Анотація до роботи:

Рудько Г.Ю. "Структурні перетворення та зміни енергетичного спектру в напівпровідникових матеріалах електроніки при легуванні та пониженні розмірності". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. – Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню механізмів фізичних процесів, насамперед, структурних перетворень та змін енергетичного спектру, які відбуваються в напівпровідникових матеріалах при легуванні та пониженні розмірності. Вивчені зміни фотолюмінесценції та поглинання напівпровідників, які відбуваються в результаті їх легування із застосуванням різних методів (імплантаційне, ізовалентне, легування при тривалих термовідпалах, магнітними домішками, при високих концентраціях легуючої домішки). Досліджені низькорозмірні кремнієві матеріали, які випромінюють у видимому діапазоні довжин хвиль, зокрема виявлено два нових світловипромінюючих матеріали – анізотропно травлений та ниткоподібний кремній. Виявлені та досліджені нові властивості спінової релаксації в квантових ямах та надгратках на основі напівмагнітних напівпровідників – наявність двох спіново-залежних каскадів енергетичної релаксації екситонів, пригнічення спін-фліп переходів при малих значеннях хвильового вектора, вплив спінового розщеплення на спінову релаксацію.

У дисертації вирішено наукову проблему встановлення механізмів фізичних процесів, пов'язаних з структурними перетвореннями та змінами енергетичного спектру, які відбуваються в напівпровідникових матеріалах при легуванні та пониженні розмірності.

Виходячи з аналізу проведених досліджень можна сформулювати такі основні результати та висновки роботи:

1. В магнітному полі в спектрах ФЛ надграток ZnMnSe/CdSe виявлено дві серії s ⁺- та s ^-- поляризованих вузьких ліній, які є результатом рекомбінації гарячих екситонів в процесі їх релаксації по енергії (імпульсу) шляхом випромінювання LO фононів в межах кожної із спін-розщеплених екситонних підзон. Встановлено, що:

а) процеси релаксації за участю LO фононів є найбільш ймовірними як в магнітному полі, так і за його відсутності;

б) процес переходу екситонів із верхньої підзони в нижню з переворотом спіну є менш ймовірним, ніж релаксація з випромінюванням LO фонона, але більш ймовірним, ніж релаксація з випромінюванням акустичних фононів.

2. При резонансних умовах збудження надграток ZnMnSe/CdSe, коли енергія збуджуючого кванта на кілька перевищує енергію дна | +1/2, -3/2 > підзони, відщепленої за рахунок гігантського ефекту Зеємана, відбувається значне збільшення заселеності термалізованих екситонів у цій зоні, так що величина заселеності відповідає спіновій температурі набагато вищій за температуру гратки. Відповідні спектри ФЛ свідчать про сильне пригнічення переходів з переворотом спіну із верхньої екситонної гілки на нижню при малих значеннях хвильового вектора.

3. Виявлено сильний вплив спінового розщеплення на спінову релаксацію в структурах з напівмагнітними шарами ZnMnSe та надгратками ZnMnSe/CdSe: коли енергія розщеплення перевищує енергію LO фонону, спінова релаксація істотно зростає. Механізмами участі LO фононів у спіновій релаксації є майже пружне розсіяння спіну з наступною енергетичною релаксацією гарячих екситонів за участю LO фононів або процеси перевороту спіну більш високих порядків, в яких поряд з LO фононами актуальна далекодіюча обмінна взаємодія екситонів або сильна взаємодія з магнітними іонами.

4. В структурі зі спіновим маніпулятором у вигляді шару Zn_0.95Mn_0.05Se реалізовано модельний спіновий перемикач; він дозволяє змінювати напрямок спінової поляризації у спіновому детекторі (немагнітній квантовій ямі) на протилежний при резонансному збудженні одного або іншого із спін-розщеплених станів hh-екситону в шарі напівмагнітного напівпровідника. Таке спінове перемикання свідчить про швидкий витік екситонів із шару завдяки відсутності енергетичного бар’єру між верхнім спін-розщепленим станом в напівмагнітному напівпровіднику та квантовою ямою.

5. З використанням спінового маніпулятора у вигляді надгратки Zn_0,96Mn_0,04Se/CdSe реалізовано модельний спіновий поляризатор. Поляризація спінів забезпечується наявністю істотного енергетичного бар’єра, що сповільнює спінову інжекцію із надгратки в квантову яму.

6. Встановлено, що в області концентрацій азоту 1-3% в GaN_xP_1-x температурна залежність ширини забороненої зони залишається близькою до залежності непрямої зони GaP за виключенням області концентрацій азоту, яка відповідає переходу від непрямозонного матеріалу до прямозонного (х=0,013), де спостерігається значно слабша залежність Е_g (Т). Така поведінка інтерпретована як результат взаємного впливу Г-станів та локалізованих N-станів на Х-стани дна зони провідності в GaP: підмішування температурно-нечутливих N-станів сповільнює температурну зміну Е_g , а підмішування Г-станів, які сильніше залежать від температури, ніж Х-стани, призводить до поступового зростання темпу температурної зміни E_g у GaNР.

7. Вперше в сильно модуляційно-легованих псевдоморфних структурах Al_xGa_1-xAs/In_yGa_1-yAs/GaAs при низькій температурі спостережено зародження сингулярності Фермі-краю зі зростанням інтенсивності збудження. Поява сингулярності супроводжується утворенням різкого високоенергетичного краю і спостерігається при набагато менших інтенсивностях, ніж проявляється гібридизований n = 2 екситон.

8. Із використанням методів низькотемпературної фотолюмінесценції, ЕПР та ефекту Холла встановлено, що при термовідпалах кисневмісних кристалів p-Si(В) домішка бору бере участь в утворенні електрично-активних комплексів, а саме, глибоких ТД з енергіями термічної іонізації Е_і 200меВ.

9. Вперше прямим експериментальним методом показано, що в монокристалах кремнію, імплантованих фосфором, легуюча домішка, розташована у міжвузлях, переводиться в електрично-активний вузельний стан під дією високочастотної плазмової обробки. Цей процес відбувається при температурах, значно нижчих від тих, що потрібні для активації фосфору при традиційному термовідпалі, і є результатом сумісної дії усіх чинників високочастотного плазмового розряду: змінного електромагнітного поля, ультрафіолетового випромінювання та атомарного водню.

10. Виявлено два нові типи кремнієвих матеріалів, що здатні випромінювати у видимому діапазоні спектру, – анізотропно травлений кремній та ниткоподібні кристали кремнію.

Таким чином, виявлено та інтерпретовано різноманітні фізичні ефекти, які спостерігаються при модифікації властивостей напівпровідникових матеріалів такими технологічними чинниками, як легування та пониження розмірності. Отримані в дисертації нові результати є важливими з погляду їхнього наукового і практичного використання. У наукових дослідженнях їх треба враховувати при вивченні структурних перетворень та трансформації енергетичного спектру при технологічних обробках. На практиці отримані результати варто застосовувати при розробці технологічних методів зміни параметрів матеріалів шляхом введення домішок, термообробок та травлення, в області термічного і радіаційного керування властивостями напівпровідників, для удосконалювання технології осадження тонких напівпровідникових плівок, а також при розробці і конструюванні приладів спінтроніки, в яких використовуються явища спінової поляризації та спін-залежного транспорту.

Достовірність отриманих результатів забезпечується комплексністю проведених досліджень із застосуванням добре апробованих експериментальних методик, послідовним і всебічним характером дослідження, ясною фізичною картиною вивчених явищ і закономірностей, які добре узгоджуються з існуючими теоретичними уявленнями про характер змін у структурі та енергетичному спектрі напівпровідників при легуванні та пониженні розмірності. В усіх випадках перевірялася відтворюваність результатів. Додатковим фактором перевірки служило порівняння результатів з даними інших дослідників. Результати дисертації опубліковані в авторитетних реферованих вітчизняних і міжнародних виданнях (Physical Review B, Applied Physics Letters, Journal of Applied Physics, Physica Status Solidi, Semiconductors Science and Technology, Nuclear Instruments and Methods in Physical Research, Solid State Communications, Український фізичний журнал та ін.), а також були широко апробовані на міжнародних і вітчизняних конференціях, семінарах, симпозіумах (наведені в загальній характеристиці роботи).

Основні результати дисертації опубліковано в роботах:

1. Valakh M.Ya., Lysenko V.S., Nazarov A.N., Rudko G.Yu., Tkachenko A.S., Shakhraychuk N.I. Enhanced activation of implanted phosphorus in silicon under RF plasma treatment // Nuclear Instruments and Methods in Physical Research. - 1989. - V. B44. - P.146-148.

2. Valakh M.Ya., Lysenko V.S., Nazarov A.N., Rudko G.Yu., Tkachenko A.S., Shakhraychuk N.I. Activation of phosphorus in surface layers of P⁺-implanted silicon under RF plasma treatment // Physical Research (ed. K. Hohmuth, E.Richter), Berlin.: Academie Verlag, 1990. –V.13. - P.169-171.

3. Babich V.M., Valakh M.Ya., Koval’chuk V.B., Rudko G.Yu., Shakhraychuk N.I. Photoluminescence and electrical properties of germanium-doped and thermally annealed silicon // phys. stat. sol. (a). - 1990. -V.117, N2.-P. K185-K188.

4. Бабич В.М., Валах М.Я., Ковальчук В.Б., Рудько Г.Ю., Шахрайчук М.І. Оптичні та електричні властивості легованого германієм та термообробленого кремнію // Український фізичний журнал. - 1990.- Т.35, N10.- С.1561-1565.

5. Бабич В.М., Валах М.Я., Ковальчук В.Б., Рудько Г.Ю., Шахрайчук М.І. Фотолюминесцентные и электрофизические исследования процесса образования термодоноров в кремнии, легированном изовалентной примесью германия // XII Всесоюзная конференция по физике полупроводников. Тезисы докладов. - Киев. – 1990. - С.73-74.

6. Рудько Г.Ю., Шахрайчук Н.И. Фотолюминесцентные исследования термической активации имплантированной примеси фосфора в кремнии // В Сб.
“Оптоэлектроника и полупроводниковая техника”. - Киев. - “Наукова думка”.-1990.- в.18.- С.100-103.

7. Литвинчук А.П., Рудько Г.Ю. Исследование профиля распределения концентрации свободных носителей в полупроводниках А³В⁵ // В Сб. “Спектроскопия неметаллических кристаллов”. - Киев. - 1990. - С.76-78.

8. Valakh M.Ya., Lysenko V.S., Nazarov A.N., Rudko G.Yu., Shakhraychuk N.I. Activation of the implanted impurity and transformation of radiation defects in oxydized silicon under RF plasma treatment // phys. stat. sol.(a).-1992.-V.130, N1. - P.45-51.

9. Валах М.Я., Горбач Т.Я., Рудько Г.Ю., Свечников С.В., Смертенко П.С. Исследование излучающих свойств анизотропно травленного кремния // Тези доповідей XI Української школи-семінару “Спектроскопія молекул та кристалів” (Харків, 10-16 травня 1993 р.). - Київ. - 1993. - с.132.

10. Gorbach T.Ya., Rudko G.Yu., Smertenko P.S., Svechnikov S.V., Valakh M.Ya. Photoluminescence of anisotropically etched silicon // Appl. Phys. A. -1994. - A58.- P. 183-186.

11. Valakh M.Ya., Rudko G.Yu., Shakhraychuk N.I. Photoluminescence characterization of silicon subjected to various industrial treatments // Proc. SPIE.-1994. - V.2113.- p.78-84.

12. Blonskji I.V., Brodyn M.S., Rudko G.Yu., Tchoryk V.A. Photoacoustical and luminescent properties of porous silicon // E-MRS 1994 Spring Meeting, Strasbourg, France (May 24-27, 1994).- F-V/P31.

13. Blonskij I.V., Brodyn M.S., Rudko G.Yu., Tkhoryk V.A. Photoacoustical and luminescent properties of porous silicon // 1st International Conference on Materials for Microelectronics, October 17-19, 1994, Barcelona, Spain. – Abstracts.-P. 408-409.

14. Rudko G.Yu. Optical and electrophysical diagnostics of silicon subjected to implantation, thermal annealing and RF plasma treatment // Proceedings of the 1st International Autumn School-Conference "Solid State Physics: Fundamentals and Applications" (Uzhgorod, Ukraine) ed. by NASU Institute of Semiconductors Physics. - Kiev. – 1994. –P. L111-L120.

15. Rudko G.Yu., Gorbach T.Ya., Smertenko P.S., Svechnikov S.V., Valakh M.Ya., Bondarenko V.P., Dorofeev A.M. Photoluminescence and infrared Fourier diagnostics of porous silicon exposed to HF destructive etching // Proc. SPIE.-1995.- V.2648.-P.305-315.

16. Blonskij I.V., Brodin M.S., Tkhoryk V.A., Piryatinskiy Yu.P., Rudko G.Yu. Photoacoustical and luminescent properties of porous silicon// Functional Materials. - 1995. -V.2, N2. -P.268-272.

17. Evstigneev A.M., Valakh M.Ya., Sachenko A.V., Rudko G.Yu., Sukach G.A., Evstigneev M.A., Svechnikov S.V. Evidence for the transport-related effects in the photoluminescence from porous silicon // Turkish Journ. of Physics.-1996.-V.20, N3.- P.211-215.

18. Gorbach T.Ya., Rudko G.Yu., Smertenko P.S., Svechnikov S.V., Valakh M.Ya., Bondarenko V.P., Dorofeev A.M. Simultaneous changes in the photoluminescence, infrared absorption and morphology of porous silicon during etching by HF // Semicond. Sci. Technol. -1996. -V.11. -P. 601-606.

19. Babich V.M., Baran N.P., Valakh M.Ya., Kiritsa V.L., Rudko G.Yu. On the nature of deep donors, created at 450 C in boron-doped p-Si // phys. stat. sol. (a).-1996.-V.157.-P. 405-410.

20. Бабич В.М., Баран Н.П., Валах М.Я., Кирица В.Л., Рудько Г.Ю. Влияние легирующей примеси бора на процессы образования термодоноров при 450 С в кислородосодержащих кристаллах кремния // В Сб. “Оптоэлектроника и полупроводниковая техника”. - Киев. - “Наукова думка”.-1996.- В. 31. - С. 69-73.

21. Гулє Є.Г., Климовська А.І., Малярчук В.Б., Рудько Г.Ю., Валах М.Я. Фотолюмінесценція субмікронних ниткоподібних кристалів кремнію у видимій та інфрачервоній областях спектру // Тези доповідей XII національної школи-семінару з міжнародною участю “Спектроскопія молекул та кристалів” (Суми 20-26 квітня 1997), Суми. – 1997. - С. 94.

22. Горбач Т.Я., Рудько Г.Ю., Смертенко П.С., Воронкин М.А., Смирнов А.В., Бондаренко В.П., Дорофеев А.М. Свойства тонких пленок фотолюминесцирующего кремния // в Сб. “Алмазы в технике и электронике”, Труды Всероссийской конференции (Москва, 1997). - Москва. - Полярон. – 1997. - С.154-155.

23. Gule Ye.G., Rudko G.Yu., Klimovskaya A.I., Valakh M.Ya., Ostrovskii I.P. Visible light emission from free-standing filament crystals of silicon // phys. stat. sol. (b).-1997.-V.161. - P.565-570.

24. Бачеріков Ю.Ю., Нечипорук Б.Д., Охрименко О.Б., Радіонов В.Є., Рудько Г.Ю., Юхимчук В.О. Поліпшення структури МПЕ плівки GaAs за рахунок гетерування попередньо внесеним набором дельта-легованих шарів // Український фізичний журнал. -1998.- Т.43, N3. - С.329-331.

25. Babich V.M., Baran N.P., Kiritsa V.L., Rudko G.Yu. Detection of deep boron-involved thermal donors formation in silicon by combined photoluminescent, Hall and ESR techniques // Proc. SPIE. - 1998. - V.3359. - P.289-292.

26. Рудько Г.Ю. Неруйнівна фотолюмінесцентна діагностика імплантованого кремнію // Наукові записки Києво-Могилянської Академії. - 1999. -Т.9, Ч. ІІ. - C. 289-298.

27. Masur Yu.I., Tarasov G.G., Kissel H., Mueller U., Zhuchenko Z.Ya., Rudko G.Yu., Valakh M.Ya., Malyarchuk V., Walter C., Masselink W.T. Excitation density dependence of Fermi edge singularity in pseudomorphic modulation-doped AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructures // Inst. Phys. Conf. Ser. (Proceedings of the Twenty-Sixth International Symposium on Compound Semiconductors). -2000. - N 166. - P.95-98.

28. Masselink W.T., Kissel H., Mueller U., Walter C., Masur Yu.I., Tarasov G.G., Rudko G.Yu., Valakh M.Ya., Malyarchuk V., Zhuchenko Z.Ya. Pseudomorphic modulation-doped AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructures with strong manifestation of many-body effects // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2000. - V. 3, N2. - P.126-137.

29. Kissel H., Mueller U., Walter C., Masselink W.T., Masur Yu.I., Tarasov G.G., Rudko G.Yu., Valakh M.Ya, Malyarchuk V., Zhuchenko Z.Ya. Intensity dependence of the Fermi edge singularity in photoluminescence from modulation doped Al_xGa_1-xAs/In_yGa_1-yAs/GaAs heterostructures // Phys. Rev. B. - 2000. - V. 61, N12. -P.8359-8362.

30. Rudko G.Yu., Long V.C., Zhu Z., Musfeldt J.L., Wei X., Revcolevschi A., Dhalenne G. Spectroscopic Investigations of Electronic Transitions in Doped CuGeO₃ // 2000 March Meeting of the APS (Minneapolis, USA, March, 20-24, 2000). - APS Bulletin. - V.45, N1. -Р. 970.

31. Long V.C., Rudko G.Yu., Zhu Z., Musfeldt J.L., Wei X., Revcolevschi A., Dhalenne G. Doping Dependence оf the Zero Phonon Line in Impurity-Substituted CuGeO₃ // 2001 March Meeting of the APS (Seattle, USA, March, 12-16, 2001). - APS Bulletin. - V.46, N1, Part II. - P. 1059.

32. Rudko G.Yu., Long V.C., Musfeldt J.L., Koo H.-J., Whangbo M., Revcolevschi A., Dhalenne G. Electronic Transitions in Doped and Undoped Copper Germanate // Chemistry of Materials.-2001.- V.13, N 3.- P. 939-944.

33. Buyanova I.A., Rudko G.Yu., Chen W.M., Xin H.P., Tu C.W. Radiative Recombination Mechanism in GaNP Alloys // Appl. Phys. Lett. - 2002. -V.80, N10.-P. 1740-1742.

34. Rudko G.Yu., Buyanova I.A., Chen W.M., Xin H.P., Tu C.W. Temperature dependence of the GaN_xP_1-x band gap and effect of crossover // Appl. Phys. Lett.- 2002.- V. 81, N21. -P. 3984-3986.

35. Buyanova I.A., Rudko G.Yu., Chen W.M., Xin H.P., Tu C.W. On the origin of light emission in GaNP // Materials Research Society Symposium Proceedings (Proc. of the MRS 2002 Spring Meeting; San Francisco, USA; April 1 – 5.). – 2002 .- V. 722. - P.135-140.

36. Rudko G. Yu., Buyanova I. A., Monemar B., Chen W. M., Toropov A. A., Terent'ev Y., Sorokin S. V., Lebedev A. V., Ivanov S. V., Kop'ev P. S. Hot exciton relaxation in diluted magnetic semiconductor ZnMnSe/CdSe superlattices // Inst. Phys. Conf. Ser. - 2002, - N 171. - P. 1-7.

37. Buyanova I.A., Rudko G.Yu., Chen W.M., Toropov A.A., Sorokin S.V., Ivanov S.V., Kop'ev P.S. Control of spin functionality in ZnMnSe-based structures: spin switching vs. spin alignment // Appl. Phys. Lett. -2003. -V. 82, N11. - P.1700-1702.

38. Chen W.M., Buyanova I.A., Rudko G.Yu., Mal'shukov A.G., Chao K.A., Toropov A.A., Sorokin S.V., Ivanov S.V., Kop'ev P.S. Exciton spin relaxation in dilute magnetic semiconductor ZnMnSe/CdSe superlattices: Effect of spin splitting and role of LO phonons // Phys. Rev. B.-2003.- V.67, N12.- P.125313-125317.

39. Rudko G. Yu., Buyanova I. A., Chen W. M., Xin H.P., Tu C. W. Temperature behavior of GaNP bandgap energy // Solid-State Electronics. - 2003. -V.47. - P. 493-496.

40. Buyanova I.A., Rudko G.Yu., Chen W.M., Toropov A.A., Sorokin S.V., Ivanov S.V., Kop'ev P.S. Resonant suppression of exciton spin relaxation in Zn_0.96Mn_0.04Se/CdSe superlattices // J. Appl. Phys. -2003.- V. 93, N 10. - P. 7352 – 7354.

41. Indytnyy I.Z., Lisovskyy I.P., Mazunov D.O., Shepelyavyi P.E., Rudko G.Yu., Dan’ko V.A., Gule E.G. Light-emitting SiO_x-nc-Si Films Produced by Vacuum Evaporation // Thirteenth International Summer School on Vacuum, Electron and Ion Technologies, Varna, Bulgaria, 15-19 September, 2003.- P. 66-67.

42. Indytnyy I.Z., Lisovskyy I.P., Mazunov D.O., Rudko G.Yu., Shepelyavyi P.E., Dan’ko V.A. Light-Emitting Composite SiO_x/Si Films Produced by Vacuum Evaporation // TMS Annual Meeting (March 14-18, 2004, Charlotte, North Caroline, USA). - Proceedings. - P.180.

43. Pikaruk O.O., Rudko G.Yu., Gule E.G., Klimovskaya A.I. New infrared luminescence band in silicon nanowires // The International Symposium on Optical Science and Technology, SPIE 49^th Annual Meeting (2-6 August, 2004, Denver, Colorado, USA). – Abstracts. - N5510-05.

44. Ворона І.П., Рудько Г.Ю., Шепелявий П.Є., Юхимчук В.О. Про зв’язок фотолюмінесценції з парамагнітними дефектами в SiO_x плівках // ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (20-24 вересня, 2004, Чернівці - Вижниця). - Тези доповідей. - С. 203.

45. Induntyy I.Z., Lisovskyy I.P., Mazunov D.O., Shepelyavyj P.E., Rudko G.Yu., Dan’ko V.A. Optical study of thermally induced phase separation in evaporated SiO_x films // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. -2004. - V.7, N 2. - P.161-167.