|
НАУКОВА РОБОТА
На розвиток наукової роботи кафедри суттєво вплинуло створення в 1954 р. наукової лабораторії, основним напрямом діяльності якої в перші роки існування були розробка та дослідження НВЧ діодів. Організатором та науковим керівником лабораторії був акад. Лашкарьов В.Є. У 1961 р. вийшли постанови ЦК КПРС та Ради міністрів СРСР і ЦК КПУ та Ради міністрів УРСР про необхідність створення в Київському державному університеті ім. Т.Г.Шевченка проблемної лабораторії з напівпровідників. З метою підготовки виконання цих постанов існуюча наукова лабораторія була розширена та перетворена в науково-дослідну лабораторію фізики та техніки напівпровідників, яка, в свою чергу, в 1964 році була реорганізована у Проблемну лабораторію фізики та техніки напівпровідників з такою структурою: відділ напівпровідникових НВЧ приладів та відділ фотоелектричних приладів. Велика робота по створенню Проблемної лабораторії була проведена Карханіним Ю.І. та Стріхою В.І., який був її науковим керівником від створення і до 1999 року.
Наукові дослідження, які виконувались на кафедрі фізики напівпровідників, включають теоретичні та експериментальні вивчення зонної структури напівпровідників, енергетичних і рекомбінаційних характеристик домішкових та власних дефектів кристалічної гратки і їх взаємодію; кінетичних явищ в напівпровідниковій плазмі; законів дрейфу; дифузії і рекомбінації нерівноважних носіїв у варизонних структурах. Внаслідок цих досліджень були відкриті низькочастотні коливання електричного струму, що виникають при освітлюванні високоомного GaAs(O,Cr) (Карханін Ю.І., Воробйов Ю.В., Третяк О.В.); розвинуті багатоелектронна теорія енергетичного спектра іонно-валентних кристалів з урахуванням електронної кореляції і теорія електронно-діркових комплексів, локалізованих поблизу зарядженого домішкового центру в напівпровіднику (Зінець О.С., Воробйов Ю.В.); вивчені генераційно-рекомбінаційні ефекти гарячих носіїв заряда в компенсованих напівпровідниках та ефекти перемикання в діодних структурах на основі GaAS (Cr, Cu), які використані в мікромініатюрних і потужних високовольтних перемикаючих пристроях (Пека Г.П., Бродовий В.А.).
При дослідженні фізичних властивостей твердих розчинів на основі сполук А3В5-А2В6 показана можливість значної зміни параметрів кристалічної гратки та енергетичного спектра електронів твердих розчинів шляхом подвійного легування.
Передбачено і виявлено новий тип дрейфу електронно-діркової плазми в напівпровіднику, зумовлений градієнтом рухливостей носіїв заряду, а також термічний градієнто-дірковий домен, який виникає при неоднорідному джоулевому розігріві зразка; пінч-ефект в Ge, а також індуктивний імпеданс ударно-іонізованої плазми в InSb. Розвинуто теорію та запропоновано метод дослідження напівпровідників та діелектриків шляхом вимірів холівського струму (Добровольський В.М.).
Теоретично передбачені та експериментально досліджені нові ефекти, що пов’язані з власнодефектною провідністю і рівноважною самокомпенсацією провідності в напівпровідниках та процеси утворення і поведінки радіаційних та лазерних дефектів в них. Результати цих досліджень увійшли до циклу робіт, відзначених Державною премією УРСР у 1987 р. (Холодар Г.А.).
При дослідженні нерівноважної провідності в напівпровіднику з одночасною дією на нього постійного магнітного поля і резонансного НВЧ-випромінювання встановлено природу спін-залежного механізму електронних переходів у забороненій зоні кремнію. Передбачені і знайдені ефекти спін-залежного переносу струму в напівпровідниках і напівпровідникових структурах. Дослідження спін-залежної рекомбінації дали змогу розширити фундаментальні уявлення про специфіку рекомбінації в твердому тілі із складним спектром локалізованих станів. Побудована квантова теорія спін-залежної рекомбінації в широкому діапазоні магнітних полів. Проведені унікальні експериментальні дослідження в слабких магнітних полях (Третяк О.В.).
Вивченням фізичних основ роботи та застосування контактних багатошарових структур і, в першу чергу, контакту метал-напівпровідник з бар’єром Шотткі протягом багатьох років займались в Проблемній лабораторії. В результаті цих досліджень теоретично та експериментально обгрунтована фізична модель реального контакту, в якій враховані зазор між металом та напівпровідником та поверхневі стани в контакті. На базі цієї моделі розвинута теорія реальних контактів у наближеннях як діодної, так і дифузійної теорії. Передбачено ряд нових фізичних ефектів, серед яких: зміна вольтамперних характеристик з частотою, слабка залежність ємності від напруги, індуктивний характер реактивної складової повного опору та інше.
Побудована мікроскопічна теорія електронних процесів у структурі метал-напівпровідник, що кількісно описує:
- можливі типи локалізованих в області границь поділу станів, які взаємодіють між собою, із середовищем та зовнішніми полями;
- формування та структуру області просторового заряду;
- особливості проходження носіїв заряду крізь області границь поділу та просторового заряду;
- формування та специфіку робочих характеристик контактних структур.
На цій підставі передбачені нові ефекти: виникнення від’ємної диференційної ємності контакту при струмовому порушенні функції розподілу носіїв заряду; від’ємного диференційного опору та температурної стабілізації струму при тунельно-резонансному проходженні струму; формування керованих хвиль зарядової густини та інше. Крім того розроблені нові методики дослідження параметрів та властивостей напівпровідників та напівпровідникових структур; сформульовані принципи визначення та прогнозування електрофізичних параметрів контактних структур, що працюють у заданих умовах (Стріха В.І., Бузаньова Є.В., Воскобойніков О.М., Ільченко Вас.В., Ільченко В.В., Кільчицька С.С., Шека Д.І.).
Для вивчення поверхневих властивостей Ge, Si, CdS, GaAs застосовано комплекс методів, у тому числі відкритий на кафедрі метод люмінесцентного ефекту поля (Пека Г.П.), метод струму Холла (Добровольський В.М.). Проведені дослідження дозволили з’ясувати роль поверхні і приповерхневої області прострового заряду в процесах випромінюючої рекомбінації в СdS, GaAs; визначити вплив поверхневого легування на інтенсивність рекомбінаційної люмінесценції в СdS, на параметри поверхні Ge та Si, на фоточутливість Cu2O в короткохвильовій області видимого спектра випромінювання; дослідити механізми розсіювання в структурах метал-діелектрик-напівпровідник (Жаркіх Ю.С.).
У 1960-90 рр. на кафедрі та її підрозділах кожен рік виконувались 3 держбюджетні і 12-15 госпрозрахункових робіт із загальним фінансуванням 500-600 тис. крб. на рік. Серед цих робіт значна частина відносилась до найважливіших за тематикою – згідно до постанов ДКНТ при Раді Міністрів СРСР, АН СРСР та ін. Великий обсяг госпрозрахункової тематики дозволяв втілювати результати фундаментальних досліджень у життя. Наведемо тільки деякі приклади.
Був створений швидкодіючий фотоприймач лазерного випромінювання для ближньої інфрачервоної області на основі контакту метал-германій (Стріха В.І., Кільчицька С.С., тема виконувалась за Постановою ДКНТ при Раді Міністрів СРСР). Запропоновано нову конструкцію запам’ятовуючого транзистора і новий електрооптичний спосіб запису інформації в транзисторах з плаваючим затвором. Виготовлено транзистор із запропонованою конструкцією, який мав напругу запису інформації значно меншу, ніж існуючі на той час (Добровольський В.М., Нінідзе Г.К.). На основі структур метал-напівпровідник-метал розроблено потужні високовольтні перемикаючі пристрої з оптичним контролем (Пека Г.П., Бродовий В.А.). Розроблено портативний тепловізор з безвакуумним світлодіодним індикатором (Воробйов Ю.В.). На основі контактних багатошарових структур створено та досліджено новий клас приладів – біосенсори. Розроблено та захищено міжнародним патентом мініатюрний біосенсор для експресного визначення концентрації глюкози в крові людини (Стріха В.І.). Розроблено методи діагностики надтонких діелектричних шарів на поверхні напівпровідників та в інтерфейсах метал-діелектрик-напівпровідник. Досягнута чутливість вимірів товщини шару діелектрика в 1 нм дозволила провести комплекс досліджень структурно-хімічних змін в тонких та надтонких діелектричних шарах під час технологічних операцій виробництва кремнієвих інтегральних схем, сонячних елементів, сенсорів. Розробка була впроваджена у виробництво на ВО ім. С.П. Корольова (Скришевський В.А.). Результати вивчення явищ, що відбуваються в електронно-дірковій плазмі напівпровідника, були використані при розробці нової технології виготовлення напівпровідникових приладів. За участь у цій роботі проф. Добровольському В.М. та с.н.с. Павлюку С.П. було присуджено Державну премію УРСР у галузі науки і техніки за 1982 р.
Таких прикладів можна навести чимало. Про важливість досліджень, які проводились на кафедрі, свідчить те, що економічний ефект від впровадження цих досліджень у виробництво щорічно складав 250-300 тис.крб.
Треба також згадати, що ще в 70-х роках кафедра одна із перших почала застосовувати автоматизацію наукових досліджень – було автоматизовано декілька вимірювальних установок. Роботу в цьому напрямку розпочав н.с. Ветров О.П., а продовжили доц. Бойко Ю.В., ас. Грязнов Д.Б. Трохи згодом цей напрям поширився і на навчальний процес.
В останні роки розширився напрям наукових досліджень та збільшилась кількість об’єктів цих досліджень: багатошарові структури з поруватими та наноструктурованими матеріалами, органічні напівпровідники, структури кремній на ізоляторі (КНІ) та інші. В результаті проведених досліджень виявлено високочастотні коливання температури великої амплітуди в КНІ структурах. В електронно-дірковій плазмі цієї ж структури виявлено виникнення регулярно розташованих гарячих плям (страт), а також досліджено обернений дрейф електронно-діркової плазми в кремнії (Добровольський В.М., Іщук Л.В., Нінідзе Г.К.). Розвинуто теорію планарного фотомагнітного ефекту і запропоновано високочутливий магнітосенсор, робота якого базується на цьому ефекті, а також теорію чутливого до магнітного поля польового транзистора (Добровольський В.М.). Проведено розрахунки та експериментальне дослідження ходу потенціалу, розподілу носіїв заряду в багатошарових структурах. Комплексно досліджені оптичні, електричні та рекомбінаційні явища в пористому кремнію та створено новий тип сонячних елементів та тонкоплівкових фотомодулів. У цих сонячних елементах пористий кремній відіграє роль антивідбиваючого, пасивуючого та люмінесцентного покриття, концентраторів та дифузорів сонячного світла (Стріха В.І., Скришевський В.А., Кільчицька С.С.). На гетеропереходах метал-тонкий шар пористого кремнію створені хімічні сенсори на парах водню, вологи, аміаку та органічних молекул, які основані на зміні вольтфарадних, вольтамперних характеристик, контактної різниці потенціалів та фотолюмінесценції (Ільченко В.В., Скришевський В.А., Кузнєцов Г.В.). Створені пристрої оптоелектроніки на гетероструктурах з поруватим кремнієм: холодний катод та лавинний фотодіод (Бродовий В.А., Скришевський В.А.). Визначені параметри локалізованих станів у низькорозмірних системах на основі поруватого кремнію (Третяк О.В., Скришевський В.А., Кільчицька С.С.).
Вперше проведено кількісний квантово-механічний розрахунок основних характеристик спін-залежної рекомбінації в напівпровідниках в усьому діапазоні зовнішніх магнітних полів і досягнуто збіжності теоретичних та експериментальних результатів. Також показано, що рекомбінацію через синглетні та триплетні стани слід розглядати як граничні випадки загального фізичного процесу. Досліджено на великій кількості напівпровідників та напівпровідникових структур ефект спін-залежної рекомбінації, що є основою методики електричного детектування електронного парамагнітного резонансу, як у великих, так і малих магнітних полях (Третяк О.В., Барабанов О.В., Львов В.А.). На кафедрі створено унікальний РСГР спектрометр. Детально розроблено математичну модель, що дозволяє коректно інтерпретувати РСГР результати у випадку складного та неперервного спектра (Бойко Ю.В., Грязнов Д.Б.).
Завдяки застосуванню ємностної релаксаційної спектроскопії глибоких рівнів, утворених квантовими точками InAs в гратках GaAs, вперше встановлено час захоплення для електронів на ці стани та визначено їх параметри. Показано, що квантові точки сприяють утворенню в гратці GaAs специфічних дефектів. Двома дуальними холівськими методами проведені порівняльні дослідження процесів переносу в каналах гетероструктур GaAs-AlxGa1-xAs з надвисокими значеннями рухливості за умов розмірного і магнітного квантування газу вільних носіїв заряду. Запропонована коректна методика визначення рухливості і концентрації двовимірних електронів, в умовах, коли ефекти пов’язані з квантуванням Ландау, починають виявляти себе в процесах переносу на макроскопічному рівні (Жаркіх Ю.С., Лисоченко С.В.).
Вперше побудована теорія спін-залежного нерезонансного та резонансного тунелювання в напівпровідникових структурах, що визначається лише розподілом електричних полів у структурах та не потребує зовнішніх магнітних полів. Доведено, що такі структури перспективні для використання в фільтрах поляризованих електронів, інтегрованих в пристроях напівпровідникової спінтроніки. Побудовано теорію спін-залежного розщеплення локалізованих станів у квантових точках. Продемонстрована суттєва величина цього розщеплення для малих квантових точок. Теоретично продемонстровано можливість “кросоверу” електронних станів квантових точок в зовнішніх магнітних полях. Побудовано теорію спін-залежного розсіяння електронів квантовими крапками та антиточками. Продемонстровано теоретично, що системи хаотично розподілених квантових точок (антиточок) можуть бути основою інтегрованих пристроїв вимірювання поляризації електронів провідності, а також можливість нового ефекту – штучного спін-залежного ефекту Холла (Третяк О.В., Воскобойніков О.М., Баужа О.С.).
Розроблено оригінальні методи дослідження розподілених параметрів багатошарових напівпровідникових структур і сонячних елементів, що дозволило оптимізувати технологічні режими та вихідні параметри структур сонячних елементів (Литвиненко С.В.). Розвинуто методи утворення нанокристалів кремнію в матрицях пористого кремнію, оксиду алюмінію та суміші оксидів алюмінію та титану, а також самоорганізації колоїдальних частинок оксидів та сульфідів перехідних металів та молекул полімеру (поліаніліну), що дозволило одержувати шари нанокомпозитів з керованими інтерфейсними властивостями в багатошарових структурах (Бузаньова Є.В.).
Група проф. Львова В.В. виконує теоретичні дослідження в галузі фазових переходів, термодинаміки мартенситних сплавів, фізики спін-залежних явищ у напівпровідниках. Ключовий результат - побудовано класи магнітної симетрії доменних стінок у магнітних кристалах та побудовано феноменологічну теорію магнітних, надпружних та магнітопружних властивостей мартенситних сплавів.
Під керівництвом проф. Погорілого С.Д. здійснюється цикл досліджень, пов’язаних із формалізацією та оптимізацією алгоритмів маршрутизації мережевих протоколів з використанням математичного апарату систем алгоритмічних алгебр Глушкова В.М. Дослідження проводяться за трьома напрямами:
1. Запис алгоритмів з використанням сигнатур алгоритмічних алгебр з метою їх подальшої трансформації;
2. Створення інструментальних засобів моделювання, які дозволяють обчислити певні метрики алгоритмів за їх схемами;
3. Розробка інструментальних програмних засобів автоматизованого синтезу програм за схемами їх алгоритмів у візуальних середовищах програмування (Delphi, Borland C++ Builder, UNIX-платформи).
За допомогою математичного апарату систем алгоритмічних алгебр виконано формалізацію найбільш поширених алгоритмів маршрутизації (в протоколах OSPF та RIP) в Internet/Intranet – мережах. Створено інструментальні засоби моделювання та оцінки цих алгоритмів.
Під керівництвом проф. Лозовського В.З. отримано ряд сучасних наукових результатів у фізиці ближнього поля, теоретично досліджуються оптичні властивості низьковимірних структур та властивості молекулярних покриттів на поверхні твердих тіл.
Наукові досягнення кафедри неодноразово відзначались на Всесоюзних та Республіканських конкурсах та виставках. При виконанні багатьох досліджень та розробок кафедра плідно співпрацювала як з кафедрами радіофізичного факультету та інших факультетів (фізичного, хімічного), так і з іншими установами. Кафедра проводила спільні наукові дослідження з Інститутом фізики напівпровідників, Інститутом фізики, Інститутом ядерних досліджень НАНУ, з НДІ «Оріон» та «Сатурн», НВО «Кристал» (м.Київ); НДІ «Полюс», ВНДІ джерел струму (м. Москва); Інститутом космічних досліджень АН СРСР, ФТІ ім.А.Ф.Йоффе, ДОІ (м. Санкт-Петербург) та з багатьма іншими.
Наприкінці 1980-х та в 1990-х роках розширюються міжнародні зв’язки кафедри. В 1989 р. Київським університетом, Інститутом молекулярної біології та генетики НАНУ та Ecole Central (м. Ліон, Франція) укладено договір про спільні наукові дослідження та обмін студентами в галузі дослідження сенсорів. Проводилась співпраця з Братиславським університетом ім. Я.Каменського (Словаччина), Ліонським політехнічним інститутом (Франція). Завдяки цим дослідженням було отримано чотири гранти НАТО на підтримку міжнародних наукових зв’язків строком на два роки кожний.
В 2000 р. Відбулося подальше зростання міжнародніих зв’язків кафедри: Ecole Central (м. Ліон, Франція) – по дослідженню газових сенсорів на пористому кремнії; INSA (м. Ліон, Франція) – по вивченні сонячних елементів на мультікристалічному кремнії; університет м. Барселони (Іспанія) – по аналізу модифікації та дослідженню нанокристалічного кремнію; технічний університет м. Мюнхена (ФРН) – по дослідженню електронного транспорту у напівпровідниках та діелектриках; університет м. Тренто (Італія) – вивчення електролюмінесценції наноструктурованого кремнію з додатковою адсорбцією біополімерів; Чайтунський університет (Тайвань) – по дослідженню спін-залежних ефектів в напівпровідникових квантових точках.
Кафедра проводила значну організаційну роботу з координації досліджень, пов’язаних з контактом метал-напівпровідник. Так, в 1975 р. в Києві була організована і проведена перша в СРСР конференція “Напівпровідникові прилади з бар’єром Шотткі”. Такі ж конференції були проведені в 1978 р. (м. Одеса) та в 1987 р. (м. Київ). В кожній з цих конференцій брали участь більше ніж 200 осіб, які представляли понад 60 організацій із 25 міст. Було також проведено ряд Республіканських та Всесоюзних семінарів з подібною тематикою. Кафедра брала активну участь в організації виїздного засідання секції АН СРСР по гетеропереходам (м. Київ, 1980 р.). В 1980 р. Проблемна лабораторія була призначена координатором підприємств, НДІ та вузів країни з проблеми “Напівпровідникові прилади з бар’єром Шотткі». З 1992 р. кафедра активно працює над фундаментальними та прикладними проблемами з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки, затвердженими Верховною Радою України. Протягом 1992-96 рр. кафедра була головною організацією з Державної програми “Нетрадиційні джерела енергії” Міннауки України.
|