ними показано, що частоти, дисперсій залежності і коефіцієнт затухання ПП суттєво залежать від технології виготовлень структури, типу підкладинки, товщини шарів та цілої низки інших параметрів. Н віть такі фундаментальні характеристики, як частота поперечного ут і поздовжны го V!, оптичного фонона, високочастотна є» і статична є<, діелектричні проникнос при ЕІ.С і ЕЦС, у різних авторів відрізнялися на 10-40 %.

Недостатньо вивчено і ППФП, які збуджуються у полярних одновісних напі провідникових структурах при ур « і ортогональних орієнтаціях оптичної о кристала відносно поверхні ху. Перші теоретичні дослідження на прикладі однов сігах анізотропних напівпровідників зроблено Л.Е. Гуревичом та Р.Г. Тарханяно [8 ]. Автори розробили теорію поширення електромагнітних хвиль в одновісш полярних кристалах із урахуванням слабкої дисперсії оптичних коливань гратки показали, що при дослідженні ППФП в анізотропних кристалах ситуація якісь відрізняється від ізотропних. Проте відомості про вплив анізотропії фононної 1 плазмової підсистем на дисперсійні залежності ППФП гексагональних монокриї талів оксиду цинку та карбіду кремнію (політип 6Н), прояв нових дисперсійних т лок при збільшенні концентрації вільних носіїв зарядів у зоні провідності та змії орієнтації оптичної осі кристала відносно напрямку розповсюдження ППФП, кої фіцієнти затухання звичайних і незвичайних ППФП тощо в літературі до даної циклу робіт були відсутні.

Зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, тем: ми. Робота відповідає основним науковим напрямкам діяльності Інституту фізик напівпровідників НАН України і виконувалася в рамках таких тем:

1."Спектроскопія фононних, екситонних та домішкових збуджень в об'ємни напівпровідниках, квантово-розмірних шарах і багатошарових системах на осної кремнію і бінарних напівпровідникових сполук" (затверджена Постановою Бюр ВФА АН УРСР від 19.12.1989 р., протокол №10, номер державної реєстрац 01.910025907).

2. "Дослідження фізичних явищ на поверхні напівпровідників та межах розд лу фаз, перспективних для розробки нових приладових пристроїв" (затверджеи

остановок) Бюро ВФА АН УРСР від 19.12.1989 р., протокол №10, номер держав-ЗЇ реєстрації 0193Ш28658).

3. "Дослідження і моделювання нерівноважних електронних процесів, масопе-:носу і стимульованих структурно-фазових перетворень на поверхні напівпровід-иків та у шаруватих структурах; розробка на їх основі нових приладів і технологій" атверджена Постановою Бюро ВФА НАН України від 20.12.94 р., протокол №9, эмер державної реєстрації 0195Ш08108).

Мета і задачі дослідження. Виявлення нових явищ та з’ясування впливу ані-пропії фононної та плазмової підсистем на властивості поверхневих фононних, пазмон-фононних поляритонів в оптично-анізотропних напівпровідниках 2пО і Я-БіС та структурах на їх основі. Реалізація поставленої мети вимагала вирішенії таких завдань:

1. Проведення систематичних досліджень впливу анізотропії фононної та пла-ювої підсистем одновісних напівпровідників ZnO, бН-БіС та структур на їх основа властивості поверхневих поляритонів різних типів при довільних орієнтаціях іектричного вектора Е ІЧ-випроміїповання відносно оптичної осі С кристала та зильового вектора ПП.

2. Визначення умов існування, збудження та розповсюджеїшя нових типів ПФП в сильно легованих напівпровідниках 2п0 і 6Н-БІС.

3. Проведення дисперсійного аналізу спектрів ІЧ-відбивання та поверхневих зляритонів одновісних напівпровідників ZnO, 6Н-БІС і структур на їх основі ти-у 2пО-АІ20з, 2п0—6Н-БІС з метою визначення оптичних та електрофізичних па-іметрів.

4. Вивчення можливостей практичного використання ІЧ-спектроскопії відби-іння і поверхневих поляритонів при розробці методів оптичної діагностики напів-ювідпиків і пристроїв для акусто-, мікро- та оптоелектроніки.

Об’єктом дослідження є процес взаємодії ІЧ-випромінювання з поверхнею іізотропних напівпровідників та структур на їх основі як при звичайному зовніш-зому відбиванні, так і в режимі збудження поверхневих поляритонів фононного та іазмон-фоноішого типу.

Предметом дослідження обрано полярні оптично-анізотропні напівпровідники різним ступенем легування, що характеризується значною анізотропією властивос-:й фононної і плазмової підсистем. Як базові напівпровідники використовувались іновісні монокристали 2ЬО і 6Н-БІС та структури на їх основі типу гпО-АЬОз, Ю-бН-БіС.

Методи дослідження. Основними експериментальними методами досліджень ти оптичні вимірювання спектрів зовнішнього відбивання, пропускання та моди-ікованого порушеного повного внутрішнього відбивання поляризованого випромі-овання у широкому спектральному діапазоні. Вимірювання в області «залишкових юменів» та відповідних резонансів оптично-анізотропних полярних напівпровід-

ликів та структур на їх основі дають змогу визначити їх оптичні та елекгрофізичн властивості, дослідити вплив анізотропії фононної та плазмової підсистем на власти вості змішаних поверхневих плазмон-фононних поляритонів. Крім того, проведеш теоретичні дослідження методами машинного моделювання в прикладних пакета; MathCad, Excel, Pascal і співставлення їх з результатами експериментальних дослі джень. Як допоміжні методи використовувались: інтерферометрія, ефект Холла, па рамагнітний резонанс, рентгенострукгурний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті комплексних експе риментальних і теоретичних досліджень полярних оптично-анізотропних напів провідників ZnO, 6H-SiC та структур на їх основі методами спектроскопії 14 відбивання та поверхневих поляритонів вперше отримано такі наукові результати

1. Встановлено, що в монокристалах 6H-SiC та ZnO при орієнтації К±С, ху±( можливе існування чотирьох і відповідно трьох типів змішаних ППФП, збудженн: та розповсюдження яких обумовлено впливом анізотропії ефективної маси вільніс носіїв зарядів і кристалічної гратки напівпровідників 6H-SiC та ZnO на поверхнев електромагнітні хвилі; ці типи коливань відсутні у оптично-ізотропних напівпровід никах; виявлено також залежність кількості дисперсійних гілок у 6H-SiC і ZnO ви концентрації вільних носіїв зарядів у зоні провідності та від орієнтації оптичної ос кристала відносно його поверхні.

2. Теоретично передбачено та експериментально підтверджено можливість іс нування поверхневих фононних та плазмон-фононних поляритонів 2-го типу в гек сагональних монокристалах ZnO при орієнтації К||С, ху||С і отримано спектри по рушеного повного внутрішнього відбивання поверхневих фононних та плазмон фононних поляритонів. Експериментально встановлено, що затухання фононної т; плазмової підсистем оксиду цинку дозволяє зареєструвати поверхневі фононні т плазмон-фононні поляритони в околі "точки зупинки" і в реальних випадках вон; не є “особливою точкою”. Частота поперечного оптичного фонона для ZnO можі бути "точкою зупинки" лише у гармонічному наближенні. На частоті поперечноп оптичного фонона спостерігається спектр модифікованого порушеного повногі внутрішнього відбивання (111ІВВ) ПП змішаного типу, коли одночасно генерують ся ПП 1-го та 2-го типів.

3. Встановлено, що для одновісних полярних напівпровідників, значення кое фіцієнтів затухання плазмової підсистеми яких порівнянні із плазмовою частоток можливе дослідження коефіцієнтів затухання ППФП різних типів графічним мето дом. Виявлено залежність коефіцієнта затухання ППФП від частоти та хвильовоп вектора ПП в області «залишкових променів» полярних напівпровідників.

4. Показано, що коефіцієнти затухання ППФП 1-го та виявлені ППФП 2-го ти пів ZnO в околі частоти поперечного оптичного фонона можна отримати графіч ним методом. Встановлено, що просторова структура полів ПП 1-го і 2-го типів н

юявляє суттєвих особливостей ні в спектрах ПП, ні в коефіцієнтах затухання, а іляризація ПП в гексагональному оксиді цинку носить змішаний характер ЕН-пу і лише при ортогональних орієнтаціях хвильового вектора ПП відносно опти-юї осі існують ПП Н-типу.

5. Встановлено, що взаємодія ППФП тонких сильно легованих плівок оксиду інку, осаджеїшх на діелектричних і напівпровідникових підкладинках, з поверх-вими фононними поляритонами підкладинки супроводжується збудженням нової сперсійної гілки.

6. На основі дисперсійного аналізу спектрів ІЧ-відбивання та ППВВ визначено ектрофізичні властивості системи тонка плівка-гпО на діелектричних та напів-«відникових підкладинках, одержаних методом низькотемпературного плазмо-чічного синтезу при різній товщині плівки та концентрації вільних носіїв зарядів 7лО\ встановлено, що при збільшенні концентрації вільних носіїв зарядів у плів-х ХпО товщиною понад 0,4 мкм спостерігається збудження нової високочастотні дисперсійної гілки, яка проявляється завдяки плазмон-фононній взаємодії.

7. Розроблена математична модель, що враховує наявність порушеного шару . поверхні одновісних напівпровідників, дозволила шляхом порівняння розрахун-з з експериментом виявити зміни в спектрах ІЧ-відбивання при різних орієнтаці-

електричного вектора Е ІЧ-випромінювання відносно оптичної осі С і поверхні шокристала ТлО при різних обробках поверхні. Показано, що оптичні параметри зрушеного шару ZnO можна визначати за допомогою дисперсійного аналізу спек-ів ІЧ-відбивання в околі частоти поперечного оптичного фонона.

Практичне значення одержаних результатів. Серед основних результатів, з мають важливе прикладне значення для оптики напівпровідників і приладобу-вання, слід виділити такі:

1. Методами дисперсійного аналізу спектрів ІЧ-відбивання та ПП вперше римано дані щодо впливу анізотропії ефективної маси електронів та анізотропії исталічної гратки на прояв змішаних поверхневих плазмон-фононних збуджень в шокристалах бН-БіС та 2пО.

2. Розроблено безконтактний спосіб визначення концентрації По та рухливості вільних носіїв зарядів у полярних оптично-анізотропних напівпровідникових

ітеріалах, що дає можливість розширити діапазон вимірювання концентрації та хливості носіїв зарядів і підвищити точність їх вимірювань.

3. Створено оптико-механічний модулятор світлового потоку, що функціонує рахунок зміни коефіцієнта відбивання на частоті модуляції при зміні поляризації ектромагнітного випромінювання або орієнтації оптичної осі С монокристала в ющині обертання оптичного елемента.

4. Розроблено неруйнівний спосіб визначення напрямку орієнтації оптичної і оптично-анізотропних полярних одновісних кристалів.

5. Запропоновано використовувати властивості ППФП 2-4-го типів у полярних оптично-анізотропних напівпровідниках для визначення їх фундаментальних характеристик (коефіцієнтів анізотропії ефективної маси вільних носіїв зарядів, частоти довгохвильових оптичних коливань гратки, показника заломлення тощо).

6. Розроблено метод визначення оптичних параметрів порушеного шару в полярних одновісігах кристалах при використанні спектроскопії ІЧ-відбивання в області «залишкових променів».

7. Розроблено методику проведення оптичної діагностики тонких високотекс-турованих шарів ZnO на діелектричних і напівпровідникових підкладинках, яка використана для визначення ступеня легованості тонких плівок оксиду цинку, питомої провідності та рухливості вільних носіїв зарядів, товщини плівки тощо.

8. До результатів, які мають практичне значення, можна віднести також мето; визначення оптичних параметрів приповерхневої області одновісних напівпровідників шляхом порівняння поверхонь розрахункових і експериментальних значені спектрів зовнішнього відбивання та ППВВ.

Особистий внесок здобувана. В дисертації узагальнено результати досліджень, виконаних автором особисто та групою співробітників під його керівництвом. Всі експериментальні результати, представлені у дисертаційній роботі, належать авторові. Автором самостійно вивчено оптичні та електрофізичні властивості тонких плівок оксиду цинку на підкладинках карбіду кремнію (політип 6Н) при різних ступенях легування плівки та підкладинки. Досліджено частотну залежністі коефіцієнта відбивання R(v) від поверхні одновісних оптично-анізотропних монокристалів 6H-SiC за наявності зв'язку довгохвильових оптичних коливань гратки з електронною плазмою.

В роботах, які увійшли до дисертації, виконаних автором у співавторстві, йому належить участь у постановці задач досліджень, виборі та підготовці об’єктів досліджень та одержанні результатів, визначенні методів їх вирішення, провідна роль в інтерпретації цих результатів, формулюванні висновків та узагальнень на їх підставі, написанні статей.

Основна частина отриманих результатів доповідалась автором особисто на симпозіумах, конференціях, вітчизняних і міжнародних нарадах, семінарах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, що викладено у дисертації, доповідались та обговорювались на таких симпозіумах, конференціях, вітчизняних і міжнародних нарадах, семінарах: X - XIII International School-Seminars "Spectroscopy of Molecules and Crystals" (Kharkiv, 1993; Nizhyn, 1995; Sumy, 1997; Odessa, 1999), IV - VI Міжнародних конференціях з фізики і технології тонких плівок (Івано-Франківськ, 1993 - 1995), II Українській конференції "Материаловедение и физика полупроводниковых фаз переменного состава" (Ніжин, 1993), Шостому Міжнародному симпозіумі "Тонкие пленки в электронике" (Лазурне, 1995), Міжна-

родному семінарі "Спектральные и химические методы анализа: техника и практика" (Ялта, 1995), SPIE - International Conférence on "Optical Diagnostic of Material and Device for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics" (Київ, 1995), International Workshop эп Advanced Technologies of Multicomponent Solid Films and their Application in Phonies (Ужгород, 1996), VI International conférence "Physics and technology of thin films" (Івано-Франківськ, 1997), Solid State Physics: Fundamental Application international School-Conference for Young Scientists (Кацевелі, 1997), Міжнародній шнференції "Современные проблемы физики полупроводников" (Нукус, 1997), International Conférence on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro md Quantum Electronics (Київ, 1997), International Conférence “Advanced Materials” Київ, 1999), VI International Conférence “Optical Diagnostics of Materials and Devices 'or Opto-, Micro and Quantum Electronics (Київ, 1999), V International Conférence ‘Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Київ, 2000), 1 lth European Conférence on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides md Silicon Carbide (Porto, Portugal, 2000), International Conférence on Optoelectronics nformation Technologies “Photonics-ODS 2000” (Vinnitsia, Ukraine, 2000), The Third ntemational EuroConference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, Smolenice Castle, Slovakia, 2000).

Публікації. Основні матеріали дисертації відображено у 54 наукових робо-'ах, опублікованих у провідних вітчизняних та зарубіжних журналах, збірниках, матеріалах міжнародних і вітчизняних конференцій, шкіл, нарад. 28 робіт опублі-совано в реферованих фахових журналах, з них 7 виконано без співавторів; 6-у ібірниках наукових праць; 9-у матеріалах конференцій; 5-у тезах конференцій; ¡публіковано 1 препринт; оригінальні рішення захищено 5 патентами на винахід,

і яких 2 - Російської Федерації і 3 - України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розді-[ів основного тексту, кожний з яких починається вступним підрозділом і закінчує-ъся висновками, загальних висновків і списку використаних джерел. Загальний ібеяг дисертаційної роботи становить 329 стор., в тому числі 21 таблиця і 80 ри-;унків, з яких 7 зображено на 6 окремих сторінках, інші вмонтовано в текст. Спи-ок літератури налічує 298 джерел на 31 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульо-¡ано основну мету і завдання досліджень, вказано наукова новизна та практичне начення отриманих результатів, зв'язок роботи з плановими завданнями інститу-у, наведено відомості стосовно апробації роботи, публікацій, структури і корот-:ого змісту дисертації за розділами.

У першому розділі розглядаються методи дослідження властивостей плаз-мон-фононних збуджень у полярних напівпровідниках при довільних орієнтаціях електричного вектора та оптичної осі кристала. Проаналізовано рівняння розрахунку спектрів ПП та зовнішнього ІЧ-відбивання для нелегованих та сильно легованих оптично-анізотропних напівпровідників при адитивному врахуванні у діелектричні проникності взаємодії фононної та плазмової підсистем. Показано, що врахування їх затухання призводить до цілого ряду цікавих ефектів, які можуть бути зареєстровані експериментально.

На основі проведеного аналізу існуючих методів експериментального дослідження взаємодії електромагнітного випромінювання з полярними напівпровідниками встановлено, що найефективнішим методом для вивчення властивостей плаз-мон-фононних збуджень у анізотропних напівпровідниках є метод спектроскопії зовнішнього ІЧ-відбивання та модифікований метод порушеного повного внутрішнього відбивання, коли його елемент розміщується на певній відстані від поверхні зразка.

У літературному огляді розглянуто роботи, присвячені методам дослідження коефіцієнтів затухання поверхневих фононних та плазмон-фононних поляритонів rm(v). Показано, що описані методи справедливі за умов Уф < vT і ур < vp. Відзначено, що існує цілий ряд напівпровідників, у яких коефіцієнт затухання плазмонів порядку частота плазмових коливань. Наприклад, у карбіді кремнію (політип 6Н) частота поперечного оптичного фонона дорівнює 797 см'1, а його коефіцієнт затухання - 3 см"1, в той же час при сильному легуванні азотом плазмова частота в карбіді кремнію змінюється до 900 см'1 і більше при коефіцієнті затухання плазмонів 700-1200 см'1, що значно ускладнює дослідження коефіцієнтів затухання ППФП у кристалі.

Для дослідження коефіцієнтів затухання ППФП нами вперше запропоновано використовувати графічний метод визначення Гпп(у) у сильно легованих оптично-анізотропних напівпровідникових кристалах типу 6H-SiC, ZnO, теоретичне обгрунтування якого для фононних ПП подано у роботі [9*]. Встановлено, що він справедливий для кристалів, в яких існує залежність між експериментальною шириною мінімуму в спектрі ППВВ Гп та істинним значенням коефіцієнта затухання ПП Гпп і в першому наближенні вона є функцією тільки частоти та залежить від коефіцієнта затухання фонона уф.

У другому розділі наведено результати досліджень монокристалів 6H-SiC методами спектроскопії ІЧ-відбивання та ПП. За допомогою спектрометра SPECORD-М80 у поляризованому випромінюванні зареєстровано спектри ІЧ-відбивання R(v) монокристалів 6H-SiC при орієнтаціях E_LC та Е||С в області частот 200-4000 см'1 при концентраціях електронів По в кристалах від 1016 до 5 • 1019 см‘3. Коефіцієнт поляризації становить 0,98.

Концентрація електронів у с-зоні для ряду монокристалів 6H-SiC визначалась за допомогою вимірювання пропускання зразків при Е_1_С на довжині випромінювання

Рис. 1. Щу,ур) сильно легованого бН-БіС. Криві - розрахунок при уф= 12 см'1, ур = ур = 400 -ь 2400 см"1 (Дур = 50 см'1); точки - експеримент: д-ЕіС

1 -(вС-І -11,,= 8,7• 1019см3), 8 = 0,005, Урх= 2250 см'1,тгф= 23 см'1 іУрі= 700 см'1;

2 - (С-5 -л,,- 1,8 -1019 см'3), 5 = 0,004, урі= 1000 см'1, Уф= 20 см4 і Грі =900 см-’;

3 - (ПСЕ-ЗБ - По= 5 • 1018 см'3),

5 = 0,008, Урі = 620 см'1, Уф= 12 см'1, Урі=550 см'1;

5-ЕЦС

1 - (ПСЕ-ЗБ-По= 5 • 10і* см'3),

5 = 0,003,Урі= 200 см'1,7ф= 12 см'1 і Урі = 340 см'1, 8 - середньо квадратичне відхилення Кт(у) від Кї(у)

;вилі X = 0,628 мкм, для деяких монокристалів використало електронний парама-нітний резонанс. Отримані дані добре узгоджуються з результатами вимірювань за фектом Холла. Під час аналізу спектрів ІЧ-відбивання було використано об’ємні іараметри бН-БіС, одержані нами раніше. Всі виміри проводились при кімнатній ■емпературі. Монокристали 6Н-БІС мали розміри 8 х 5 х 0,5 мм3 із природною по-іерхнсю, протравленою 15 хв у плавиковій кислоті.

Теоретичні спекіри зовнішнього відбивання Я(у,ур) сильно легованого 6Н-БІС іри Е1С (а) і Е||С (б) при скануванні за частотою V та при концентраціях носіїв арядів п<,= 1,5 • 1017-ь 1,5 • 1019 см'3 наведено у вигляді кривих на рис. 1. Точками гоказано експериментальні спектри відбивання для сильно легованого карбіду ремшю (зразки типу БС-1, С-5, ПСЕ-ЗБ) при Е1С (а) і (ПСЕ-ЗБ) при Е||С (б), ’озрахунок Щу,ур) добре узгоджується з експериментальними даними за виклю-іенням діапазону 800-940 см'1. За допомогою дисперсійного аналізу спектрів відривання визначено параметри 6Н-БІС при Е1С та Е||С (див. підписи до рис. 1). ¡становлено, що причиною розбіжності Ят(у) і Ие(у) у діапазоні 800-940 см'1 є ірояв тонкого порушеного шару товщиною сі < 0,1 мкм, викликаного обробкою юверхні 6Н-БІС алмазною пастою з діаметром частинок абразива (1 < 0,5 мкм.

В результаті проведених досліджень показано, що при орієнтації Е1С істотної іізниці між спектрами відбивання природного і лінійно-поляризованого випромі-іювання не виявлено. Це свідчить про ізотропність оптичних властивостей криста-іів при Е±С.

Для легованого карбіду кремнію (політип 6Н) в спектрах ГЧ-відбивання існують два різкі спади. Під час сканування за частотою перший реєструється близько ур, другий - Уі,, в той час як максимум спостерігається завжди поблизу ут. Спектр К(у,ур) має області пропускання (іі(у,ур) » 0) та непропускання (І1(у,ур) = 1), кількість яких залежить від концентрації електронів і орієнтації оптичної осі кристала С.

Із проведених досліджень коефіцієнтів відбивання від поверхні монокристалів 6Н-БІС із різним ступенем легування вперше встановлено, що за наявності зв’язку довгохвильових оптичних коливань із електронною плазмою в сильно легованому 6Н-БІС (Е||С, 0 < 0 < 90°) можливе розщеплення областей прозорості. Коли 30 см'1 < урх< 320 см'’,у спекірах відбивання проявляється три, а коли ур1> 320 см'1 - чотири мінімуми і така ж кількість областей прозорості і непрозорості, що пов’язано з проявом у 6Н-БІС нових зв’язаних плазмон-фононішх збуджень. В роботі вперше для 6Н-БІС із По= 1,0 • 1019 см'3зареєстровано дві нові області непрозорості, перша з яких розміщена в діапазоні уь.< V < і обумовлена наявністю вільних електронів, друга - виникає в результаті екранування поля електромагнітних хвиль оптичними коливаннями кристалічної гратки і розміщена вище області «залишкових променів» (У[,+< V < £\+)- Виявлено, що збільшення концентрації електронів у зоні провідності в 6Н-БІС призводить до розширення областей непрозорості і до звуження областей прозорості. Коли 0 = 0 і 90° при Е||С в спектрах відбивання є тільки дві області прозорості і непрозорості, що узгоджується з ізотропним випадком ЕІ.С.

Отримані в пунктах 2.1-2.4 дисертації результати дозволили перейти до досліджень ППФП у монокристалах 6Н-БІС.

У дисертації показано, що для 6Н-БІС справедлива нерівність у^ < утх< Уц < Уц.. Плазмові частоти вільних носіїв зарядів урі і урц пов'язані співвідношенням УрІІ= [(т±* Єоох)/(пі||* Ємц)] шурі. Отримані раніше нами значення ефективної маси для 6Н-БІС при Е1С т_і*= 0,25 т* і при Е||С тц* = 1,75 гг^, де тс- маса вільного електрона, дозволили розрахувати коефіцієнт анізотропії плазмової підсистеми урХ = 2,682Урц. ППФП розраховувалися при врахуванні анізотропії ефективних мас електронів у 6Н-БІС, яка призводить до того, що частоти плазмонів уздовж і поперек осі С суттєво відрізняються, відповідно відрізняються і дисперсійні залежності. Проведені дослідження 6Н-БІС методом ППВВ дозволили виявити, що ППФП мають особливості, відсутні як в ізотропних, так і в нелегованих кристалах.

Встановлено, що при орієнтації КІС, ху||С в 6Н-БІС проявляються звичайні, а при КІС, хуІС і КЦС, ху||С - незвичайні ППФП. Звичайні ППФП та незвичайні при КЦС, ху||С в 6Н-БІС на відміну від поверхневих фононних поляритонів, для яких збуджується лише високочастотна гілка у5(К), мають дві дисперсійні гілки. Високочастотна гілка у+ починається в точці у = уті, а низькочастотна у' - від нуля.

Із збільшенням К (К-*оо) частоти асимптотично наближаються до значень частот змішаних поверхневих плазмон-фононів v*. При орієнтації КІС, ху±С сшуація якісно відрізняється від ізотропного випадку. З’являються нові гілки ГШФП, кількість і області існування яких залежать від концентрації електронів у зоні провідності та орієнтації оптичної осі кристала С і напрямку розповсюдження ППФП.

У роботах Л.Е. Гуревича та Р.Г. Тарханяна [8*] отримано рівності

Vo = Vpi [&*і/ЦхГ, V)2 = - 8oiVTX2] / tHx(vTl - v/)], ДЄ ЯЦ* = (І/Цл)^, при

порівнянні яких автори роблять висновок щодо можливості існування ППФП при різних значеннях К. Для монокристалів 6H-SiC v0 = l,28vpi, а v, = 4766,3 см'1. Отже, v0 = vj, коли Vpi= 3733,26 см"1. Звідки випливає, що для 6H-SiC має місце тільки нерівність v0 < vi (v < v^|), що вказує на можливість збудження дисперсійних гілок ППФП при обмежених значеннях К.

В результаті проведених досліджень вперше встановлено, що у легованих монокристалах 6H-SiC при орієнтаціях хвильового вектора ППФП відносно поверхні та оптичної осі кристала КІС, хуІС можливе збудження чотирьох типів ППФП. Показано, що при збільшенні плазмової частоти вільних носіїв (vpl> 350 см'1) у 6Н-SiC проявляється обмежена по К дисперсійна залежність 3-го топу, яка лежить в діапазоні n‘n<v<v‘x (таблиця 1).

При Vpj_> 400 см'1 існує залежність vs(K) для ППФП 4-го типу в обмеженому інтервалі значень хвильового вектора. їх частоти лежать в діапазоні iij+ < v < Vx+, тобто вище, ніж високочастотна залежність Vs(K) ППФП 1-го типу (рис. 2). Із збільшенням концентращї вільних носіїв заряду початок і кінець дисперсійних залежностей 3-го і

4-го типів зміщуються у високочастотну область. В дисертації показано, що для сильно легованого 6H-SiC (SC-З) при vPn = 280 см'1 і Vpj. = 740 см'1 теоретична дисперсійна залежність vs(K) узгоджується з експериментальною при 8 = 10'3.

На рис. 2 зображено дисперсійні залежності vs(K) ППФП 6H-SiC двох типів: ППФП 3-го (а) та ППФП 4-го (б) типів. Із рис. 2, а видно, що при Vpx = 400 см'1 vs(K) ППФП 3-го типу починається на частоті 127,8 см'1 з Кс/со^ = 0,1622 і закінчується на частоті 318,9 см'1 з Кс/со^і = 1,228.

На рис. З представлено розрахункові спектри модифікованого ППВВ ППФП

3-го і 4-го типів при використанні параметрів зразка ПСЕ-ЗБ за орієнтації КІС, ху±С монокристала 6H-SiC. Частину параметрів ПСЕ-ЗБ подано у таблиці 1. В дисертації вперше наведено розрахунки ППФП 3-го і 4-го типів при врахуванні значення коефіцієнтів затухання плазмонів уРх = 155 см'1 і уР;і= 85 см'1 та фононів уфі= уфц = 15 см'1. Розрахунки проведено при повітряному проміжку між елементом ППВВ із KRS-5 товщиною dj = 90 мкм (рис. З, а, крива 1) і d3 = 4,3 мкм (крива 2) при кутах падіння ІЧ-випромінювання а в елементі ППВВ (див. підпис до рис. З, а).

2400

1600

800

£

и

600

200

Рис. 2. Дисперсійні залежності у5(К) ППФП

3-го і 4-го типів 6Н-8ІС, КІС, хуІС: а-ППФП 3-го типу:

1-5 - Урх= 400,500,740,1000,2500 см’1;

5-ППФП 4-го типу:

1-6 - Урі= 400,500,740,1000,2250,2500 см'1

0

Мінімуми спектрів відповідають частотам умі11= 524 і 514 см'1, при цьому напівши-рина спектрів становить Гп= 22,5 і 210 см'1.

На рис. З, а (3, точки) показано вперше зареєстрований експериментальний спектр 111ШВ ППФП 3-го типу для зразка ПСЕ-ЗБ при орієнтації КІС, ху±С. Спектр записано при повітряному проміжку с^= 80 мхм і куті падіння а = 25° в елементі Ш1ВВ. В області 515-525 см'1 частоти мінімуму спектрів збігаються з розраху-

' ' Таблиця 1

Проміжки існування ППФП 1,3,4-го типів у бН-БіС

Зразок типу/ Параметри 03-1 БС-З ПСЕ-ЗБ С-5 БС-І

Урі, см'1 10 180 350 400 740 1000 2250

+ -і V х,см 4-кінець - - - 999,7 1094,7 1234,7 2325,7

Кс/сот| - - - 1,323 2,280 3,054 6,673

П и,см 4-почат. - - - 996,7 1009,3 1024,9 1207,8

Кс/со^і - - - 1,265 1,281 1,301 1,533

+ -і V , см Вис.част. 945,8 948,0 953,0 955,0 970,9 985,5 1135,8

Кс/ш-іі) 578,0 687,0 201,0 153,0 464,5 374,7 "1 ООЯ 7

у'х, см'1 3-кінець - - 281,1 318,9 538,7 645,5 771

Кс/ю^і - - 1,075 1,128 2,287 3,128 8,548

П'ц.см'1 3-почат. - - 112,0 127,8 233,5 310,8 593,4

Кс/сОт), - - 0,142 0,162 0,296 0,394 0,753

у", см'1 Низ.част. - 54,8 106,0 121,3 222,2 296,5 580,5

Кс/ш^ - 9,13 15,01 18,02 38,65 34,44 104,7

Рис. 3. і(уЩу) бН-БіС при орієнтації КІС, хуІС, 740 см'1: а-1,2,4 (криві) - розрахунок:

1-4,-90 мкм, а = 24,9°;

2 - <1, = 4,3 мкм, а = 35°;

4 - 4, = 80 мкм, а = 25°;

3 - (точки) - експеримент, зразок ПСЕ-ЗБ, <1, = 80 мкм, а = 25°;

б- 1,2 (криві) - розрахунок:

1 - 4, = 33 мкм, а = 25°;

2 - 4, =2,4 мкм, а = 35°

гасовими, але ширина спектрів значно більша (Г5> 600 см'1), що пов'язано із значними коефіцієнтами затухання ППФП 3-го типу даного зразка. Криву 4 розраховано із збільшеним у 3 рази коефіцієнтом затухання плазмонів. З порівняння спектрів 3 і 4 видно, що для цього випадку узгодження спектрів краще.

Спектри ППФП 4-го типу на рис. З, б одержано при використанні даних зразка ПСЕ-ЗБ. Мінімуми спектрів відповідають частотам умін= 1009,5 і 1084 см'1, при цьому ширина спектрів Гп = 4 і 200 см"1 відповідно. Для спектрів ППВВ (рис. З, а, б, криві 2) характерне радіаційне розширення. Експериментально спектри ППФП 4-го типу спостерігати не вдалося, що пов'язано із значними коефіцієнтами затухання плазмонів у зразках.

Вперше досліджено коефіцієнт затухання ППФП для нижньої V і верхньої у+ гілок сильно леговапого 6Н-8ІС. Встановлено, що сканування за частотою 1 -г- 960 см'1 супроводжується збільшенням коефіцієнта затухання від 5 до 117 см'1 для V' (рис. З, б) і 5 -5- 27 см'1 для V* (рис. З, а) при сталих значеннях плазмової частоти = 740 см'1 та коефіцієнтах затухання фононів Уфі = Уф» = 12 см'1 і плазмонів Урі= 830 см"1, Урн = 450 см"1.

Зміна коефіцієнтів затухання ППФП Гш пов'язана з вкладом у дисипацію енергії механічних коливань плазми та іонів кристалічної гратки. Розрахунки показали, що при значеннях ур « ух максимальна величина Гпя для низько- і високочастотної гілок лежать в області між уф і ур, причому низькочастотна гілка має переважно плазмову природу. В дисертації показано, що максимальне значення дорівнює об'ємному затуханню плазмонів ур. Верхня гілка має переважно фононний характер і відповідно Гщ, - максимум при значеннях, рівних затуханню об'ємного фонона.

Рис. 4. Щу,\'р) 2п0: криві -розрахунок при ур = ур = 400 -*■ 2400 см'1 (Дур =50 см'1); точки - експеримент:

1 - (г09 (Д)-п„=5 • 1019 см"3), б = 0,002, ур1= 2150 см'1,

Уф =40 см'1 і Урі= 1480 см'1;

2 - (гСІМ (о) По= 4,2 • 1018 см'3),

5 = 0,002, Урі= 605 см'1, Уф= 14 см'1 і Урі= 1020 см'1;

3 - (гоб-в (■)—По — 2 • Ю18 см'3),

6 = 0,003, Урі= 420 см'1, Уф = 21 см'1 і Урі= 406 см'1

Третій розділ включає опис експериментально підібраних умов вирощування оксиду цинку гідротермальним методом, які дозволили вперше отримати монокристали розміром 10x8x8 мм3 за зміни концентрації легуючої домішки від 1016 до 5 • 1019 см'3. Монокристали Ъх\0 були безкольорові або блідо-жовтого кольору, ізометричного габітусу, що характеризуються низькою густиною дефектів упаковки, відсутністю політипних модифікацій. Всі монокристали ЪаО перед термообробкою орієнтувались за площинами спайності, коноскопічній картині та рентгенівським методом.

Методом ІЧ-спектроскопії досліджено поверхню зовнішнього відбивання Щу.Ур) монокристалів оксиду цинку при скануванні за частотою в діапазоні 200-1000 см"1 та концентрації електронів від 1018 до 5 ■ 1019 см'3 (рис. 4, криві). При розрахунках використовувались отримані нами раніше взаємно узгоджені об’ємні параметри ZnO і Уф = 14 см'1. В роботі вперше зареєстровано прояв анізотропії фононної та плазмової підсистем в спектрах зовнішнього відбивання ZnO при Е±С і Е||С. Характерні особливості анізотропії властивостей гратки проявлялися на частоті 200-560 і 700-1100 см'1, де форма іфивих близька одна до одної. Чітко зареєстровано відмінності спектрів Я(у,ур) 2п0 в діапазоні 580-660 см"1, що пов’язано із анізотропією коливального спектра кристала, з різними концентраціями електронів в цих зразках та анізотропією властивостей плазми носіїв зарядів.

Встановлено, що максимальне відхилення розрахункових спектрів К(у,ур) від експериментальних спостерігається в області 500-700 см'1 (рис. 4 ). Ми пов'язуємо це із залежністю коефіцієнта затухання плазмон-фононної моди від частоти. На основі проведених досліджень отримано залежності коефіцієнтів затухання оптичних фононів уфі,ц 2пО від частоти плазмового резонансу. Показано, що підвищення концентрації електронів до 5 • 1019 см'3 призводить до збільшення Уф від

11 до 40 см'1. Аналіз спектрів показав, що Уфі = Уфи = Уф. Зміна концентрації елект-

ронів пов'язана з наявністю міжвузлового цинку. Лише 0,1 % його атомів "виступає як активний донор. Тому така значна кількість цинку між вузлами в кристалі призводить до високої концентрації дефектів, що проявляється в підвищенні коефіцієнтів затухання фононів і плазмонів.

Вперше досліджено коефіцієнти відбивання від поверхні монокристалів ZnO в ІЧ-області спектра при врахуванні коливань трьох попарно зв’язаних підсистем: електромагнітних хвиль, оптичних коливань гратки і плазмових коливань вільних носіїв зарядів. Показано, що значна анізотропія фононів і незначна анізотропія плазмонів призводять до ряду особливостей спектра зв’язаних коливань і областей прозорості. У випадку © 5* 0,и/2 в спектрах відбивання спостерігаються чотйри області повного відбивання та чотири мінімуми. Визначено умови, за яких можливе експериментальне дослідження областей прозорості.

Експериментально доведено, що у формуванні Щу) в області «залишкових променів» бере участь тонкий приповерхневий шар кристала, найбільш чутливий до поверхневих обробок в області частот у^ц. Для зменшення його впливу кристали ZnO полірували стандартними абразивними мікропорошками (ВС-3), алмазною пастою з наступним травленням. Обробка поверхні монокристалів 2пО в ряді випадків відповідала 14-му класу точності. Контроль за товщиною та орієнтацією монокристалів ZnO здійснювався за допомогою рентгеногоніометра.

Вперше показано, що Щу,ур) з точністю 5 = 10"3 моделюється системою тонкий поглинаючий однорідний шар на поглинаючій “напівнескінченній” підкладинці. Ця математична модель дозволила запропонувати метод визначення оптичних та електрофізичних властивостей тонкого порушеного шару на поверхні одновісних оптично-анізотропних напівпровідників в широкому діапазоні концентрацій носіїв зарядів.

Розділ включає результати дослідження властивостей ППФП монокристалів ZnO при використанні в розрахунках даних, одержаних за допомогою методу спектроскопії зовнішнього відбивання.

Розміри монокристалів ZnO дозволили за допомогою спектрометра ИКС-29М і приставки НІ ЇВ0-2 вперше зареєструвати спектри ППВВ у р-поляризованому випромінюванні для довільних орієнтацій поверхні кристала 2пО відносно осі С і напрямку розповсюдження ПП. В якості елемента ППВВ використано напівциліндр із КІІБ-5. Точність установки кутів у приставці НПВО-2 з елементом із КЛ8-5 відповідає 0,1°. Спектральна ширина щілини під час запису спектрів ППВВ з поляризатором дорівнює 3 см'1. Експериментальні спектри ППВВ вказують на чітко зареєстровану анізотропію оптичних властивостей кристалічної гратки в області «залишкових променів».

Вперше досліджено дисперсійні залежності та коефіцієнти затухання ППФП в анізотропному оксиді цинку. На основі отриманих взаємно узгоджених параметрів ZnO та при використанні загальної теорії поверхневих поляритонних етапів в анізот-

1,1 Кс/шт,

Рис. 5. у5(К) ПП 1-го і 2-го типів ZпO при К||С, ху||С: - -

точки - експеримент (зразок 202 - 3; па=9,3-'і016см’3);

суцільна лінія - розрахунок

1,0

ропних кристалах розраховані дисперсійні залежності ПП 2пО, коли вісь С орієнтована під кутом до хвильового вектора К або лежить в площині, перпендикулярній до К.

Продемонстровано добре узгодження розрахункових дисперсійних залежностей із експериментальними. Виявлено вплив анізотропії кристалічної гратки на дисперсійні властивості ПП.

В роботах В.В. Бриксіна та співавт. [1*] ПП, які виникають в областях, де головні значення тензора діелектричної проникності кристала від'ємні, названі поверхневими поляритонами 1-го талу, а в областях, де одна з цих величин від'ємна, а друга додатна - поляритонами 2-го типу. Останні існують лише в анізотропних кристалах і не мають аналога в ізотропних середовищах. Нами вперше вивчено ППФП 1-го і 2-го типів в анізотропному ZnO. Встановлено, що ППФП 2-го типу дяя^пО існують в діапазоні частот 380-412 см'1 при орієнтації К||С, ху||С. Частота 412 см’1 є межею між ПП 1-го і 2-го типів, її називають “особлива точка”, або "точка зупинки". На рис. 5 у збільшеному масштабі зображено частину дисперсійної залежності у5(К) в області частот 380-420 см'1. Практично у5(К) представляє собою пряму, що переходить із ППФП 2-го типу в у5(К) 1-го типу. Показано, що наявність затухання дозволяє зареєструвати ПП в околі "точки зупинки" і в реальному випадку вона не є “особливою точкою”. В нашому випадку спектри ППФП 2-го типу плавно переходять в спектри 1-го типу. Встановлено, що частота 412 см’1 може бути "точкою зупинки" лише в гармонічному наближешгі. На частоті 412 см’1 спостерігаються спектри ППВВ ПП змішаного типу, коли одночасно генеруються ПП 1-го і 2-го типів. Встановлено, що коефіцієнти затухання нелегованого 2п0 для цих частот однакові і дорівнюють 4 см'1, хоча реальні спектри 1ЇЇІ значно ширші. Визначено умови дослідження незмішаних "чистих" ПП 2-го і 1-го типів.

Теоретично передбачено та експериментально підтверджено залежність властивостей ПП від орієнтації оптичної осі кристала С, ступеня легування 2п0 та взаємного розташування частот полярних коливань кристалічної гратки при Е1С та Е||С. На підставі одержаних результатів для ПП 1-го і 2-го типів зроблено висновок про ефективність одночасного використання методу спектроскопії

цих типів ПП як незалежного, неруйнівного методу для визначення частот полярних коливань ZnO і концентрації вільних носіїв зарядів, напрямку оптичної орієнтації осі кристала С, що співпадає з даними рентгенострукгурного аналізу з точністю до розорієнтації кристала.

Для монокристалів 2пО із ступенем легування від 1017 до 5 • 1019 см'3 досліджено коефіцієнти затухання поверхневих фононних та плазмон-фононних поля-ритонів 1-го та 2-го типів. Показано, що затухання ППФП 2-го типу зі збільшенням частоти монотонно зростає. Дисперсійний аналіз коефіцієнтів затухання ПП показав, що експериментальні значення Гщ, більші за розрахункові на 5-10 %. Причиною цього є дисипація енергії у приповерхневому шарі, а також на шорсткостях поверхні реальних кристалів, які існують навіть при високій чистоті обробки зразків. Дослідження дисперсійних залежностей ПП 2-го типу були проведені раніше в роботах Д.Н. Мірліна, І.І. Решіної, В.Л. Стрижевського та інших авторів, але коефіцієнти затухання ПП 2-го типу нами досліджені вперше. Збільшення концентрації електронів до 6,6 • 10і7 см'3 в околі частоти 412 см'1 призводить до прояву коефіцієнта затухання Гш= 5,5 см'1. Коефіцієнти затухання ПП 1-го типу у нелегованому 2ЬЮ в діапазоні від 406 до 530 см'1 змінюються від 3,8 до 13,6 см'1 при К||С, ху||С; від 4,1 до 15,2 см'1 при КІС, хуіС і від 4,3 до 17 см'1 при КІС, хуЦС.

Математичний експеримент показав, що ширина лінії в теоретичних спектрах ППВВ для монокристалів оксиду цинку менша величини об'ємного затухання фонона і лише при граничній частоті досягає його значення Гпп. Експериментальні значення Гпп, що визначаються за напівшириною мінімумів спектрів ППВВ, виявляються більшими, ніж затухання об'ємних фононів. Причиною цього є дисипація енергії у навколишньому середовищі (це можуть бути порушені аморфизовані шари, порушення ближнього порядку в приповерхній області ZnO, що формують сигнал ППВВ, включення нестехіометричного походження тощо), а також шорсткості реальних поверхонь, які мають місце навіть при високій чистоті обробки зразків.

Для полярних одновісних напівпровідників принциповим питанням просторової структури полів є проблема поляризації поверхневої електромагнітної хвилі. Автором показано, що при ер та 0 = 0, 90 ПП є Н-хвилею. Можлива відміна ПП від Н-хвилі пов'язана з двокомпонентною структурою поля. Для оцінки ступеня цієї відміни введено поляризаційний параметр (двохкомпонентності) т]. Встановлено, що при 0 < т) < 1 ПП має змішаний характер ЕН-хвилі. Для Н-хвилі т| - 0, а для хвилі Е-типу ті = 1. Розраховані залежності поляризаційного параметра ПП т|(ср) і т|(0) від хвильового вектора вказують на їх немонотонний характер. Залежність т|(0) має максимум в області Кс/со^ = 1,8 2,2. г|(0) прямує до нуля при Кс/<а^ -> оо. При

Кс/ої^і —> 1 т](ф) і г|(0) значно зростають:

В 2пО при орієнтації КІС і хуіС (0 = 0) можливе існування трьох дисперсій -

Рис. 6. vs(K) ППФП ZnO для орієнтації Рис. 7. vs(K) ППФП 3-го типу ZnO для

КІС, xy-LC: Vpi^ 605 см1; vril = 650 см"1 КІС, хуіС: 3’ - Vpj = 1300 см"1;Урц= 1430 см'1;

З - vs(K) ППФП 3-го типу ZnO (зразок ZC ЇМ)

них гілок vs(K), а не чотирьох, як передбачається теоретично. Відсутність четвертої Vs(K) в ZnO зумовлена невиконанням умови Ц+ < v < vi+. Особливий інтерес представляють дисперсійні’залежності vs(K), що належать до так званих ППФП 3-го типу, які проявляються лише в анізотропних кристалах при концентрації електронів у зоні .провідності вище визначеної граничної (Vpi > 550 см"1 - для ZnO зокрема). Оскільки для монокристалів ZnO mx*= 0,26 т*, де т/ - поперечна ефективна маса ’ електронів, то v0= l,0129vpb аУ]= 1091,17 см'1. v0=v, при vPi= 1077,27 см'1.

На рис. 6 подано vs(K) ППФП 3-го типу для зразка ZC1M, область існування яких обмежена прямими £[= 1, ш = Кс і €±= 0, тоді уПф+ = 719 см'1 (крива 1), vint,'= 305 см'1 (крива 2). Крива З починається на частоті Пц‘= 309,9 см'1 при Кс/ш^ = 0,815 і закінчується на частоті vj. = 318,4 см'1 при КсЛа^ = 1,632. Криву 3 у збільшеному масштабі зображено на рис. 7, а. Нами показано, що дані, представлені на рис. 6 і 7, а), відповідають випадку v0 < vi (vj_'< v^). Якщо v±' > vT||, то vs(K) існує при всіх К > Ц/с (рис. 7, крива 3'). vs(K) ППФП 3-го типу ZnO (крива 3 ) розраховано за vpi= 1300 см"1 і Vpü = 1430 см"1. Тоді уПф+= 1273,7 см"1 і упф'= 363,58 см"1 при Кс/©^-» оо. При цьому vs(K) (крива 3) починається на частоті 363,8 см"1 і при Кс/ш^ -> оо прямує де значення V3 = 390 см'1. На підставі одержаних результатів зроблено висновок, що коли vj."> Уф ППФП 3-го типу існують при Кс/ш^,—>со і умови існування ППФП ш частотах від i2|f до vT]| аналогічні ППФП 2-го типу, а в діапазоні від vTii до vx' проявляються ППФП 1-го типу.

При використанні даних зразка ZC1M вперше розраховано спектр ППВВ ППФП 3-го типу. Його одержано при врахуванні коефіцієнтів затухання фононної (Тф-Ц! = 6 см"1) та плазмової (ур.у = 1 см"1) підсистем при куті падіння 14-

іипромінювання 28 і величині зазору між елементом і зразком 26 мкм. Мінімум :пектра ППФП 3-го типу знаходиться на частоті умін = 312,5 см'1 при Кс/ц)тц = 0,92.

У четвертому розділі наведено результати комплексних досліджень тонких шівок оксиду цинку на діелектричних і напівпровідникових підкладинках, отри-іаних в умовах плазмохімічного низькотемпературного синтезу. Показано, що іаний метод дозволяє одержувати прозорі, текстуровані плівки оксиду цинку то-іщиною від 0,01 до 10 мкм на підкладинках А1203, БІОг, бН-БіС при концентрації ілектронів у зоні провідності ЪъО від 1017 до 5 • 1018 см'3, які знаходять широке іастосування в оптоелектроніці. При легуванні плівок ТпО використано високоле-гкі металоорганічні сполуки (3-дикетонати відповідних металів індію, алюмінію, ■алію. Встановлено зв’язок оптичних та електрофізичних характеристик одержу-іаних плівок 2п0 із технологічними параметрами процесу осадження та визначе-ю їхні оптимальні значення.

Методами спектроскопії ІЧ-відбивання та ПП досліджено оптичні та електрофізичні властивості плівок гпО на підкладинках А120з, БіСЬ, бН-БіС тощо. Встановлено, що наявність вільних носіїв зарядів (електронів) у плівках ЪпО порядку п0= 1018-1019 см'3 істотно деформує спектр відбивання в області 400-1200 їм’1. Однак зміна положення легованих плівок оксиду цинку на діелектричних і іапівпровідникових підкладинках у площині ху практично не змінює форми спек-гра іі(у), що свідчить про ізотропність оптичних та електрофізичних властивостей іосліджуваної системи. На основі одержаних результатів було зроблено висновок, цо оптична вісь текстурованих шарів оксиду цинку на підкладинках А1203, 8і02, зН-БіС перпендикулярна до площини ху. .

Вперше методом дисперсійного аналізу спектрів ГЧ-відбивання визначено їлазмову частоту та коефіцієнти затухання фононів уф = 12 25 см'1 і плазмонів

гр = 100 800 см'1, які змінюються залежно від технології отримання й обробки ша-

рів оксиду цинку. Показано, що спектри ГЧ-відбивання структур типу 2п0-АІ203, ^пО-бН-БіС, гпО-БіОг добре моделюються при використанні взаємно узгоджених іараметрів (див. розділ 3) для монокристалів ТпО, що підтверджує перспективність летоду ІЧ-спектроскопії при визначенні як електрофізичних властивостей плівок ІпО, так і ступеня їх текстурованості.

На прикладі 2лО-6Н-БіС показано, як зміна ступеня легування плівки та підк-іадинки може впливати на коефіцієнт відбиваїпія в області «залишкових променів». Зстановлено, що вигляд спектрів відбивання складним чином пов'язаний з інтенсивностями коливань. У той же час є проста кореляція спектра відбивання з частотами толюсів і нулів є(у), тобто з частотами поперечних і поздовжніх оптичних фононів. Гочка перегину низькочастотного схилу першої (діапазон 300-500 см'1) та другої діапазон 700-1000 см'1) смуг відбивання близька до частоти поперечного оптично-х> фонона оксиду цинку та карбіду кремнію (політип 6Н) відповідно, а високочастотного схилу - до частоти поздовжніх оптичних фононів цих напівпровідників.

При товщині плівки <і < 90 нм форма спекіра Я(у) визначається переважно підклг динкою бН-БіС, а плівка оксиду цинку при ё > 10 мкм має форму спектра відбі вання "напівнескінченного" 2п0. Зміна ступеня легування підкладинки 6Н-БІС ві

5 • 1017 до 3 • 1018 см'3 характеризується зміщенням ІІЕ(у) і ІЩу) в області мінімум «залишкових променів» підкладинки бН-БіС на 18 см'1 та необхідністю врахували при аналізі спектрів Я(у) наявності плазмон-фононної взаємодії.

Експериментально встановлено, що уф у плівці 2пО суттєво впливає на спекі відбивання структури гпО-бН-БіС тільки в області частоти поперечного оптичног фонона 2п0 (412 см'1). В інших діапазонах вплив уф на Щу) практично відсутній.

Методом спектроскопії ПП досліджено напівпровідникові структури типу НЕ півпровідник-діелекірик та напівпровідник-напівпровідник.

У дисертації теоретично передбачено, що в системі гпО-БЮг існують три да сперсійні гілки ПП, однак експериментально було зареєстровано лише дві гілю Спостереження третьої гілки обмежувалось можливостями спектрофотометра. І разі товщини плівки сі < 0,1 мкм відстань між у5(К) максимальна. Високочастотна низькочастотна гілки дуже близькі до частоти Уь плівки оксиду цинку і до диспер сійної гілки плавленого кварцу відповідно. Зі зростанням товщини плівки ці гілк зближуються, і для <1 > 10 мкм вони відрізняються тільки при дуже малих значенії хвильового вектора (К < 2,3) та практично співпадають при великих К. Результук ча вироджена гілка накладається на дисперсійну криву монокристала 2п0. При фі ксованій товщині плівок (3-10 мкм) збільшення К призводить до "переключення локалізації поля від однієї границі поділу до іншої, а при товщині плівки 1-2 мю відбуваються резонансні ефекти: ріст амплітуди електричного поля ПП та збілі шеїшя відстані між дисперсійними гілками (особливо при малих значеннях К) вне слідок просторового перекривання полів, локалізованих на різних іраницях плівки

У роботі показано, що для найбільш товстих плівок високочастотна гілка ПІ локалізована на межі поділу йіО-повітря, а дві інші гілки - 2пО~8Ю2. Однак бул помічено, що при товщині плівки 1-2 мкм області локалізації ПП на двох різни границях поділу помітно перекриваються, це може призвести до їх змішування.

Із проведеного аналізу одержаних результатів встановлено, що якщо товщин плівок 2п0 більша 10 мкм, то слід говорити про ПП, локалізовані на межі повітря ■ 2пО або І&іО-БіОг відповідно. Для більш тонких плівок, коли їх товщина стає та кою ж, як область локалізації ПП (а = 1-2 мкм), відбувається змішування останні? які належать до вказаних границь. У тонких плівках ((і < 1 мкм) амплітуди поля усіх трьох середовищах одного і того самого порядку. Урахування затухання ПІ призводить тільки до малих змін положення їх гілок і розподілу полів.

Методом ППВВ досліджено дисперсію ПП одновісного А12Оз. Експеримен тальні результати показали прояв чотирьох дисперсійних гілок. Зареєстровано зале жність частоти ПП для четвертої високочастотної гілки (630-820 см'1) від орієнтаці оптичної осі відносно поверхні кристала та хвильового вектора.

Аналіз проведених досліджень ПП системи плівка-ZnO на сапфірі показав, що ри товщині шару порядку 0,01-6 мкм дисперсійна залежність ZnO ПП має висо-очастотну та низькочастотну гілки. Перша з них гілка фононних ПП проявляється спектрах ППВВ у діапазоні частот 571-600 см'1, а низькочастотна - 443-483 см'1. Гри зменшенні товщини плівки ZnO від 1 до 0,01 мкм граничні частоти низькочас-отної гілки зміщуються в область менших частот на 7 см'1, а граничні частоти ви-окочастотної гілки збільшуються на 2 см’1.

У п’ятому розділі розглянуто деякі можливості та приклади практичного за-госування результатів досліджень, викладених у попередніх розділах.

Дано опис запропонованого оптико-механічного модулятора світлового пото-у. Спосіб дозволяє здійснювати амплітудну модуляцію електромагнітного випро-[інювання серійних С02-лазерів, що працюють у неперервному режимі генерації. Іого суть полягає в тому, що модулюючий елемент, виготовлений із оптично-нізотропного монокристала лейкосапфіра, жорстко кріпиться в оправі таким чи-ом, що плоска поверхня перпендикулярна до осі двигуна і обернена до джерела та риймача випромінювання. Експериментально встановлено, що для А120з при орі-нтації Е±С в області мінімуму «залишкових променів» 900-1050 см'1 R(v) рівний улю, а при Е||С значення R(v) у цьому діапазоні максимальне (93 %). Змінюючи апрям орієнтації оптичної осі монокристала, при повороті А120з на 90°, можна їійснити амплітудну модуляцію електромагнітного випромінювання за рахунок мшга інтенсивності R(v) в області «залишкових променів».

Головна відмінність даного способу модуляції від існуючих полягає в тому, Ю оптико-механічний модулятор простий за конструкцією та у використанні, за-езпечує великі коефіцієнти модуляції (понад 90 %) потужного світлового потоку з щетиною енергії до 45 Вт/см2, має велику швидкість дії, не потребує унікального бладнання і може бути широко використаний у радіо-, фото-, пірометрії, косміч-ій техніці та інших галузях вимірювальної техніки, пов'язаної з модуляцією світ-эвого потоку енергії в хімічно та радіаційно-активних середовищах при темпе-пурідо 1000 °С.

Представлено неруйнівний спосіб визначення концентрації По і рухливості jíl льних носіїв зарядів у полярних оптично-анізотропних напівпровідниках. Показа-

э, що для визначення n<, і ¡íl достатньо виміряти R(v) на двох частотах V! та v23 об-істі мінімуму «залишкових променів» матеріалу:

Значення Я(у,) та Я(у2) підставляють у формулу для розрахунку И(у), яка адити-ю враховує вклад фононної та плазмової підсистем у діелектричну проникність.

□М визначаються концентрація та рухливість вільних носіїв зарядів у кристалі.

[аємо два рівняння з двома невідомими (всі інші параметри відомі). За допомогою

Переваги цього способу очевидні, оскільки необхідно виміряти лише два значення R(v) на заздалегідь відомих частотах, постійних для даного полярного напівпровідника. Точність визначення По і Ць в даному способі залежить лише від точності експериментального визначення R(vi,2), які вимірюються з точністю ± 1 %.

Як приклад метод апробовано для монокристалів ZnO та 6H-SiC. Для них булс розроблено прості аналітичні вирази, які характеризують залежність концентраціЗ носіїв зарядів від коефіцієнта відбивання на частоті мінімуму в області «залишкові» променів» (за відомих параметрів полярного кристала, включаючи значення коефіцієнтів затухання плазмонів). Враховуючи їх, можна визначати концентрацію носін заряду, вимірявши зміну коефіцієнта відбивання AR(v) та частоту vm„.

Запропоновано спосіб визначення напрямку орієнтації оптичної осі оптично-анізотропних полярних одновісних кристалів, який полягає в тому, що на плоск) поверхню монокристала направляють пучок лінійно-поляризованого інфрачервоного випромінювання з області «залишкових променів». Експериментальне значення R(v) реєструється на частоті Vr із вказаної області, теоретично вона визнача ється за допомогою отриманого нами рівняння:

R(v R)=0,35-exp S°-^ ~є у1 .

Е0П ~ЄооП

Для кожного полярного кристала резонансна частота vR є величина стала, якг належить ІЧ-діапазону. Крім того, якщо товщина порушеного шару d < 1 мкм, то Vi визначається тільки параметрами кристалічної гратки та напрямком орієнтації оптичної осі С.

Напрямок орієнтації оптичної осі визначається шляхом- порівняння R(v), розрахованого запропонованою математичною моделлю з експериментальним значення* резонансної частоти. Статична та високочастотна діелектричні проникності, частотг поперечного і поздовжнього оптичного фонона в даній математичній моделі є функцією кута а (а - кут між напрямком електричного вектора Е та оптичною віссю кри стала С). Точність визначення напрямку орієнтації оптичної осі залежить від достовірності R(vr), яка в області резонансної частоти визначається з точністю 1-2 °/ стандартними промисловими приладами без необхідності їх модернізації (заміна фі льтрів, граток, приставки для відбивання і т. д.), що розширює можливості застосу вання способу, спрощує та робить його універсальним.

Закінчується робота основними висновками за результатами досліджень і роз робок, переліком використаної літератури.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення на укової проблеми, що виявляється у з’ясуванні впливу анізотропії фононної та плаз мової підсистем на властивості поверхневих фононних та плазмон-фононних поля ритонів в оптично-анізотропних полярних напівпровідниках ZnO і 6H-SiC та струк турах на їх основі. Досліджено процес взаємодії випромінювання з поверхнею анізо

эпних напівпровідників та структур на їх основі як при звичайному зовнішньому ;биванні, так і в режимі збудження поверхневих поляритонів фононного та плаз-н-фононного типів в області «залишкових променів». Показано, що цілий ряд в их явищ, які спостерігаються в анізотропних кристалах, зокрема, прояв ППФП

4-го типів, перспективні для практичного використання. Практична корисність і вгона підтверджена оформленими патентами. Головні наукові і практичні ре-іьтати роботи:

1. Анізотропія ефективних мас вільних носіїв зарядів (електронів) та кристаліч-' гратки в бН-БіС призводить до прояву нових дисперсійних гілок нерадіаційних

І, які пов’язані з поверхневими плазмонами і з поверхневими оптичними фонона*

. Показано, що для сильно легованого бН-БіС при орієнтації КІС, хуІС існує чо-т дисперсійних гілки. Визначено критерії збудження та поширення ППФП 3-го

4-го типів. Показано, що останні існують в обмеженому інтервалі значень хвильо-■о вектора і завжди знаходяться вище відповідно низькочастотної і високочастот-' гілок ППФП. При збільшенні концентрації вільних носіїв зарядів початок і кі-ц, дисперсійних гілок 3-го і 4-го типів зміщуються у високочастотну область.

2. Теоретично та експериментально досліджено поверхневі фононні та плазмон-нонні поляритони гексагональних монокристалів 2пО при трьох ортогональних єнтаціях осі С відносно напрямку поширення ПП. Показано, що поляризація ані-ропішх ПП оксиду цинку носить змішаний характер ЕН-типу і лише при ортого-іьішх орієнтаціях хвильового вектора ПП відносно оптичної осі С ПГІ Н-типу.

3. Вперше теоретично визначено області існування поверхневих фононних та ізмон-фоноіших поляритонів 2-го типу в монокристалах 2пО при орієнтації К||С, |С та експериментально отримано їх спектри. Експериментально встановлено, що ухання фононної та плазмової підсистем оксиду цинку дозволяє зареєструвати зерхневі фононні та плазмон-фононні поляритони в околі "точки зупинки" і в ре-.них випадках вона не є особливою точкою, а частота поперечного оптичного фо-іа при Е1С для гпО може бути «точкою зупинки» лише у гармонічному набли-пні. На даній частоті спостерігається спектр ІIIІВВ ПП змішаного типу, коли ге->уються одночасно ПП 1-го і 2-го типів.

4. Досліджено коефіцієнти затухапня поверхневих фононних та плазмон-нонних поляритонів 1-го та 2-го типів в анізотропному оксиді цинку. Виявлено ежність коефіцієнта затухати ПП від його частоти та хвильового вектора в ді-ізоні 406-530 см'1 (орієнтація К||С, ху||С). Встановлено, що спектри ППФП 1-го і о типів в околі частоти поперечного оптичного фонона для сильно легованого

Э за властивостями практично не відрізняються від спектрів ППВВ для фонон-с ПП, єдина відмінність - збільшений коефіцієнт затухання ППФП.

5. Показано, що при концентрації вільних носіїв зарядів (електронів) > 1018

3 у монокристалах ХпО за орієнтації КІС, хуІС проявляються нові дисперсійні ш, які відсутні в ізотропних кристалах. Вперше встановлено, що кількість дис-ісійних гілок у 2пО змінюється при зміні концентрації вільних носіїв зарядів, ма-

ксимально їх три. ІШФП 3-го типу виникають при певних значеннях хвильового вектора та існують або при необмеженому збільшенні хвильового вектора К чи в обмеженому зверху інтервалі його значень. •

6. Вперше отримано спектри ПІ IB В ППФП 3-го і 4-го типів для оптично-анізотропних одновісних кристалів. Показана можливість їх експериментального дослідження.

7. Показано можливість визначення оптичних та електрофізичних властивостей тонких легованих плівок оксиду цинку на діелектричних та напівпровідникових підкладинках в області «залишкових променів» плівки та підкладинки методами спектроскопії ППВВ та ІЧ-відбивання. Встановлено, що оптична діагностика анізотропних структур на основі математичної моделі, яка адитивно враховує вклад фононної та плазмової підсистем плівки та підкладинки в діелектричну проникність, дозволяє одержувати значення рухливості та провідності носіїв зарядів у тонких плівках оксиду цинку на напівпровідникових підкладинках.

8. Вперше встановлено критерії, за яких можливе розщеплення областей прозорості у спектрах зовнішнього відбивання в сильно легованих оптично-анізотропних напівпровідниках. Виявлено, що максимальна кількість областей прозорості і непрозорості не перевищує чотирьох.

9. Показано, що в анізотропному карбіді кремнію (політип 6Н) наявність областей прозорості 3-го та 4-го типів зумовлена проявом нових змішаних плазмон-фононних збуджень, перша з яких розміщена в області довгохвильових оптичних коливань гратки і обумовлена наявністю вільних електронів, друга виникає в результаті екранування поля електромагнітних хвиль оптичними коливаннями кристалічної гратки і розміщена вище області «залишкових променів». Встановлено, що збільшення концентрації електронів у зоні провідності в 6H-SiC призводить до розширення областей непрозорості і до звуження областей прозорості. Коли © = 0 і 90 при Е||С в спектрах відбивання є тільки дві області прозорості і непрозорості, що узгоджується з ізотропним випадком Е1С. Виявлено, що для збудження незвичайної електромагнітної хвилі суттєвою є як анізотропія фононної підсистеми, так і анізотропія ефективних мас носіїв зарядів, чим і можна пояснити відсутність розглянутих ефектів у кубічних напівпровідникових кристалах.

10. Методом спекіроскопії ППВВ досліджено властивості ПП (дисперсія, просторова структура поля тощо) плівки ZnO на діелектричних і напівпровідникових підкладинках. Показано, що області «залишкових променів» плівки та підкладинки можуть не перекриватися, частково або повністю перекриватися залежно від типу підкладинки. На основі проведеного розподілу z-компоненти електричного поля від хвильового вектора ПП встановлено належність поляритоіпшх гілок до відповідних границь поділу, що дозволяє більш точно визначити параметри плівки на межі поділу повітря-плівка і плівка-підкпадинка.

11. Досліджено властивості поверхневих фононних та плазмон-фононних поля-

іитонів тонких плівок ZnO залежно від товщини шару і концентрації носіїв зарядів у іьому. Показано, що при товщині плівки 0,01-6 мкм дисперсійна залежність фонон-шх ПП плівки має високочастотну та низькочастотну гілки. Встановлено, що при меншенні товщини плівки ZnO низькочастотна дисперсійна гілка зміщується у ко-юткохвильову, а високочастотна - у довгохвильову ІЧ-області. Виявлено вплив ша->ів ZnO різної товщини на дисперсійні гілки сапфіра: збільшення товщини шару йіО призводить до зменшення граничної частоти поверхневого фононного поляри-она сапфіра.

12. Розроблено оптико-механічний модулятор світлового потоку, що дозво-іяє здійсшовати модуляцію електромагнітного випромінювання серійних С02-іазерів в екстремальних умовах. Модуляція світлового потоку відбувається за ра-:унок зміни інтенсивності коефіцієнта відбивання в області «залишкових проме-іів» матеріалу. Виявлено, що при використанні монокристалів лейкосапфіра в кості модулюючого елемента модуляція світлового потоку може відбуватися у широкому частотному діапазоні при коефіцієнті модуляції понад 90 %. Суттєво, цо оптико-механічний модулятор тривалий час може здійснювати модуляцію сві-лового потоку з густиною енергії потоку до 45 Вт/см2 в хімічно- та радіаційно-ктивних середовищах при температурі до 1000 С.

13. Розроблено спосіб визначення концентрації та рухливості носіїв зарядів у юлярних оптично-анізотропних напівпровідникових матеріалах. Показано, що начення концентрації та рухливості вільних носіїв зарядів можна одержати, не уйнуючи кристал, при реєстрації коефіцієнта відбивання опроміненої електромаг-ітним випромінюванням ІЧ-діапазону поверхні напівпровідникового матеріалу та орівшоючи його із еталонними значеннями. Важливо, що вимірювання коефіцієн-а відбивання від поверхні напівпровідникового матеріалу відбувається на двох ча-тотах в області мінімуму «залишкових променів» матеріалу.

14. Запропоновано спосіб визначення напрямку орієнтації оптичної осі в поляр-их оптично-анізотропних напівпровідникових матеріалах. На основі порівняння кспериментально отриманої резонансної частоти з розрахунковими даними роблять исновок про орієнтацію оптичної осі відносно напрямку розповсюдження 14-ипромішовання. Ці результати добре узгоджуються з експериментальними даними, держаними іншими методами.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах

. Мельничук А.В., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Анизотропия электрофизических свойств монокристаллов окиси цинка // Физика твердого тела. - 1994. -Т. 36, № 9,- С. 2624-2633.

. Венгер Е.Ф., Мельничук A.B., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Отражательная способность монокристаллов окиси цинка в области остаточных лучей // Квантовая электроника. - 1995. - Вып. 47. - С. 87-93.

. Venger E.F., Meinichuk A.V., Melnichuk L.Ju., Pasechnik Ju.A. Anisotropy of the

ZnO Single Crystal Reflectivity in the Region of Residual Rays // Physica Status Solidi (b). - 1995. - Vol. 188, № 2. - P. 823-831.

4. Венгер Е.Ф., Мельничук A.B., Пасечник Ю.А., Сухенко Е.И. Дисперсия и коэффициенты затухания ППФП монокристаллов SiC 6Н // Оптоэлеетроника и полупроводниковая техника. - 1996. - Вып. 31. - С. 169-173.

5. Мельничук A.B., Мелышчук JI.IO., Пасечник Ю.А. Влияние анизотропии на дисперсионные зависимости поверхностных плазмон-фононных поляритонов окиси цинка // Физика твердого тела. - 1996. - Т.38, № 2. - С. 262-264.

6. Мельничук A.B., Пасечник Ю.А. Затухание поверхностных плазмон-фононных поляритонов окиси цинка // Физика твердого тела. - 1996. - Т. 38, № 8. - С. 2343-2346.

7. Венгер Е.Ф., Мельничук A.B., Пасечник Ю.А., Сухенко Е.И. Поверхностные по-ляритоны в системе ZnO на сапфире // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1996. - Вып. 31. - С. 120-128.

8. Мельничук А.В. Использование волноводных плазмон-поляритонов для модуляции инфракрасного излучения // Узбекский физический журнал. - 1997. - № 5/6. -С. 28-32.

9. Dovbeshko G.I., Melnichuk A.V., Ogurtsov S.V., Puchkovskaya G.O., Sekirin I.V. Surface polaritons in ZnO films // Український фізичний журнал. - 1997. - T. 42, № 6. - C. 728-732.

10. Venger E.F., Melnichuk A.V., Pasechnik Yu.A., Sukhenko E.I. IR spectroscopy studies of the zinc-oxide-on-sapphire structure // Український фізичний журнал. - 1997. -T. 42, № 11/12. - C. 1357-1360.

11. Исмайлов K.A., Мельничук A.B., Пасечник Ю.А. Спектроскопия поверхностных плазмон-фононных поляритонов в анизотропном ZnO // Узбекский физический журнал. — 1998. - № 1. - С. 15-24.

12. Мельничук A.B., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Поверхностные плазмон-фононные поляритоны гексагональной окиси цинка // Журнал технической физики. - 1998. - Т. 68, вып.1. — С. 58-62.

13. Мельничук А.В. Исследование поверхностных плазмон-фононных поляритонов монокристаллов SiC-бН методом НПВО // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1998. - № 7. - С. 76-81.

14. Melnichuk A.V. Investigation of surface polaritons in zinc oxide single crystals // Functional Materials. - 1998. - Vol. 5, № 1. - P. 25-30.

15. Мельничук A.B., Пасечник Ю.А. Влияние анизотропии на дисперсию поверхностных плазмон-фононных поляритонов карбида кремния // Физика твердого тела. - 1998. - Т. 40, № 4. - С. 636-640.

16. Венгер С.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Пасічник Ю.А., Сухенко О.І. Поверхневі плазмон-фононні поляритони карбіду кремнію // Український фізичний журнал. - 1998. - Т. 43, № 6. - С. 726-731.

17. Мельничук О.В. Дослідження тонких плівок ZnO на поверхні SiC 6H методом

14 спектроскопії // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1998. -Вып. 33. - С.146-153.

18. Melnichuk A.V. Optical and Electrophysical Properties of Thin Doped ZnO/SiC 6H Films from the IR Reflection Spectra // Український фізичний журнал. - 1998. -Т.43, №10-С. 1310-1315.

19. Мельничук О.В. Розщеплення областей прозорості в сильно легованих монокристалах SiC-6H // Український фізичний журнал. - 1998.-Т. 43, № 8. - С. 984-986.

20. Venger E.F., Griban V.M., Melnichuk A.V. Resonance Generation of Sum Harmonic in Static Electric Field // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 1999. - Vol. 2, № 2. - P. 28-32.

її. Мельничук A.B. Влияние плазмон-фононных возбуждений на коэффициент отражения гексагонального карбида кремния // Журнал экспериментальной и теоретической физики. -1999. - Т. 116, вып. 2(8). - С. 646-654.

12. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Пасічник Ю.А. Вплив плаз-мон-фононного зв’язку на коефіцієнт відбивання в одновісному полярному напівпровіднику ZnO // Український фізичний журнал. - 2000. - Т.45, № 8. -С. 976-984.

13. Griban V.M., Melnichuk A.V., Ovander L.M., Venger E.F. Some features of two-photon absorption in static electric field // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2000. - Vol. 3, № 2. - P. 144-149.

'А. Давиденко C.M., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В. Вплив плазмон-фононної взаємодії на коефіцієнт відбивання від поверхні електронного 6H-SiC II Збірник наукових праць Полтавського державного педагогічного університету імені

B.Г. Короленка (фізика). - 2000. - Вип. 2. - С. 124-128.

5. Венгер Є.Ф., Давиденко С.М., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Пасічник Ю.А. Дослідження поверхневих плазмон-фононних граничних поляритонів в ZnO/SiC 6Н // Науковий вісник Чернівецького державного університету (фізика). - 2000. - Вип. 86. - С. 100-103.

6. Венгер Є.Ф., Давиденко С.М., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Пасічник Ю.А. Поверхневі поляритони в системі ZnO/SiC 6Н // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. -2000. - Вып. 35. - С. 190-195.

7. Мельничук О.В., Мельничук Л.Ю., Пасічник Ю.А. Дослідження анізотропних монокристалів оксиду цинку методом спектроскопії поверхневих поляритонів // Наукові записки НДШ ім. М.В. Гоголя, серія фіз.-мат. наук. - 1994. - T. XTV. -

C. 83-88.

8. Мельничук О.В., Мельничук Л.Ю., Пасічник Ю.А. Метод обробки спектральної інформації при вивченні основ оптики твердого тіла // Наукові записки НДШ ім. М.В. Гоголя, серія фіз.-мат. наук. - 1994. - T. XIV. - С. 132-136.

9. Венгер Є.Ф., Мельничук О.В., Мельничук Л.Ю., Пасічник Ю.А. Дослідження

коефіцієнтів затухання поверхневих поляритонів в одновісних полярних напівпровідниках // Наукові записки НД11І ім. М.В. Гоголя, серія фіз.-мат. наук.

- 1995. - T. XV. - С. 116-121.

30. Венгер Є.Ф., Мельничук О.В., Мельничук Л.Ю., Пасічник Ю.А. Поверхневі поляритони в легованих монокристалах окису цинку // Актуальні питання сучасної математики і фізики: 36. наук. пр. - Ніжин:НДГП ім. М.В. Гоголя. - 1996. -С. 42-46.

31. Мельничук О.В. Поверхня відбивання SiC 6Н в області збудження поверхневих поляритонів // Актуальні питання сучасної математики і фізики.: 36. наук. пр. - Ніжин: НД111 ім. М.В. Гоголя. - 1996. - С. 47-51.

32. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В. Вплив фонон-плазмового зв’язку на коефіцієнт відбивання від поверхні полярних напівпровідників 6Н-SiC // Математика. Фізика. Методика.: 36. наук. пр. - Ніжин: НДПІ ім. М.В. Гоголя. - 1997. - С. 43-46.

33. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Єкименко С.В. Методи обробки експериментальних спектрів відбивання від поверхні одновісних полярних напівпровідників // Фізико-математичні записки.: 36. наук. пр. - Ніжин: ГІДНУ ім. М. Гоголя. - 1999. - С. 25-29.

34. Венгер Є.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук О.В., Єкименко С.В. До питання про методику підвищення точності визначення електрофізичних параметрів одновісних полярних напівпровідників при використанні ЕОМ// Фізико-математичні записки.: 36. наук. пр. - Ніжин: НДПУ ім. М. Гоголя. - 1999. - С. 29-32.

35. Пат. 2062495. Российская Федерация. МКИ G 02. Способ модуляции электромагнитного излучения и устройство для его осуществления / И.И. Буршта, Е.Ф. Венгер, А.П. Липтуга, A.B. Мельничук, Ю.А. Пасечник: Заявл. 13.08.91; Опуб. 20.06.96, Бюл.№ 17.

36. Пат. 2119181. Российская Федерация. МКИ G 02 F 1/19. Оптико-механический модулятор светового потока / Е.Ф. Венгер, А.В. Мельничук, Ю.А. Пасечник; Заявл. 29.07.97; Опуб. 20.09.98, Бюл. № 18.

37. Пат. 15332А. Україна. МКИ G 01 N 21/00. Спосіб визначення концентрації і рухливості носіїв зарядів в полярних напівпровідникових матеріалах / Є.Ф. Венгер, О.В. Мельничук, Л.Ю. Мельничук, Ю.А. Пасічник; Заявл. 10.02.95; Опуб. 30.06.97, Бюл. № 3.

38. Пат. 22744А. Україна. МКИ G 01 N 21/00. Оптико-механічний модулятор світлового потоку / Є.Ф. Венгер, О.В. Мельничук, Ю.А. Пасічник; Заявл. 5.06.97; Опуб. 30.06.98, Бюл. № 3.

39. Пат. 25657А. Україна. МКИ G 01N 21/17. Спосіб визначення напрямку орієнтації оптичної осі оптично-анізотропних полярних напівпровідників / Є.Ф. Венгер, О.В. Мельничук, Ю.А. Пасічник; Заявл.28.10.97; Опуб. 30.10.98, Бюл. № 5.

40. Мслымчук A.B., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Влияние анизотропии на по-

верхностные поляритоны в монокристаллах окиси цинка. - Киев, 1995. - 28 с. (Препр. 4-95/МО Украины. УГЛУ им. М.П. Драгоманова).

41. Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., Pasechnik Yu.A., Sukhenko E.I. Study of Electrophysical Properties of Thin Films by Spectroscopy of Surface and WaveGuide Polaritons // Proc. of the 6th International Symposium" Thin Films in Electronics". - Herson (Ukraine), 1995. - P. 167-168.

42. Venger E.F., Burshta I.I., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., Pasechnik Yu.A. Use of Surface Excitations in Semiconductor Materials for Modulation of IR Radiation // Proc. of the International Conference on "Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics" (OPTDIM'95), Kiev (Ukraine).

- 1995. -Vol. 2648, №2. -P. 447-453.

43. Venger E.F., Melnichuk A.V., Pasechnik Yu.A., Sukhenko E.I. Polaritons in Anisotropic Structures // Proc. of the International School-Conference for Young Scientists "Solid State Physics: Fundamentals & Applications" (SSPFA'97). -Katsyveli (Ukraine), 1997. - P. 67-68.

44. Venger E.F., Melnichuk A.V., Pasechnik Yu.A., Sukhenko E.I. IR Reflection Spectra of the ZnO/АІгОз Structure // Proc. of the International Conference on "Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics" (OPTDIM97), Kiev (Ukraine). - 1997. - Vol. 3359, № 2. - P.79-83.

45. Венгер Е.Ф., Мельничук A.B., Мельничук Л.Ю., Пасечник Ю.А. Влияние свободных электронов и оптических фононов на дисперсию поверхностных поляригонов в гексагональном карбиде кремния // Сб. докл. Междунар. конф. "Современные проблемы физики полупроводников",- Нукус (Узбекистан), 1997 - С. 14-16.

46. Venger E.F., Melnichuk A.V., Pasechnik Yu.A., Sukhenko E.I. Surface Polaritons in Thin ZnO Films on Sapphire // Book of Abstracts of the "International Workshop on Advanced Technologies of Multicomponent Solid Films and Their Application in Photonics”. - Uzhgorod (Ukraine), 1995. - P. 54.

47. Melnichuk A.V. IR Reflection Spectroscopy Studies of Zinc Oxide Films on Sapphire Substrates // Proc. of VI International Conf. "Physics and Technology of Thin Films". Ivano-Frankovsk (Ukraine), 1997. - P. 89-90.

48. Venger E.F., Davidenko S.M., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., and Pasechnik Yu.A. Effect of the Plasmon-phonon Coupling Anisotropy on the Reflection Coefficient of Polar Semiconductors ZnO and SiC 6H // Proc. of the Third International EuroConference on “Advanced Semiconductor Devices and Microsystems”. - Smolenice Castle (Slovakia), 2000. - P. 343-346.

19. Венгер С.Ф., Мельничук Л.Ю., Мельничук O.B., Пасічник Ю.А. Звичайні та незвичайні поверхневі плазмон-фононні поляритони в карбіді кремнію й окисі цинку // Тез. доп. семінара "Спектральные метода анализа: техника и практика". - Ялта (Республіка Крим), 1995. - С. 8-9.

>0. Венгер Е.Ф., Мельничук А.В., Пасечник Ю.А., Сухенко Е.И. Спектроскопия

зо

поверхностных поляритонов как метод исследования слоев окиси цинка на подложках сапфира // Proc. of VI International Conf. "Physics and Technology of Thin Films". - Ivano-Frankovsk (Ukraine), 1997. - P. 69.

51. Venger E.F., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu. Plasmon-Phonon Excitations in Hexagonal Zinc Oxide // Proc. of the XVI International School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals”. - Odessa (Ukraine), 1999. - P. 214.

52. Venger E.F., Griban V.M., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., Ekimenko S.V. Optical Diagnostics of Thin Films of Semiconducting Zinc Oxide on Insulator and Semiconductor Substrates // Abstracts of IV International Conference "Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics". -Kiev (Ukraine), 1999. - P. 51.

53- Venger E.F., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., Ekimenko S.V. Plasmon-Phonon Excitations in Optically-anisotropic Semiconductor Single Crystals // Abstracts of International Conference “Advanced Materials”. - Kiev (Ukraine), 1999. - P. 153.

54. Venger E.F., Davidenko S.M., Melnichuk A.V., Melnichuk L.Yu., Pasechnik Yu.A. Investigation of thin semiconductor zinc oxide films on semiconductor SiC-6H substrates using IR spectroscopy // Abstracts of V International Conference “Materials Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics”. - Kiev (Ukraine), 2000.-P. 72.

Список використаних джерел

[1 ]. Брыксин ВБ., Мирлин Д.Н., Фирсов Ю.А. Поверхностные оптические фононы в ионных кристаллах // Успехи физических наук. -1974. - Т. 113, № 1. - С. 29-67.

[2 ]. Агранович В.М. Кристаллооптика поверхностных поляритонов и свойства поверхности // Успехи физических наук. - 1975. - Т. 115, № 2. - С. 199-237.

[3*]. Поверхностные поляритоны / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - Москва: Наука, 1985. - 525 с.

[4 ]. Дмитрук Н.Л., Литовченко В.Г., Стрижевский В.Л. Поверхностные поляритоны в полупроводниках и диэлектриках. - Киев: Наук, думка, 1989. - 375 с.

[5 ]. Пасечник Ю.А., Снитко О.В., Бычков А.Г., Романенко В.Ф. Дисперсия поверхностных поляритонов в карбиде кремния // Физика твердого тела. - 1974. -Т. 16, № 3. - С.719-724.

[6 ]. Довбешко Г.И., Огурцов С.В., Пучковская Г.А., Шпак М.Т. Исследование фотодеструкции пленок окиси цинка методом спектроскопии поверхностных поляритонов и рентгеноструктурного анализа // Український фізичний журнал. - 1983. - Т. 28, № 4. - С. 591-595.

[7*]. Dovbeshko G.I., Ogurtsov S.V., Puchkovskaya G.A., Chepilko N.M., Shpak M.T. The use of surface polariton spectroscopy of thin crystalline layers with different ordering degree // J. Molec. Struct. - 1984. - Vol. 114. - P. 305-308.

[8*]. Гуревич Л.Э., Тарханян Р.Г. Поверхностные плазмон-поляритоны в одноосных полупроводниках //Физика твердого тела. —Л 975.-Т. 17,№7.- С. 1944-1948. [9*]. Решина И.И., Мирлин Д.Н., Банщиков А.Г. Определение параметров ангармо-низма и оптических постоянных кристаллов по спектрам поверхностных по-ляритонов // Физика твердого тела. - 1976. - Т. 18, № 2. - С. 506-510.

АНОТАЦІЯ

Мельничук О.В. Поверхневі плазмон-фононні збудження в одновісних напівпровідниках ZnO і 6H-SiC та структурах на їх основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2000.

Дисертація присвячена дослідженню впливу анізотропії фононної та плазмової підсистем на властивості поверхневих фононних та плазмон-фононних поля-ритонів у полярних, оптично-анізотропних напівпровідниках ZnO і 6H-SiC та структурах на їх основі.

Встановлено, що в одновісних монокристалах бН-SiC та ZnO при орієнтації K_LC, хуІС існує чотири та відповідно три типи змішаних поверхневих плазмон-фононних поляритонів (ППФП). Теоретично передбачено та експериментально підтверджено можливість існування при орієнтації К||С, ху|]С у гексагональних монокристалах ZnO поверхневих фононних та змішаних плазмон-фононних поляритонів

2-го типу. Вперше показано можливість дослідження коефіцієнтів затухання ППФП 1-го та 2-го типів у полярних напівпровідниках графічним методом. У спектрах 14-відбивання сильно легованих бН-SiC та ZnO при орієнтації КІС, хуІС виявлено оптичне явище розщеплення низькочастотної та високочастотної областей прозорості.

Показана можливість визначення оптичних та електрофізичних властивостей тонких легованих плівок оксиду цинку на діелектричних та напівпровідникових підкладинках в області «залишкових променів» плівки та підкладинки методами спектроскопії ППВВ та ІЧ-відбивання

На основі проведених досліджень розроблено безконтактний спосіб визначення концентрації та рухливості вільних носіїв зарядів у полярних кристалах, створено оп-тнко-механічний модулятор світлового потоку та неруйнівний спосіб визначення напрямку орієнтації оптичної осі оптично-анізотропних полярних одновісних кристалів.

Ключові слова: анізотропія, 6H-SiC, ZnO, відбивання, монокристал, тонка плівка, поляритони, дисперсійна залежність, коефіцієнт затухання.

АННОТАЦИЯ

Мельничук А.В. Поверхностные плазмон-фононные возбуждения в одноосных полупроводниках ZnO и 6H-SiC и структурах на их основе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена исследованию влияния анизотропии фононной и пла: менной подсистем на свойства поверхностных фононных и плазмон-фононных п< ляритонов в полярных, оптичсски-анизотропных полупроводниках 2л0 и бН-БЮ структурах на их основе. Впервые установлено, что анизотропия эффективных мае свободных носителей зарядов (электронов) и кристаллической решетки в одноосны 6Н-Б1С и ЪйО приводит к проявлению новых дисперсионных ветвей нерадиацио! ных поверхностных плазмон-фононных поляритонов (ППФП). Обнаружено, что монокристаллах бН-БЮ и ЪпО при ориентаций К1С, ху1.С существует четыре и сс ответственно три типа смешанных ППФП. Всесторонне исследована зависимое! числа дисперсионных ветвей в бН-БЮ и ZnO от концентрации свободных носите лей зарядов и ориентации оптической оси кристалла относительно его поверхне ста. Впервые показана возможность экспериментального исследования ППФП 3-г и 4-го типов в гексагональных монокристаллах бН-БЮ и ХпО.

Впервые теоретически определены области существования поверхностных фс нонных и ППФП 2-го типа в монокристаллах 7л\0 при ориентации К||С, ху||С и экеш римешально получены их спектры. Экспериментально установлено, что наличие з< тухания приводит к генерации поверхностных поляритонов (ЦП) в окресности "точк остановки" и в реальных случаях она не является “особой точкой”, а частота 412 см для ZnO может быть "точкой остановки" лишь в гармоничном приближении. На чае тоте 412 см'1 наблюдался спектр ППВВ ПП смешанного типа, когда одновременно ге нерируются ПП 1-го и 2-го типов. Предложен графический способ исследования ке эффициентов затухания ППФП в одноосных полупроводниках при произвольно ориентации оптической оси кристалла относительно его поверхности и волновог вектора ПП. Определены коэффициенты затухания поверхностных фононных и пла мон-фононных поляритонов 1-го и 2-го типов в монокристаллах 2пО.

Впервые в спектрах ИК-отражения при ориентации КИС, ху±С и наличии ст зи электромагнитного излучения с длинноволновыми оптическими колебаниями электронной плазмой в оптически-анизотропных полупроводниках 6Н-81С и обнаружено расщепление низкочастотной и высокочастотной областей прозрачне сти. Максимальное количество областей прозрачности и непрозрачности в Ы(у) н превьпнает четырех. Показано, что увеличение концентрации электронов в бН-Бт и 2п0 приводит к одновременному расширению областей непрозрачности и суж< нию областей прозрачности в спектрах ИК-отражения. Когда 0 = 0 и 90 при Е||С спектрах отражения есть только две области прозрачности и непрозрачности, чт согласуется с изотропным случаем ЕХС.

Показана возможность определения оптических и электрофизически свойств тонких легированных пленок оксида цинка на диэлектрических и пол) проводниковых подложках в области «остаточных лучей» пленки и подложки м< тодами спектроскопии ППВВ и ИК-отражения. Установлено, что оптическая д( агностика анизотропных структур на основе математической модели, что адгц

ивно учитывает вклад фононной и плазменной подсистем пленки и подложки в (иэлектрическую проницаемость, позволяет получать значения подвижности и [роводимости носителей зарядов в тонких пленках оксида цинка на диэлектриче-ких и полупроводниковых подложках.

На основе проведенных исследований разработан бесконтактный способ оп-1еделения концентрации и подвижности свободных носителей зарядов в полярных ттически-анизотропных кристаллах, создан оптико-механический модулятор све-ового потока, что позволяет осуществлять модуляцию электромагнитного излуче-мя серийных СОг-лазеров в химически- и радиационно-активных средах при тем-[ературе до 1 ООО С, а также неразрушающий образец способ определения направ-ения ориентации оптической оси полярных одноосных кристаллов.

Ключевые слова: анизотропия, 6H-SiC, ZnO, отражение, монокристалл, тонкая ленка, поляритоны, дисперсионная зависимость, коэффициент затухания.

SUMMARY

Melnichuk O.V. Surface plasmon-phonon excitations in uniaxial semiconduc-ors ZnO and 6H-SiC and structures based on them. - A manuscript.

Dissertation for the degree of Doctor of Phys.-Math. Sci. (specialty 01.04.10 -hysics of semiconductors and dielectrics). - Institute of Semiconductor Physics of the Jational Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.

The dissertation deals with investigation of the effect of phonon and plasmon sub-ystems anisotropy on the properties of surface phonon and plasmon-phonon polaritons in niaxial semiconductors ZnO and 6H-SiC and structures based on them.

For 6H-SiC (ZnO) single crystals it was found that there exist four (three) mixed sur-ice plasmon-phonon polaritons at orientation K1C, xy_LC. The possibility of surface pho-on and plasmon-phonon polaritons of the second kind existing in hexagonal ZnO single rystals at orientation K||C, хуЦС was predicted theoretically and confirmed experimentally. Ъе possibility to study the damping coefficients of the surface plasmon-phonon polaritons f the first and second kinds in polar semiconductors using a graphic technique was dem-nstrated for the first time. The optical phenomenon of low- and high-frequency transpar-ncy regions splitting was revealed in the IR reflection spectra of heavily doped 6H-SiC nd ZnO at orientation K_LC, xy_LC.

It was shown that it is possible to determine the optical and electrophysical properties of iin doped zinc oxide films on dielectric and semiconductor substrates in the residual rays :gion of the film and substrate using ATR spectroscopy and IR reflection spectroscopy.

On the basis of performed investigations the noncontact technique for determina-on of free charge carrier concentration and mobility in polar crystals, optico-techanical light flux modulator and nondestructive technique for determination of the ptical axis orientation in optically-anisotropic polar uniaxial crystals were developed.

Keywords: anisotropy, 6H-SiC, ZnO, reflection, single crystal, thin film, polaritons, ispersion dependence, damping coefficient.