НГ з вивчення технології та дослідження широкозонних напівпровідникових структур кафедри загальної фізики (НГ ЗФ)

Керівник:Пелещак Роман Михайлович, доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедри загальної фізики Дрогобицького державного педагогічного університету імені Івана Франка

 

Напрями діяльності, тематика досліджень:

1. Вирощування та дослідження фізичних властивостей монокристалів А2В6, А3В5 і структур з нанокластерами на їх основі

2. Теорія струмопереносу через бар’єр Шотткі на основі напружених наногетеросистем InAs/GaAs, CdTe/ZnTe з квантовими точками.

3. Керування спектром та напрямом випромінювання гетеролазера на квантових точках за допомогою періодичної деформації.

4. Вплив деформаційних ефектів на електронні та діркові стани в напружених квантових точках InAs/GaAs, CdTe/ZnTe.

5. Вплив квантово-розмірних ефектів на баричний коефіцієнт матеріалу квантової точки різної геометрії та ефективну масу носіїв заряду.

6. Самоузгоджені електрон-деформаційно-дифузійні ефекти в широкозонних напівпровідниках та гетеросистемах із самоорганізованими нанокластерами.

 

Історична довідка:

За період існування наукової групи з вивчення технології та дослідження широкозонних напівпровідникових структур кафедри загальної фізики виконувались наступні фундаментальні дослідження за рахунок видатків загального фонду державного бюджету:

1. Вплив неоднорідно-деформованої поверхні на властивості контакту поверхнево-бар’єрних структур Шотткі, № ДР 0102U000331 (2002-2004 роки).

2. Вплив деформаційних ефектів на електронні та діркові стани квантових точок гетеросистеми InAs/GaAs,  № ДР 0105U001877 (2005-2007 роки).

3. Формування електронно-діркових переходів у напружених гетеросистемах з самоорганізованими дефектно-деформаційними кластерами,  № ДР 0108U000587 (2008-2010 роки).

4. Теорія струмопереносу через бар’єр Шотткі на основі напружених наногетеросистем арсенід індію – арсенід галію з квантовими точками,  № ДР 0111U001019 (2011-2013 роки).

Наукові результати цих досліджень були використані в трьох кандидатських дисертаціях під керівництвом професора Пелещака Р.М.:

1. Баран М.М., 2005 р., Вплив електрон-деформаційної взаємодії на електронні стани та перерозподіл електронної густини в широкозонних напівпровідниках з дислокаціями (01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків).

2. Даньків О.О., 2007 р., Вплив деформації на електронні та діркові стани в напружених квантових точках InAs/GaAs (01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків).

3. Кузик О.В., 2008 р., Самоузгоджені електрон-деформаційно-дифузійні ефекти в широкозонних напівпровідниках та гетеросистемах із самоорганізованими точковими дефектами (01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків).

 

Співробітники:

Пелещак Роман Михайлович, завідувач кафедри загальної фізики, доктор фізико-математичних наук, професор;

Шуптар Дионізій Дмитрович, доцент кафедри загальної фізики, кандидат фізико-математичних наук, доцент;

Гадзаман Іван Васильович, доцент кафедри загальної фізики, кандидат фізико-математичних наук, доцент;

Даньків Олеся Омелянівна, доцент кафедри загальної фізики, кандидат фізико-математичних наук, доцент;

Кузик Олег Васильович, доцент кафедри загальної фізики, кандидат фізико-математичних наук;

Британ Віктор Богданович, викладач кафедри загальної фізики;

Бачинський Ігор Ярославович, аспірант кафедри загальної фізики;

Крипак Анатолій Олексійович, завідувач лабораторіями кафедри загальної фізики;

Німецький Володимир Петрович, інженер 1 категорії кафедри загальної фізики;

Козак Михайло Ігорович, аспірант кафедри загальної фізики.

 

Основні результати:

Одержані результати теоретичних досліджень впливу деформації на електронні та діркові стани в напружених квантових точках InAs/GaAs дозволили встановити механізм зменшення баричного коефіцієнта в квантово-розмірних нульвимірних структурах InAs/GaAs відносно масивних напівпровідникових кристалів InAs, та залежність ефективних мас електрона та дірки від латерального розміру напруженої циліндричної квантової точки в площині росту та в напрямі перпендикулярному до неї. Виконані дослідження можуть бути використані при створенні гетеролазерів на масиві напружених квантових точок. Встановлена закономірність зміни ширини оптичної щілини від температури росту квантових точок спонукатиме до розробки технологій вирощування нульвимірних систем, використання яких дасть змогу підвищити стабільність та відтворюваність параметрів нанооптоелектронних приладів на основі нульвимірних структур та прогнозувати їхню можливу часову деградацію. Отримані результати при дослідженні енергії основного оптичного переходу в квантових точках з домішками можуть мати практичне значення для побудови багатомодових гетеролазерів на масиві напружених квантових точок з різними за хімічною природою легуючими домішками.

Одержані результати теоретичних досліджень самоузгоджених електрон-деформаційно-дифузійних ефектів дозволили встановити критерії виникнення nn+ переходів у широкозонних напівпровідниках та вплив цих ефектів на формування nn+ переходів у напружених гетероструктурах із самоорганізованими дефектно-деформаційними структурами. Встановлені закономірності самоорганізації можуть бути використані для отримання лазерно-модифікованих напівпровідникових матеріалів з наперед заданими фізичними параметрами. Проведені дослідження можуть бути використані при створенні нового класу транзисторів та діодів на основі напружених гетероструктур із самоорганізованими точковими дефектами. Запропонований метод опису електрон-деформаційно-дифузійних ефектів може бути використаний для розробки теорії синергетичних явищ при формуванні нульвимірних напружених наносистем.

У наближенні самоузгоджених граничних умов виведено систему нелінійних диференціальних рівнянь, яка описує струмоперенесення у діодах Шотткі виду – напівпровідникова напружена гетеросистема InAs/GaAs з вбудованим шаром квантових точок InAs з врахуванням електрон-деформаційних ефектів. У межах запропонованої моделі встановлено закономірності просторового розподілу деформації матеріалу наногетеросистеми InAs/GaAs з квантовими точками InAs залежно від середньої концентрації електронів провідності. У межах моделі самоузгодженого електрон-деформацiйного зв’язку побудовано теорію формування n-n+ переходів у структурі метал – напружена наногетеросистема InAs/GaAs з шаром квантових точок InAs різної форми (циліндричної, сферичної). Отримано аналітичні розв’язки рівняння Пуассона-Фермі-Дірака для квантових точок сферичної та циліндричної форми. З врахуванням самоузгодженого електрон-деформаційного зв’язку побудовано модель топології розподілу електростатичного потенціалу в бар’єрній структурі Шотткі з вбудованим шаром квантових точок InAs у область просторового заряду напівпровідникової матриці nGaAs. Встановлено, що результуюче електричне поле в бар’єрній структурі Шотткі з вбудованим шаром квантових точок визначається суперпозицією двох полів: електричного поля на межі контакту метал – напівпровідник n-типу та електричного поля на межі розділу квантова точка – напівпровідникова матриця.

 

Короткі звіти з виконуваних робіт:

Анотовані дані з теми НДР: Вплив деформаційних ефектів на електронні та діркові стани квантових точок гетеросистеми InAs/GaAs,  № ДР 0105U001877 (2005-2007 роки).

а) Мета та предмет дослідження: встановлення закономірностей зміни енергії основного оптичного переходу в квантових точках під впливом періодичного деформаційного поля.

б) Суть процесу дослідження полягав у розв’язуванні рівняння Шредінгера в наближенні ефективної маси та параболічних законів дисперсій, а також у встановленні закономірностей зміни енергетичного спектру носіїв заряду у напруженій квантовій точці в межах методу деформаційного потенціалу.

в) Основні наукові результати. Побудовано гамільтоніан квантової точки при дії зовнішнього періодичного деформаційного та електромагнітного полів. На основі розв’язку рівняння Шредінгера знайдено хвильові функції та енергію основного та перших збуджених електронних станів. Розраховано енергію основного та перших збуджених електронних станів у квантовій точці залежно від її розмірів. Розраховано ймовірність переходів з основного енергетичного стану у збуджені електронні стани у квантових токах різних розмірів. Одержані результати теоретичних досліджень впливу деформації на електронні та діркові стани в напружених квантових точках InAs/GaAs дозволили встановити механізм зменшення баричного коефіцієнта в квантово-розмірних нульвимірних структурах InAs/GaAs відносно масивних напівпровідникових кристалів InAs.

г) Економічний ефект. На основі результатів досліджень будуть розроблені рекомендації для оптимізації робочих характеристик модуляторів та гетеролазерів на квантових точках в гетеросистемі InAs/GaAs.

Анотовані дані з НДР: Формування електронно-діркових переходів у напружених гетеросистемах з самоорганізованими дефектно-деформаційними кластерами,  № ДР 0108U000587 (2008-2010 роки).

а) Мета та предмет дослідження: дослідження закономірностей формування nn+ переходів у напружених гетеросистемах GaAs/InAs/GaAs із самоорганізованими нанокластерами.

б) Суть процесу дослідження полягає у знаходженні самоузгодженого розв’язку рівнянь Шредінгера, Пуасона, дифузії, механічної рівноваги і встановленні закономірностей просторового розподілу концентрації носіїв струму, точкових дефектів, деформації та електростатичного потенціалу у широкозонних напівпровідниках (GaAs, CdTe, ZnTe) і гетеросистемах GaAs/InxGa1‑xAs/GaAs із самоорганізованими нанокластерами.

в) Основні наукові (науково-технічні) результати роботи. Побудовано теорію утворення n-n+ переходів у гетеросистемі GaAs/InAs/GaAs із самоорганізованими нанокластерами. Запропонована модель враховує відмінність електронних характеристик контактуючих напівпровідникових матеріалів та самоузгоджену взаємодію електронної підсистеми з пружно-деформованим середовищем. Встановлено, що із зменшенням середньої концентрації електронів провідності у напруженій тришаровій гетероструктурі з нанокластерамиn-n+ перехід стає більш різким, що пояснюється більшою чутливістю до деформації кристалічної ґратки при частковому заповненні зони провідності.

г) Економічний, соціальний, інший ефект, що мають та будуть мати результати роботи, на яких підприємствах (організаціях) вони впроваджуються.На основі результатів досліджень будуть розроблені рекомендації для оптимізації характеристик датчиків іонізованого випромінювання, виготовлених на основі структур GaAs/InAs.

Анотовані дані з НДР: Теорія струмопереносу через бар’єр Шотткі на основі напружених наногетеросистем арсенід індію – арсенід галію з квантовими точками,  № ДР 0111U001019 (2011-2012 роки).

а) Мета та предмет дослідження: дослідження закономірностей струмопереносу з врахуванням деформаційних ефектів у діодах Шотткі на основі гетеросистеми InAs/GaAs з вбудованим шаром квантових точок InAs.

б) Суть процесу дослідження полягає у встановленні закономірностей просторового розподілу носіїв струму, електростатичного потенціалу та напруженості електричного поля з врахуванням самоузгодженого електрон-деформаційного зв’язку в діодах Шотткі виду метал-напівпровідникова напружена гетеросистема InAs/GaAs з вбудованим шаром квантових точок InAs.

в) Основні наукові (науково-технічні) результати роботи. У межах моделі самоузгодженого електрон-деформацiйного зв’язку побудовано теорію формування n-n+ переходів у структурі метал – напружена наногетеросистема InAs/GaAs з шаром квантових точок (КТ) InAs різної форми. Отримано аналітичні розв’язки рівняння Пуассона-Фермі-Дірака для квантових точок сферичної та циліндричної форми. Досліджено розподіл електростатичного потенціалу та напруженості електричного поля у структурі метал – напружена наногетеросистема InAs/GaAs з шаром КТ InAs залежно від розміру КТ, температури та невідповідності параметрів ґраток контактуючих матеріалів гетеросистеми.

г) Економічний, соціальний, інший ефект, що мають та будуть мати результати роботи, на яких підприємствах (організаціях) вони впроваджуються.Отримані результати можна використати для створення низькобар’єрних діодів Шотткі як детекторів мікрохвильового випромінювання, які не вимагають постійного робочого зміщення, що дозволить зменшити витрати енергетичних ресурсів.

 

Співпраця з навчальними та науковими установами, організаціями та підприємствами України:

1. Інститут фізики конденсованих систем НАН України. Тематика співпраці: “Теорія струмопереносу у наногетеросистемах з квантовими точками ІnAs/GaAs”.

2. Інститут фізики НАН України. Тематика співпраці: “Екситонні спектри у напружених гетеросистемах з квантовими точками”.

3. Інститут фізики напівпровідників НАН України. Тематика співпраці: “Дослідження оптимальних технологічних режимів вирощування монокристалів CdTe, ZnTe з нанокластерами та їх оптичних і електричних властивостей”.

4. Національний університет “Львівська політехніка”. Тематика співпраці: “Отримання масивів однорідних за розмірами напружених квантових точок ІnAs/GaAs”.

 

Міжнародна співпраця:

Фізико-технічний інститут ім. А.Ф. Йоффе Російської академії наук. Тематика співпраці: “Оптичні властивості напружених гетеросистем ІnAs/GaAs квантовими точками”.

 

Основні наукові праці:

1. Пелещак Р.М. Спектр электронов и дырок в квантовой точке InAs, перенормированный деформацией гетеросистемы InAs/GaAs / Р.М.Пелещак, О.О.Данькив // Письма в Журнал технической физики. – 2005. – Т.31. – №16. – С.33-41.

2. Новиков Б.В. Барические свойства квантовых точек InAs / Б.В.Новиков, Г.Г.Зегря, Р.М.Пелещак, О.О.Данькив, В.А.Гайсин, В.Г.Талалаев, И.В.Штром, Г.Э.Цырлин // Физика и техника полупроводников. – 2008. – Т.42. – №9. – С.1094-1101.

3. Peleshchak R.M. Electric properties of the interface quantum dot – matrix / R.M.Peleshchak, I.Ya.Bachynsky // Condensed Matter Physics. – 2009. – V.12. – №2. – Р.215-223.

4. Пелещак Р.М. Самоузгоджений деформаційно-дифузійний просторовий перерозподіл дефектів у напівпровіднику під дією електричного поля / Р.М.Пелещак, О.В.Кузик // Український фізичний журнал. – 2009. – Т.54. – №7. – С.703-707.

5. Пелещак Р.М. Формування n+-n переходів на напруженій межі квантова точка – матриця / Р.М.Пелещак, І.Я.Бачинський // Український фізичний журнал. – 2009. – Т.54. – №6. – С.630-636.

6. Пелещак Р.М. Расчет потенциала и электронной плотности  для напряженной полупроводниковой квантовой точки / Р.М.Пелещак, И.Я.Бачинский, Г.Г.Зегря // Письма в Журнал технической физики. – 2010. – Т.36. – №24. – С.1-8.

7. Пелещак Р.М. Вплив деформаційних ефектів на електричні властивості структури  метал – напівпровідник – легований напівпровідник / Р.М.Пелещак, О.В.Кузик, О.О.Даньків // Український фізичний журнал. – 2010. – Т.55. – №4. – С.437-442.

8. Пелещак Р.М. Частотна модуляція рекомбінаційного випромінювання гетероструктури InAs/GaAs з квантовими точками InAs під впливом акустичної хвилі / Р.М.Пелещак, О.О.Даньків, О.В.Кузик // Український фізичний журнал. – 2011. – Т.56. – №4. – С.346-353.

9. Пелещак Р.М. Формування періодичних дефектних структур у напівпровідниках під впливом акустичної хвилі / Р.М.Пелещак, О.О.Даньків, О.В.Кузик// Журнал фізичних досліджень. – 2011. – Т.15. – №3. – С.3602(4с.).

10. Пелещак Р.М. Модуляція напрямку випромінювання гетеролазера з квантовими точками InAs під впливом акустичної хвилі / Р.М.Пелещак, О.О.Даньків, О.В.Кузик // Український фізичний журнал. – 2012. – Т.57. – №1. – С.71-75.

11. Пелещак Р.М. Енергетичний спектр електронів у тришаровій гетеросистемі із самоорганізованими дефектно-деформаційними структурами / Р.М.Пелещак, О.В.Кузик, О.О.Даньків  // Український фізичний журнал. – 2012. – Т.57. – №8. – С.841-846.

12. Пелещак Р.М. Влияние легирующих изовалентных примесей Bi на формирование однородных когерентно-напряженных квантовых точек InAs в матрице GaAs / Р.М.Пелещак, С.К.Губа, О.В.Кузык, И.В.Курило, О.О.Данькив // Физика и техника полупроводников. – 2013. – Т.47. – №3. – С.324-328.

 

Контактна інформація:   e-mail  peleshchak@rambler.ru