Экситонные и плазмонные эффекты в неидеальных вюрцитных полупроводниковых кристаллах и наноструктурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи ии^45Б439

ШУБИНА ТАТЬЯНА ВАСИЛЬЕВНА

ЭКСИТОННЫЕ И ПЛАЗМОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В НЕИДЕАЛЬНЫХ ВЮРЦИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛАХ И НАНОСТРУКТУРАХ

специальность 01.04.10 - физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 0 5 2008

003456439

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Тиходеев Сергей Григорьевич, ИОФ РАН

доктор физико-математических наук, профессор

Воробьев Леонид Евгеньевич, ГОУ «СПбГПУ».

доктор физико-математических наук,

Кусраев Юрий Георгиевич, ФТИ им. А.Ф. Иоффе

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН

Защита состоится " 24 " декабря 2008 г. в 10 час. на заседании специализированного совета Д 002.205.02 при ФТИ им. А. Ф. Иоффе по адресу:

194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А. Ф. Иоффе.

Отзывы о диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан " /Д " ноября 2008 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

доктор физико-математических наук,

"¡¿^лл^--- Сорокин Л. М.

(1м

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследования в области физики экситонов и экситон-поляритонов составляют активно развивающуюся часть современной физики конденсированного состояния. Ряд фундаментальных открытий в этой области был сделан с использованием полупроводников со структурой вюрцита [1*,2*] - соединений с гексагональной кристаллической решеткой и полярной осью [3*]. В настоящее время интенсивно исследуются такие вюрцитные полупроводники как АЗ-нитриды и А2-оксиды. Основные материалы этих групп - ваН и 2пО - имеют близкую ширину запрещенной зоны (3.42 и 3.37 эВ при 300К, соответственно) и сходную структуру экситонных зон. Большая энергия связи экситона в них определяет экситонный характер излучения вплоть до комнатной температуры. Гетероструктуры на основе АЗ-нитридов и А2-оксидов потенциально способны излучать свет в широчайшей спектральной области от инфракрасного излучения до глубокого ультрафиолета. Характерной особенностью этих соединений является их высокая химическая, тепловая и радиационная устойчивость, что существенно расширяет области потенциального применения. В настоящее время на основе АЗ-нитридов уже реализованы лазеры синего и ближнего ультрафиолетового диапазона, значительно увеличившие плотность оптической записи информации, сберегающие энергию светодиоды [4*] для освещения и дорожной сигнализации, высокочастотные приборы, способные работать в экстремальных условиях. Аналогичные применения прогнозируются и для оксидных материалов.

С другой стороны, современные оптоэлектронные приборы основываются на использовании наноструктур, где движение носителей заряда и распределение световых мод ограничено в определенных направлениях [5*]. Такие наноструктуры, состоящие из многочисленных слоев различного состава, выращиваются эпитаксиальными методами на несущих подложках. Рассогласование параметров кристаллических решеток как между отдельными слоями, так и между наноструктурой в целом и подложкой, приводит к увеличению концентрации дефектов. В вюрцитных структурах плотность дефектов на несколько порядков превышает уровень, характерный для других соединений. Помимо хорошо изученных точечных дефектов и дислокаций, в них существуют специфические протяженные дефекты - инверсные домены - области, где меняется направление полярной оси, определяемое порядком следования анионов и катионов. Более того, нестабильность ряда твердых растворов и бинарных соединений приводит к появлению металлических преципитатов. В этих металлических частицах (кластерах) могут возбуждаться локальные электромагнитные моды - плазмоны. Без тщательного изучения влияния подобных дефектов на оптические свойства вюрцитных кристаллов, слоев и наноструктур невозможен дальнейший прогресс в области их применения. Это определяет актуальность темы диссертации в целом.

Рассматривая конкретные аспекты, следует отметить основополагающее значение исследований процесса переноса излучения. Наличие резонансных линий поглощения в полупроводниках изменяет оптическую дисперсию среды в их окрестности, определяющую скорость распространения света [6*]. В вюрцитных полупроводниках, помимо ряда резонансных линий свободных экситонов, существует набор линий, обусловленных экситон-примесными комплексами, что существенно усложняет картину. Рассеяние фотонов на многочисленных дефектах может привести к диффузному характеру прохождения света [7*,1]. Изучение механизмов распространения света в подобных "мутных" средах необходимо для создания протяженных светоизлучающих

приборов, к примеру, поляритонных лазеров на основе микрорезонанаторов [8*], а также устройств, эксплуатирующих "медленный" свет [9*].

За прошедшие более чем три десятка лет интенсивных исследований были уточнены многие параметры как АЗ-нитридов, так и А2-оксидов, однако ряд свойств до сих пор остается неопределенным. К примеру, несмотря на фундаментальное значение и важность для практического применения, число экспериментальных исследований экситон-поляритонных эффектов в вюрцитных полупроводниках явно недостаточно. Основная причина этого - высокий уровень дефектов, что обуславливает необходимость дальнейшего изучения особенностей экситонных переходов и поляритонных мод с учетом несовершенства структур. Важным вопросом также является прояснение кинетики рекомбинации и экситон-фононного взаимодействия, которые могут определять приборные характеристики [10*]. Анизотропия свойств вюрцитных полупроводников предполагает проведение подобных исследований в различных поляризационных конфигурациях [11*], предпочтительно, современными методами спектроскопии с высоким пространственным и временным разрешением.

Для наноструктур на основе полярных вюрцитных полупроводников существенны явления пьезоэлектрической и спонтанной поляризаций. Вызываемые ими сильные электрические поля приводят к штарковскому сдвигу и ослаблению интенсивности линий фотолюминесценции (ФЛ) [12*]. В предыдущих исследованиях эти поля полагались макроскопически однородными, тогда как наличие инверсных доменов в случае смешанной полярности должно приводить к нанометрической флуктуации электрических полей. Действие этого эффекта на оптические свойства не исследовалось, хотя характер и величина встроенных электрических полей являются определяющими для приборных характеристик квантоворазмерных структур.

В последние несколько лет возникла новая область прикладной физики -плазмоника [13*]. Предполагается, что развитие этой области знаний приведет к новым принципам манипуляции светом посредством использования плазмонных возбуждений. Медицина, антитеррористическая деятельность, контроль окружающей среды получат новые чувствительные инструменты для диагностики. Плазмоника базируется на концепции создания композитных материалов с новыми свойствами, отличными от свойств компонентов. Наиболее интересными представляются нанокомпозиты, использующие оптически активную полупроводниковую матрицу. В качестве прототипа таких нанокомпозитов может рассматриваться с кластерами 1п [2]. Следует отметить, что подобные нанокомпозиты потенциально сопрягаются с другими компонентами оптоэлектроники, выполненными на основе вюрцитных полупроводников, что открывает перспективы для использования плазмонных и оптических элементов в единых оптоэлектронных схемах.

Таким образом, дальнейший прогресс в области создания и применения вюрцитных структур на основе АЗ-нитридов и А2-оксидов требует решения ряда задач, которые можно разделить на три группы. 1) Задачи продолжения канонического исследования свойств экситонов и экситон-поляритонов в кристаллах полупроводников со структурой вюрцита, включая исследование механизмов переноса излучения. 2) Задачи исследования эффектов, связанных с наличием специфических протяженных дефектов - инверсных доменов. 3) Задачи исследования металл-полупроводниковых нанокомпозитов - перспективных сред для плазмоники. Диссертационная работа представляет ряд актуальных исследований, имеющих отношение ко всем трем группам задач.

Цели и задачи работы.

Целью диссертационной работы являлось изучение оптических свойств, определяемых экситонными и плазмонными эффектами в неидеальных объемных кристаллах и наноструктурах на основе вюрцитных полупроводников. Особенность применяемого подхода состояла в систематическом учете несовершенства вюрцитных структур, изобилующих точечными и протяженными дефектами, такими как примесные центры, инверсные домены и металлические кластеры. В качестве объектов исследования были использованы: кристаллы ОаЫ, слои и наноколонны СаЫ и ZnO, квантовые ямы ОаЫ/ЛЮаЫ и ZnO/ZnMgO, нанокомпозиты 1пЫ/1п с кластерами 1п.

Поставленная цель достигалась посредством решения следующих задач:

1. Определение типов доминирующих дефектов на основе сопоставления данных спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ) с результатами рентгено-дифракционного анализа тензора микродисторсии, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и других методов структурной характеризации.

2. Развитие методов поляризационной спектроскопии с высоким пространственным разрешением для проведения измерений микро-фотолюминесценции (ц-ФЛ) и микро-отражения с целью уточнения правил отбора для экситонных переходов, структуры поляритонных мод и наблюдения узких линий люминесценции одиночных локализованных экситонов.

3. Применение методов спектроскопии с временным разрешением для исследования процесса переноса излучения и кинетики экситонной рекомбинации в исследуемых структурах.

4. Развитие методов экспериментального и теоретического анализа механизмов переноса излучения в вюрцитных кристаллах с целью разграничения двух возможных способов: баллистического (поляритонного) и диффузного, вызванного резонансным рассеянием на примесных центрах.

5. Экспериментальное наблюдение и теоретическая интерпретация влияния областей инверсной полярности на оптические свойства вюрцитных эпитаксиальных слоев и наноструктур, включающая анализ возможных нано-метрических флуктуаций толщин, встроенных электрических полей и локализующих потенциалов.

6. Исследование поведения экситонов и их комплексов при трехмерном ограничении в местах пересечения квантовых ям инверсными доменами. Установление взаимосвязи между дефектами, кинетикой рекомбинации и возможностью достижения стимулированного излучения в гетероструктурах с квантовыми ямами смешанной полярности.

7. Теоретическое и экспериментальное рассмотрение нанокомпозита как среды с эффективной диэлектрической функцией, особенности которой определяются плазмонными возбуждениями в металлических кластерах (Ми резонансами), наряду с эффектами нестехиометрии в полупроводниковой матрице.

8. Развитие методов экспериментального наблюдения эффектов, связанных с присутствием металлических кластеров в полупроводниковой матрице, в первую очередь:

¡) метода термического детектирования оптического поглощения (ТДОП) для определения оптических потерь, вносимых кластерами;

и) метода микро-катодолюминесценции (ц-КЛ), сопровождаемого структурным микроанализом, для исследования усиления излучения около кластеров локальными электромагнитными полями.

9. Экспериментальное исследование и моделирование электромагнитного усиления в нанокомпозитах, где металлические кластеры могут иметь случайную форму и ориентацию относительно внешнего электромагнитного поля. Определение влияния структуры электронных зон в индии на плазмонные резонансы.

Научная новизна и практическая значимость работы заключаются в следующем:

• Впервые проведено исследование переноса излучения в кристаллах ОаЫ, важное для создания оптоэлектронных приборов, для работы которых существенны времена прохождения светового импульса. Продемонстрировано уменьшение скорости света в окрестности экситонных резонансов и дана теоретическая интерпретация наблюдаемому явлению как результату совокупной задержки вследствие изменения групповой скорости распространения поляритонов и упругого рассеяния фотонов на донорных центрах.

• Впервые проведено совместное рассмотрение и анализ спектров отражения, поглощения и задержки света в высококачественных кристаллах, позволившее уточнить экситонные параметры в ОаЫ, необходимые для расчета оптоэлектронных приборов.

• Выполнено исследование спектров фотолюминесценции и отражения света с поляризационным разрешением в кристаллах, слоях и наноколоннах, позволившее подтвердить существование смешанных экситон-поляритонных мод в ОаН и 2п0.

• Систематически исследована кинетика излучения свободных экситонов, экситонов связанных на доноре и их двухэлектронных сателлитов, а также фононных реплик свободных и связанных экситонов. Это позволило определить характерные времена излучательной рекомбинации, пространственную идентификацию излучающих областей и правила отбора переходов с участием фононов.

• Впервые исследовано влияние инверсных доменов на оптические свойства слоев и квантовых ям. Продемонстрировано возникновение дополнительных полос излучения и краев поглощения и уменьшение уровня внутренних электрических полей, приводящее к возможности существования интенсивной ФЛ вплоть до комнатных температур.

• Впервые продемонстрированы узкие линии экситонной фотолюминесценции в квантовых ямах ОаК/АЮаЫ, пересекаемых инверсными доменами, свидетельствующие о трехмерном характере квантоворазмерного ограничения в местах пересечений. Показано, что наблюдаемые дублеты узких линий служат проявлением формирования заряженных экситонных комплексов - трионов.

• Впервые проанализировано влияние смешанной полярности на достижение стимулированного излучения. Продемонстрирована возможность лазерной генерации при оптической накачке в двойных гетероструктурах Хп01ЪпЫ%0 с одиночной квантовой ямой ХпО в активной области.

• Впервые обнаружены диэлектрические аномалии - Ми резонансы в кластерах 1п, расположенных внутри вюрцитного полупроводника. Исследованы фундаментальные параметры нестехиометрической полупроводниковой матрицы и эффективная диэлектрическая функция нанокомпозита 1пШп.

• Продемонстрировано, что для нанокомпозитов является характерным протекание процессов люминесценции, поглощения света и генерации фототока в пространственно различных областях, находящихся под различным влиянием плазмонов.

• Впервые обнаружено усиление ФЛ за счет плазмонных возбуждений в кластерах индия, расположенных внутри вюрцитного полупроводника - эффект, перспективный для увеличения эффективности светодиодов. Проведена оценка средней величины усиления оптических процессов в нанокомпозитах при статистическом разбросе формы и положения кластеров.

• Обнаружено селективное подавление плазмонных резонансов межзонными переходами в 1пЫ и электронными переходами между параллельными зонами в 1п, которые являются типичными для ряда поливалентных металлов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Перенос излучения в ОаЫ осуществляется двумя способами: баллистическим, соответствующим экситон-поляритонному механизму распространения света, и диффузным, определяемым резонансным рассеянием фотонов на донорных центрах. Соответствующие времена задержки сигнала в окрестности резонанса экситона, связанного на нейтральном доноре, близки и зависят линейно от длины образца. Распространение света в окрестности экситонных резонансов в ОаЫ существенно замедлено - эффективная групповая скорость падает до 2100 км/сек.

2. Аномально поляризованный пик фотолюминесценции в окрестности А экситона, наблюдаемый методом поляризационной спектроскопии с высоким пространственным разрешением в кристаллах, эпитаксиальных слоях и наноколоннах ОаЫ и ZnO, возникает как результат замешивания продольных и поперечных экситон-поляритонных мод, а также процессов рассеяния между поляритонными ветвями, частично объединенными вследствие близости резонансов экситонов разных типов с одинаковой поляризацией.

3. Кинетика излучения в ОаЫ различна для безфононных экситонных линий и для их фононных реплик и двухэлектронных переходов. Это различие определяется разной длиной поглощения и сечением рассеяния на частоте переходов, и, как следствие, неодинаковым влиянием поверхности. Излучательные времена жизни экситонов в объеме материала наиболее адекватно описываются кинетикой двухэлектронных переходов и фононных реплик, поляризация которых зависит от симметрии вовлекаемых в процесс фононов и примесей.

4. В слоях и наноструктурах на основе АЗ-нитридов и А2-оксидов в областях сосредоточения инверсных доменов существует нано-метрическая флуктуация потенциального рельефа. В результате, в структурах смешанной полярности появляются дополнительные полоса излучения и край поглощения, а также происходит снижение величины встроенных электрических полей, обусловленных явлениями спонтанной и пьезоэлектрической поляризации.

5. В местах пересечения квантовых ям с инверсными доменами реализуется трехмерное ограничение экситонов, приводящее к появлению узких линий экситонной люминесценции, характерная дублетная структура которых в ОаЫ/АЮаЫ квантовых ямах отражает формирование экситонных комплексов (трионов). При наличии подобной локализации в квантовых ямах ZnO/ZnMgO возможность достижения стимулированного излучения определяется статистическим распределением локализованных экситонных состояний в ямах и барьерах.

6. Полупроводниковые соединения с металлическими включениями (кластерами) представляют собой нанокомпозиты, эффективная диэлектрическая функция которых зависит от формы, количества кластеров и отклонения матрицы от

стехиометрии. В таких материалах, в частности в InN/In, процессы излучения и поглощения света, а также генерации фототока могут происходить в пространственно различных областях, в разной степени подверженных влиянию локальных плазмонов (Ми резонансов), возбуждаемых в кластерах. 7. В нанокомпозите InN/In яркая инфракрасная люминесценция, области излучения которой пространственно совпадают с металлическими кластерами, и край термически детектируемого поглощения определяются, соответственно, радиационным и диссипативным затуханием плазмонных резонансов, наряду с усилением дипольных переходов локальными электрическими полями плазмонов. Величина усредненного усиления (<102) и спектральное положение его максимума зависят от статистического распределения кластеров. Переходы между параллельными зонами в In и межзонные переходы в InN селективно подавляют плазмонное усиление.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на 33 Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах: 29 Международной конференции по физике полупроводников (ICPS-29), Рио-де Жанейро, Бразилия, 2008 (приглашенный доклад); 16 Международном симпозиуме "Nanostructures: Physics and Technology", Владивосток, Россия, 2008 (приглашенный доклад); 5 Международной конференции по физике взаимодействия света с веществом в наноструктурах, PLMCN5, Глазго, Шотландия, 2005 (приглашенный доклад); Европейской Международной конференции Общества исследования материалов, E-MRS Fall Meeting 2005, Варшава, Польша (приглашенный доклад); Европейской Международной конференции Общества исследования материалов, E-MRS Spring Meeting 2004, Страсбург, Франция (приглашенный доклад); Международном симпозиуме по нитридным компаундам, IWN4, 2004, Питсбург, США (приглашенный доклад); 11 Международном симпозиуме "Nanostructures: Physics and Technology", С. Петербург, Россия, 2003 (приглашенный доклад); Российско-Тайванском симпозиуме по нитриду индия, JSNS-2005, С. Петербург, Россия, 2005 (приглашенный доклад); 15 Международной конференции по сверхрешеткам, наноструктурам и наноприборам (ICSNN 2008), Натал, Бразилия, 2008; VII и VIII Российских конференциях по физике полупроводников: Москва, 2005; Екатеринбург, 2007; 27 и 28 Международных конференциях по физике полупроводников: ICPS27, Флагстаф, США, 2004; ICPS28, Вена, Австрия, 2006; Международном симпозиуме по нитридным компаундам: IWN2000, Нагоя, Япония, 2000; IWN2002, Аахен, Германия, 2002; IWN2006, Киото, Япония, 2006; 4 и 5 Международной конференции по нитридным полупроводникам ICNS4, Денвер, США, 2001; ICNS5, Нара, Япония, 2005; 3 Международной конференции по когерентным процессам в экситонных системах, Лез Ош, Франция, 2007; Зимней школе по физике полупроводников, С. Петербург-Зеленогорск, 2005; 9, 12 и 13 Международных симпозиумах "Nanostructures: Physics and Technology", С. Петербург, Россия: 2001, 2004, 2005; 2 и 3 Международном симпозиуме по нитриду индия: Кайлуа-Кона, Гавайи, США 2005; Ильабела, Бразилия, 2006; 1, 2, 4 и 7 Международной конференции по физике взаимодействия света с веществом в наноструктурах: PLMCN1, Рим, Италия, 2001; PLMCN2, Ритимнон, Греция, 2002; PLMCN4, С. Петербург, Россия, 2004; PLCMN7, Гавана, Куба, 2007.; 1 и 2 Всероссийской конференции "Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы": Москва, 2001; С. Петербург, 2003; 3 Русско-Французском совещании по современной физике, Клермонт-Ферранд, Франция, 2006; 5

Российско-белорусском совещании "Semiconductor lasers and systems", Минск, Белоруссия, 2005.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 49 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 254 наименований. Общий объем диссертации составляет 201 страницу, включая 150 страниц текста и 88 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дан анализ современного состояния исследований вюрцитных полупроводников и наноструктур, продемонстрирована их перспективность для использования в приборах оптоэлектроники, обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели и задачи работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту, сформулированы научная новизна и практическая значимость, а также кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава "Оптические процессы в полупроводниках со структурой вюрцита и металл-полупроводниковых нанокомпозитах на их основе. Проблемы, поднимаемые в диссертации" представляет собой обзор состояния исследований в мире по основным проблемам, поднимаемым в диссертации. Первый параграф посвящен рассмотрению фундаментальной проблемы переноса излучения в конденсированных средах и важности задачи замедления прохождения светового сигнала для средств коммуникации, квантовой фотоники и оптоэлектроники. Приводятся данные по наблюдению замедления света в различных системах. Существуют два основных механизма прохождения света через среду: баллистический с сохранением волнового вектора и диффузный, когда волновой вектор и частота могут изменяться в процессе многократных актов рассеяния [5*]. При баллистическом прохождении электромагнитной волны с частотой со через среду с показателем преломления п групповая скорость ve = c¡[n + a{dnldco)] формально может принимать в окрестности резонанса любые, включая отрицательные, значения. Баллистический (поляритонный) механизм неоднократно наблюдался в полупроводниках. Диффузия света наблюдалась в различных мутных средах [7*]. Однако до работы [1] отсутствовали данные о возможности наблюдения такого процесса в полупроводниковых кристаллах.

Второй параграф этой главы посвящен рассмотрению сложного спектра экситонных и экситон-поляритонных состояний и их поляризационных особенностей в вюрцитном GaN. Кристаллическое поле и спин-орбитальное взаимодействие приводят к формированию трех экситонных серий А, В и С экситонов. Обменное взаимодействие снимает вырождение, приводя к появлению 12 экситонных состояний. Из них разрешенными являются состояния, соответствующие неприводимым представлениям Г5 и Г|. Состояния Г5 разрешены для Ele поляризации, а Г| - для Е|[с поляризации. Состояния Pi и Гб запрещены для дипольных переходов. Взаимодействие экситонов с электромагнитными волнами приводит к формированию единого возбуждения -экситон-поляритонов [14*]. Для одиночного резонанса дисперсионная кривая поляритона содержит две ветви, однако, поскольку А, В, и С экситоны в GaN расположены в энергетическом интервале -20-30 мэВ, экситон-поляритонные ветви разных экситонных серий не могут рассматриваться раздельно. Совместное решение системы уравнений Максвелла для трех экситонов наглядно демонстрирует

формирование объединенных поляритонных ветвей внутри энергетического интервала, занимаемого экситонами [15]. Эффекты, обусловленные существованием смешанных мод и рассеянием между объединенными ветвями, наблюдались экспериментально в GaN и ZnO, в частности, в рамках данной работы [3,4].

Среди экситон-примесных комплексов наибольший интерес представляет экситон, связанный на нейтральном доноре, обозначаемый далее как ВХ (в ряде случаев как D°X). Излучательная рекомбинация связанного экситона доминирует в низкотемпературных спектрах ФЛ [16*]. Нижнее возбужденное состояние ВХ сдвинуто относительно основного состояния на энергию порядка 3/4 от энергии связи донорных состояний, что позволяет определять ее величину путем анализа спектров ФЛ. В спектрах излучения качественных кристаллов можно наблюдать сопутствующие линии двухэлектронных переходов (ТЕТ). Эти сателлиты появляются, когда соответствующий нейтральный донор после акта рекомбинации остается в возбужденном состоянии. Важным следствием сильной связи экситонов с фононами в вюрцитных полупроводниках является появление фононных реплик, т.е. линий, соответствующих рекомбинации экситона, сопровождаемой испусканием продольного оптического (LO) или поперечного оптического (ТО) фонона. Вероятность излучения различна для первой (ILO) и второй (2LO) реплики вследствие различных правил отбора по импульсу для этих переходов [17*]. Форма фононных реплик, в первую очередь 2LO, отражает распределение экситонов по кинетической энергии. Четкая интерпретация линий излучения с участием фононов предполагает применение поляризационной микроспектроскопии для идентификации переходов в соответствии с правилами отбора [5].

Исследование кинетики экситонной рекомбинации в GaN позволяет получить важную информацию о транспорте носителей, локализации экситонов и влиянии дефектов. Спектры ФЛ, снятые с временным разрешением, демонстрируют падение интенсивности, которое на определенной частоте может быть аппроксимировано суммой двух экспонент: А,е '''' + Аге . Времена ti и t2 интерпретируются как характеристические времена затухания быстрой и медленной компонент. Важными целями анализа кинетики рекомбинации является определение излучательного времени жизни свободного и связанного экситонов, затрудненного недостаточностью данных о механизме переноса излучения в GaN и о влиянии поверхности [6].

Третий параграф данной главы посвящен экситонам и экситон-поляритонам в ZnO. Отличительными особенностями ZnO являются гигантская энергия связи экситона (~60 мэВ) и уникально большая величина продольно-поперечного расщепления порядка 1.5, 11 и 13 мэВ для Л, В и С экситонов, соответственно. Неприводимые представления, соответствующие валентным зонам А, В и С, определялись ранее как Г7, Г? и Г7 в порядке роста энергии соответствующих переходов, что возможно только при отрицательной константе спин-орбитального взаимодействия. Позднее эти данные были пересмотрены, однако полного согласия по этому вопросу нет до настоящего времени. Экситон-поляритонные эффекты в ZnO наблюдались, в частности, при измерении поглощения в магнитном поле [18*].

Анализ данных по наблюдению стимулированного излучения в слоях и квантоворазмерных структурах на основе ZnO [10*] позволил сделать вывод о двух возможных механизмах возникновения стимулированного излучения: посредством экситон-экситонного рассеяния или электрон-дырочной рекомбинации. Причем рекомбинация электрон-дырочной плазмы считается характерной для эпитаксиальных слоев, тогда как экситонное рассеяние доминирует в низкоразмерных структурах, где

имеет место дополнительное увеличение энергии связи экситона. Взаимосвязь кинетики излучения, дефектов и стимулированного излучения до работы [7] не рассматривалась.

Четвертый параграф первой главы посвящен явлениям, обусловленным пьезоэлектрической и спонтанной поляризациями в вюрцитных структурах. При рассмотрении квантовых ям ОаЫ/АЮаЫ первоначально принимались во внимание только встроенные электрические поля, возникающие вследствие пьезоэлектрической поляризации [12*]. Позднее Бернардини с соавторами [19*] указали на то, что спонтанная поляризация столь же существенна для возникновения внутренних электрических полей. Однако экспериментальные исследования выявили, что предложенные ими теоретические значения констант поляризации нитридных соединений существенно завышены. Среди причин, вызывающих расхождение, рассматривались нелинейная зависимость поляризации от напряжений, экранировка полей носителями, поверхностный потенциал. Влияние смешанной полярности, а именно наличия множества инверсных доменов с характерными размерами 3-30 нм, вплоть до работ [8,9] не изучалось.

Пятый параграф первой главы посвящен плазмонным эффектам в металл-полупроводниковых нанокомпозитах. Впервые многомодовые возбуждения электронов в металлических частицах, распределенных в диэлектрической среде, были рассмотрены Г. Ми в 1908 г. [20*]. Свойства локальных плазмонов, возникающих в металлических кластерах [21*], существенно отличаются от свойств поверхностных плазмонных волн, распространяющихся вдоль границы металл-диэлектрик, так как нарушение трансляционной симметрии приводит к отмене правила отбора по импульсу и разрешает взаимодействие с излучательными электромагнитными модами. При возбуждении плазмонов концентрация электромагнитного поля около металлической поверхности приводит к усилению оптических процессов. Этот эффект принято рассматривать в рамках электромагнитного механизма усиления [22*], основанного на том, что напряженность электрического поля Е вблизи поверхности может значительно превышать напряженность падающей световой волны Еа. Эффективность как люминесценции, так и поглощения, при наличии усиления описывается квадратичной зависимостью от коэффициента усиления поля § =|£/£'0|.

Плазмонная мода может затухать радиационно с излучением энергии и нерадиационно с преобразованием энергии в тепло. Оптические процессы в паре излучающий диполь - плазмон составляют единое целое, поскольку существует обмен электромагнитной энергией между ними. При радиационном затухании плазмона металлическая частица играет роль излучающей антенны для связанного состояния, а при нерадиационном плазмон может гасить возбуждение в излучающем диполе. Баланс между этими составляющими зависит от ряда факторов - размеров, поляризации, разницы резонансных частот, взаимной ориентации и т. п., которые определяют все разнообразие наблюдаемых эффектов от полного гашения до усиления на несколько порядков. Для поддержания плазмонных мод диэлектрическая функция £(&) = 11е£ + ; 1т£■ металла должна удовлетворять следующим условиям: Ксг: < 0 и |Нее|/1т?»1 [23*]. Хотя 1п и не относится к числу широко используемых плазмонных материалов, его свойства позволяют наблюдение плазмонных эффектов в инфракрасной спектральной области. Отличительной особенностью структуры электронных зон 1п, как и ряда других поливалентных металлов, является наличие параллельных участков электронных зон в определенных кристаллических направлениях [24*], между которыми возможны интенсивные оптические переходы. Влияние подобных переходов на плазмонные резонансы в 1п ранее не исследовалось.

Последний раздел параграфа рассматривает основные свойства 1пЫ как возможной полупроводниковой матрицы для создания нанокомпозитов. До 2002 г. 1пЫ относился к широкозонным соединениям ( Е ~ 2 эВ). В настоящее время его, с определенными основаниями [25*], рассматривают как узкозонный полупроводник ( Е ~ 0.7 эВ), несмотря на ряд необычных свойств. Нитрид индия имеет тенденцию к нестихиометрическому росту и преципитации 1п. Фундаментальная причина этого заключается в малой энергией формирования и, следовательно, легкости диссоциации ЬШ [26*]. Слабые связи 1п-1п наряду с сильными связями Ы-Ы зачастую приводят к выделению металлической фазы, а низкое давление паров 1п над жидкой фазой не позволяет удалить кластеры 1п с ростовой поверхности [10]. Этот процесс сопровождается отклонением матрицы от стехиометрии [11]. Оборотная сторона нестабильности соединения - легкость создания металл-полупроводниковых нанокомпозитов на основе 1пЫ, пригодных для исследования плазмонных эффектов. Поскольку существуют определенные сложности в проведении квалифицированных исследований методом просвечивающей электронной микроскопии из-за нестабильности InN [12], представляется результативным подход, развитый в работе, а именно создание и исследование 1пЫ1п нанокомпозитов с известным количеством специально введенного 1п.

О 0.5 1 1.5 2.0 0 0.5 1 1.5 2.0 Time (ns)

Рис. 1. Диаграммы изменения ФЛ во времени, измеренные в геометрии обратного рассеяния (а) и на просвет, после прохождения через образец (Ъ). Спектры ФЛ, измеренные в 1-мм образце с поверхности (1) и на просвет (2), а также на просвет в 2-мм образце (3), приведены на вставке [1].

Вторая глава "Перенос излучения и "медленный" свет в GaN" посвящена проблеме замедления света в GaN. §2.1 описывает подход к отбору образцов с заданными свойствами, в основе которого лежит рентгеновское измерение тензора микродисторсии и анализ на его основе дефектной структуры слоев. Применение этого метода позволило сделать заключение о типах и геометрии расположения протяженных дефектов, а также отобрать наиболее качественные образцы для исследований [13-15]. Исследование ц-ФЛ вдоль сколотых торцов слоев показало резкое снижение интенсивностей желтой и красной полос ФЛ, связанных с дефектами, вблизи поверхности [16]. Поэтому именно приповерхностная область использовалась для исследования экситонных эффектов. Наиболее качественные образцы получались при росте газофазной эпитаксией слоев толщиной до нескольких миллиметров с последующим удалением подложки и прилегающей интерфейсной области. Оставшаяся часть имела крайне низкий уровень протяженных дефектов (<106 см"2). Такие образцы по ряду параметров являются лучшими в мире в настоящее время (концентрация

свободных носителей менее 1017 см"3) и могут рассматриваться как объемные монокристаллы, где доминирует один вид дефектов нейтральные доноры. Именно эти кристаллы использовались для исследования переноса излучения в ОаМ

Второй параграф этой главы посвящен экспериментальному наблюдению задержки света методами спектроскопии с временным разрешением. Впервые это явление в ОаЫ было обнаружено при возбуждении ФЛ на одной грани кристалла и регистрации ее с противоположной стороны. Спектры ФЛ, прошедшей через образец, резко отличаются от спектров, регистрируемых в геометрии обратного рассеяния (Рис. 1). Выше границы, совпадающей с линией связанного на доноре экситона, люминесценция отсутствует. Более того, сигнал ФЛ изгибается по направлению к этой границе, что означает нарастание задержки при приближении к ВХ резонансу. Перестройка длины волны лазера позволила наблюдать аналогичную картину при прохождении светового импульса с энергией ниже энергии ВХ, когда ФЛ не возбуждалась (Рис. 2). При исследовании образцов различных длин было найдено, что максимальная задержка сигнала практически линейно зависит от длины образца ¿. Измерения, проведенные при разных температурах, показали сдвиг резонансной границы, воспроизводящей температурный сдвиг зон.

Третий параграф главы описывает исследования, направленные на то, чтобы определить, какой механизм - баллистический или диффузный, доминирует в переносе излучения и определяет замедление света. В изображениях с временным разрешением, полученных на лучших образцах, регистрировались слабые рефлексы, времена задержки которых точно соответствовали п-кратному прохождению света с отражением от границ кристалла (Рис. 2, Ь). Эти рефлексы свидетельствуют о баллистическом прохождении определенной доли сигнала, поскольку при диффузном прохождении фотон теряет память о первоначальном направлении после нескольких актов рассеяния.

Рис. 2. Изображения импульса, зарегистрированные с временным разрешением (а) до и (Ъ) после прохождения через образец длиной 1 мм. (с) Угловые диаграммы интенсивности света, прошедшего через образец, измеренные на различных энергиях. Вставка показывает разложение сигнала на две компоненты, соответствующие баллистическому (узкая) и диффузному (широкая) прохождению света [1].

Доказательство существования диффузной компоненты было получено измерением угловых зависимостей дальнего поля прошедшего излучения. При постановке эксперимента предполагалось, что баллистическая компонента будет давать узкое угловое распределение, тогда как диффузное прохождение сигнала будет приводить к

О 2 4 6 8 10 12 Angle of registration (degree)

о 400

Time (ps)

рассеянию в широкий телесный угол. В угловых диаграммах обнаружено наличие двух компонент (Рис. 2, с), причем диффузная компонента усиливается при приближении к энергии ВХ. Сосуществование двух возможных механизмов распространения света при отсутствии заметного расплывания волнового пакета означает, что диффузия фотонов обеспечивает зависимость задержки от длины образца близкую к линейной, а не квадратичной.

Моделирование процессов прохождения света в полупроводнике с несколькими резонансными линиями представлено в §2.4. Задержка при баллистическом прохождении сигнала определялась как Тв=-Ы\1,, где Ь - длина образца. Групповая

скорость \е(<о) = с1со1<1к, где волновой вектор к(ш) = (со/с)^е(со). Частотно-зависимая

проницаемость среды с несколькими резонансами записывалась в виде

где еь есть фоновая диэлектрическая проницаемость, /=А, В, С или ВХ обозначает

соответствующий экситонный резонанс с силой осциллятора /1, резонансной частотой

а/01 и параметром затухания Г;. В выражении (2) каждый резонанс предполагается

неоднородно уширенным. В данной записи это достигается сверткой лоренциана с затуханием Г. , характеризующим однородное уширение резонансной линии, с

гауссовым распределением с шириной Aj, характеризующим неоднородное уширение.

Выбор такого подхода определяется тем, что только с его помощью удалось описать с использованием одних и тех же экситонных параметров спектры отражения, пропускания и задержки. Исходя из ожидаемого влияния плотности донорных центров на нормированную силу осциллятора связанного экситона, предложено оценивать ее величину при концентрации доноров N как

где та есть масса свободного электрона, е - элементарный заряд, межзонный

матричный элемент, Ч'(г,р) есть огибающая волновой функции электрон-дырочной

пары, зависящая от положения центра масс г и вектора относительного движения электрона и дырки р.

При рассмотрении диффузии полагалось, что она вызвана упругим рассеянием фотонов на экситон-донорных комплексах, базируясь на резонансном возрастании времени задержки при приближении к линии ВХ. Решение уравнения диффузии для концентрации фотонов п(х,а>,?) с частотой <у в момент I на расстоянии х позволило получить выражение для задержки на выходе из кристалла (х=Ь)

где О(ш) и т(ео) есть частотно-зависимые коэффициент диффузии и время жизни фотонов. Анализ выражения (4) показал, что в условиях сильного поглощения около резонансной линии, когда г(го)« ¿2/£>(<»), задержка пропорциональна длине образца: Тв (ш) = (I / 2) х у/г((о) / £>(<*>) > как и при баллистическом прохождении. Результаты моделирования спектральных зависимостей с использованием двух развитых моделей

(1)

(2)

(3)

приведены на Рис. 3. Обе модели достаточно хорошо описывают эксперимент, что согласуется с комплексным характером прохождения света в ОаЫ.

О 200 -

а

I 400 -

600

800

0

I 2 мм (звезды) и 0.3 мм I (треугольники). Теоретические \ кривые получены при расчете в баллистической (сплошные линии) и диффузной (пунктир) моделях. Моделирование спектров отражения (й) и пропускания (Т) показано на вставке [1].

Рис. 3. Спектры задержки, измеренные в образцах длиной: 1 мм (черные квадраты - основной сигнал, белые - 3-х кратный рефлекс),

3.450 3.455 3.460 3.465 3.470 Energy (eV)

Последний параграф главы посвящен анализу полученных результатов. Важными параметрами для практического применения явления "медленного" света в GaN являются: скорость переноса излучения, которая вблизи экситонных резонансов была оценена как 2100 км/с (-0.7% от скорости света в вакууме); соотношение временной ширины выходного импульса и времени его задержки (1:10), и уменьшение интенсивности прошедшего света (на два порядка на 1 мм длины). Рассеяние на донорных центрах приводит к тому, что длина свободного пробега фотонов падает до величин менее одного микрона в окрестности резонансной линии связанного экситона. Подгонка спектральных зависимостей задержки рефлексов, которые точно описываются баллистической моделью, совместно со спектрами отражения и поглощения дала величины сил осциллятора свободных экситонов в ~1.5 раз меньше ранее используемых [17], что может быть использовано в последующих модельных расчетах.

Третья глава "Экситон-поляритоны в GaN и ZnO. Смешанные поляритонные моды" посвящена исследованию экситон-поляритонных спектров в GaN и ZnO. §3.1 описывает методику поляризационной микроспектроскопии с пространственным разрешением 1-1.5 микрона, которая позволяет проводить исследования как с поверхности, так и со стороны сколотых краев тонких пленок [18,19]. Таким образом, для исследования линейной поляризации могут быть использованы все три поляризационные конфигурации: одна с поверхности [a: k||c, E_Lc] и две со скола [а: (k_Lc, Ele) и я: (k_Le, Е||с)], где к есть волновой вектор света, Е - вектор электрического поля, с -полярная ось.

§3.2 посвящен исследованию этим методом поляритонных мод в слоях GaN. Слои демонстрировали каноническую структуру и поляризацию экситонных контуров в спектрах отражении, тогда как в спектрах ц-ФЛ была обнаружена уникальная особенность - аномальный пик Х(я) в окрестности А экситона, имеющий п-поляризацию, что запрещено правилами отбора (Рис. 4). Температурные и мощностные измерения, а также исследования фононных реплик [3,19-22] позволили доказать, что этот пик не имеет отношения ни к связанному на доноре В экситону, ни к запрещенному Г6 А-экситону. Основная причина появления аномально поляризованного пика состоит в

возможности наблюдения смешанных продольно-поперечных поляритонных мод в геометрии необыкновенного луча при к_1_с [27*], которая реализуется как за счет использования фокусирующей оптики с большой апертурой, так и локальных отклонений полярной оси. Существенным фактором, увеличивающим интенсивность л-поляризованной компоненты, является сложная структура поляритонных мод в этой спектральной области, допускающая рассеяние из близкорасположенных ветвей в нижнюю свето-подобную ветвь. Последующее исследование более совершенных образцов позволило обнаружить дублетную структуру пика и уточнить величину продольно-поперечного расщепления А экситона в ОаЫ как 1-1.5 мэВ [6].

Рис. 4. Спектры (а) ц-ФЛ и (Ь) микро-отражения слоя GaN, измеренные при 5 К в различных поляризациях: а - k||c, Ele, сг - kic, ЕХс и к - k_Lc, Е||с. PLf - неполяризованная ФЛ с торца, FX -свободные экситоны, ВХ - связанный на доноре экситон. Аномальный пик X в п-поляризованном спектре указан стрелкой [3].

В §3.3 приводятся результаты исследования этого эффекта в ZnO [4,23,24]. Две линейно-поляризованные линии хорошо разрешимы в окрестности А экситона в спектре слоя ZnO толщиной 1.2 рм. Этот дублет возникает вследствие излучения смешанных продольно-поперечных поляритонных мод, аналогично тому, как это происходит в GaN. Подобный дублет линий, несколько более сглаженный, был обнаружен в спектре образца с наноколоннами. Наблюдение смешанных мод в геометрии необыкновенного луча в ZnO облегчено большей величиной продольно-поперечного расщепления, которое было определено как 2-3 мэВ для А экситона. Рассчитанная структура поляритонных дисперсионных кривых для А и В экситонов в ZnO приведена на Рис. 5, где резонансные энергии Г5 экситонов брались из низкотемпературных спектров возбуждения ФЛ. В целом, можно заключить, что в ZnO, как и в GaN, процесс поляритонного излучения является комплексным, зависящим от структуры поляритонных ветвей, рассеяния между ветвями и замешивания экситонных состояний.

Четвертая глава "Экситонный спектр и кинетика излучательной рекомбинации в GaN" посвящена исследованию экситонных переходов с участием примесей и оптических фононов. В §4.1 показано, что оптические переходы экситонов, связанных на Si и О, подчиняются правилам отбора, соответствующим группе симметрии СзУ, что позволяет определить эти примеси как примеси замещения. В спектрах высококачественных кристаллов удалось наблюдать ТЕТ линии, соответствующие переходам, оставляющим доноры в 2s, 3s и 4s возбужденных состояниях. Наблюдение

3,42 3,44 3,46 3,48 3,50 3,52 3,44 3,46 3,48 3,50 3,52 3,54

Energy, eV

возбужденных состояний позволило уточнить энергию связи О и нейтральных

Рис. 5. Поляритонные дисперсионные кривые в ZnO в районе А и В экситонов. Пунктир - Е_1_с моды; сплошные и штриховые линии - смешанные моды в геометрии необыкновенного луча для двух углов в (О2>01). 11РВ и ЬРВ обозначают верхние и нижние поляритонные ветви, соответственно. (Ь-ф Спектры ФЛ, сдвинутые по шкале энергии, измеренные в л (сплошные линии) и ст (пунктир) поляризациях при различных температурах [4].

§4.2 рассматривает переходы свободных и связанных экситонов с участием оптических фононов. Идентификация линий в спектрах проводилась посредством вычитания известных энергий оптических фононов из энергии соответствующего связанного экситона, а также сравнением характерных времен затухания безфононных линий и фононных реплик. Фононные ЬО (А( и Е]) реплики связанных на доноре экситонов, расположенные ~90 мэВ ниже безфононных линий, оказались, по-преимуществу, а-поляризованы со степенью поляризации не превышающей 60%. Это наблюдалось как для Е1 моды, где примесь я-компоненты разрешена согласно правилам отбора, так и для А) моды, которая должна быть полностью о-поляризованной. Последний факт объясняется спектральным перекрытием двух реплик и снятием строгих правил отбора по импульсу вследствие локализации экситона. Помимо ЬО фононных мод, наблюдалась реплика с участием оптически неактивной "немой" моды В|(Ы§Ь), что согласуется с теоретическими правилами отбора, полученными для экситона, связанного на примеси. Линии люминесценции А экситона, связанного на нейтральных донорах, появляющиеся в результате рекомбинации с участием поперечных оптических (ТО) фононов А| и Е| и неполярной Ег(ЫцЬ) оптической моды (-70 мэВ ниже безфононных линий), ранее практически не исследовались. Оказалось, что этот набор реплик содержит сильно поляризованную л-компоненту, соответствующую Е](ТО) фононной реплике. Данные поляризационной спектроскопии оказались полезными для проведения Китаевым Ю.Э. симметрийного анализа переходов связанного экситона и его фононных реплик. В целом, сопоставление результатов эксперимента и теоретического анализа подтвердило, что правила отбора и, следовательно, линейная поляризация переходов связанных экситонов с участием фононов чувствительны как к положению атома примеси в кристаллической решетке, так и к симметрии вовлеченного фонона.

§4.3 посвящен исследованию кинетики экситонной люминесценции в ваИ. Обнаружено, что она различна для безфононных линий, их фононных реплик и ТЕТ

[3,28]. Используя данные обособенностях прохождения света (глава 2), был сделан вывод, что это несоответствие определяется различной длиной поглощения и сечением рассеяния на частоте данных переходов. На энергии резонанса связанного экситона средняя длина свободного пробега фотона составляет -150 нм при концентрации рассеивающих донорных центров 5*1016 см'3, тогда как в области ТЕТ и фононных реплик она равна 1 -2 см. Рассеяние фотонов сопровождается их поглощением. Поэтому фотон с энергией свободных экситонов имеет мало шансов как возбудится внутри объема, так и излучиться из глубины кристалла. Значительная часть переходов, дающая вклад в безфононную ФЛ, происходит в приповерхностной области, где плотность безызлучательных центров велика. Взаимодействие с дефектами приводит к появлению быстрозатухающих компонент ФЛ. Поэтому кинетика рекомбинации экситонов в толще материала наиболее адекватно описывается кинетикой фононных реплик и двухэлектронных сателлитов.

Пятая глава "Нанометрическая флуктуация внутренних полей и напряжений в структурах с инверсными доменами" посвящена исследованию основных свойств структур смешанной полярности. §5.1 представляет результаты исследования экситонных переходов в GaN/AlGaN структурах с доминирующей N-полярностью [8,29,30]. Структуры содержали множественные квантовые ямы (MQW) или три ямы различных толщин (3-OW). Обнаружено, что при наличии инверсных доменов из каждой ямы регистрируется двухполосное излучение. Сопоставление с данными ПЭМ выявило увеличение интенсивности нижней компоненты ФЛ при возрастании плотности инверсных доменов (Рис. 6, 7), сопровождаемое увеличением средних толщин ям и уменьшением величин латеральной деформации, еа.

а) Д MQW Ь) Л/ 3QWs

Л /У_ <1 / \ х4

г\ X 1.3 ; AI \х5

» \

J \х60 » л/ \х50

V*.

Рис. 6. (а) Темнопольные ПЭМ изображения полученные при g=(0002) центральной (а) и периферической (Ь) областей структуры с МС>\¥, имеющими разную плотность инверсных доменов (указаны стрелками) [8].

3.4 3.5 3.6 3.7 3.4 3.5 3.6 3.7 Energy (eV)

Рис. 7. (а) Изменение спектров ц-ФЛ вдоль градиента плотности инверсных доменов в образцах: (a) MQW, (b) 3-QW. Стрелки показывают уменьшение плотности инверсных доменов [8].

Оценка величин встроенных электрических полей была проведена, используя данные структурной характеризации и известные выражения для электрических полей, вызванных пьезоэлектрической и спонтанной поляризацией [28*]. Моделирование зависимостей энергий экситонных переходов от ширины квантовых ям проводилось вариационным методом в приближении огибающих волновых функций с однопараметрической вариационной функцией квазидвумерного экситона. Наилучшее совпадение теоретических и экспериментальных зависимостей (энергий пиков ФЛ и особенностей отражения, величин сдвигов пиков ФЛ при экранировании фото-

возбужденными носителями) было получено при значениях полей 20 кВ/см и 180 кВ/см для полос люминесценции, соответствующих основной поверхности и инверсным доменам (Рис. 8). Уменьшение полей в N-полярных областях связано с ухудшением кристаллической структуры, присущим N-полярности. Значения полей в Ga-полярных инверсных доменах, имеющих лучшее структурное качество, тем не менее, оказались в ~2 раза меньше ранее опубликованных величин для однородных квантовых ям Ga-полярности. Основные причины этого - частичная релаксация напряжений в структурах смешанной полярности и компенсация величин флуктуирующих электрических полей на границах инверсных доменов. Малые величины полей в квантовых ямах, наряду с локализацией носителей в инверсных доменах, обеспечивают возможность наблюдения яркой ФЛ из широких ям вплоть до комнатной температуры.

Well width, nm

Рис. 8. Энергии пиков ФЛ MQW образца (светлые квадраты), ФЛ (темные круги) и особенностей отражения (звезды) 3-QW образца. Расчетные зависимости энергий экситонов от ширины квантовых ям приведены для: (1) Е = 20 кВ/см, Е = 3.570

эВ, еа = -0.0058; (2) Е = 240 кВ/см, Eg= 3.541 эВ, еа = -0.0027; (3) Е = 180 кВ/см, = 3.504 эВ, еи = 0. Опубликованные данные по ФЛ в ямах Ga-полярности различной ширины аппроксимированы зависимостью (4) Е = 390 кВ/см, Е£ = 3.504 эВ, еа = 0 [8].

§5.2 рассматривает инверсные домены как возможную причину возникновения излучения с энергией 3.42 эВ в слоях и наноколоннах. Это излучение в отдельных случаях превосходит краевую ФЛ по интенсивности [31-33]. В отличие от электрических полей, которые важны для квантовых ям, механические напряжения действуют в любых структурах с инверсными доменами, обеспечивая энергетический зазор между линиями 100-200 мэВ. Это приводит к появлению дополнительного края поглощения, а также варьированию интенсивности полос ц-ФЛ в плоскости роста. Интересным фактом является смена типа поляризации. Линия на 3.42 эВ оказалась к-поляризованной, тогда как краевая 3.47 эВ линия преимущественно а-поляризована. Изменение знака поляризации происходит в районе 3.45 эВ. Можно предположить, что это изменение связано с ожидаемым изменением порядка следования Г9 и Г7 экситонов при растягивающих напряжениях [29*], реализуемых в инверсных доменах.

Шестая глава "Локализация экситонов в наноструктурах с инверсными доменами" рассматривает эффекты трехмерной локализации экситонов в специфических местах, образуемых на пересечении квантовых ям и инверсных доменов. Эти пересечения в ряде случаев могут рассматриваться как квантовые точки. В §6.1 приводятся данные о наблюдении узких линий экситонной ФЛ в квантовых ямах ОаЫ/АЮаЫ методом ц-ФЛ при фокусировке на скопления инверсных доменов. Спектры р-ФЛ, измеренные с поверхности, содержали две серии узких линий. Верхний набор линий был приписан возбужденным состояниям в квантовых точках, поскольку он исчезал при измерении со сколотых граней, что было вызвано понижением высоты барьеров вследствие релаксации механических напряжений [9,34]. Отмечается, что

узкие экситонные линии могут наблюдаться также в наноколоннах ОаЫ малого диаметра [31 ].

•о? и-

4 К

2.5 шп

Рис. 9. Спектры ц-ФЛ, зарегистрированные со сколотого торца образца с 3 КЯ при различных температурах. Пунктирные линии указывают дублет узких линий X и X*. соответствующих основному экситошюму н фнониому состояниям [9].

о

3.45

3.50 Епе^у (еУ)

3.55

§6.2 посвящен описанию дублетов узких линий, воспроизводимо наблюдаемых в спектрах р-ФЛ. Верхняя компонента X появляется первой в спектрах при увеличении накачки, однако ее рост быстро насыщается с увеличением мощности, тогда как нижняя компонента X* продолжает расти. Подобное изменение интенсивности с накачкой обычно ассоциируется с экситонными комплексами. В данном случае энергетическое расстояние между линиями соответствует энергии связи триона. Эта трактовка была подтверждена температурными измерениями (Рис. 9). При увеличении температуры происходит увеличение концентрации свободных носителей в ямах, что приводит к увеличению вероятности формирования отрицательно заряженного экситона, и как следствие, росту нижней линии в дублете.

§6.3 рассматривает локализацию носителей и стимулированное излучение в структурах с квантовыми ямами смешанной полярности, выращенными

методом молекулярно-пучковой эпитаксии [7,35]. Энергия линий ФЛ из квантовых ям демонстрировала последовательный сдвиг в сторону низких энергий при увеличении их ширины согласно расчетной зависимости. Изменение же характерных времен затухания ФЛ зависело немонотонно от ширины квантовой ямы, уменьшаясь в узких и широких ямах вследствие ослабления локализации и увеличения плотности дефектов, соответственно. Характеристические времена затухания ФЛ были максимальны (~1 не) в квантовых ямах шириной 2-3 нм, в них же была наиболее интенсивна ФЛ. Такие ямы были использованы в качестве активной области двойных гетероструктур, предназначенных для оптической накачки. Стимулированное излучение было получено при комнатной температуре в структурах с отчетливыми экситонными особенностями в спектрах возбуждения ФЛ при пороговых плотностях накачки ~650 кВт/см2. Проведенный анализ показал, что стимулированное излучение возникает только тогда, когда отсутствует перекрытие статистически распределенных плотностей состояний в квантовых ямах и барьерах на флуктуациях потенциала, вносимых инверсными

доменами. Это обстоятельство является существенным для структур 2п0/7п1^0 при низкой концентрации в барьерах.

Седьмая глава "Основные свойства металл-полупроводникового нанокомпозита 1пМ1п" посвящена исследованию слоев 1пЫ с кластерами Гп [2,11,33,36-49]. В §7.1 дана общая характеристика применяемых методик и исследуемых образцов, общим числом около 250, выращенных в ФТИ и других научных центрах. Исследовались образцы двух типов 1) со спонтанно формируемыми кластерами и 2) со специально сформированными периодическими металлическими вставками различных толщин. Последняя серия структур позволяла проследить закономерности изменения оптических свойств в зависимости от количества введенного металла. Наличие металлических кластеров в композитах подтверждалось рентгеновской дифрактометрией, ПЭМ, микроструктурным анализом (по характеристическому излучению 1п) и исследованиями распределения интенсивности отраженных электронов при сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Поглощение в нанокомпозитах исследовалось как обычным методом оптического пропускания, так и калориметрическим методом - ТДОП. Исследование люминесцентных свойств проводилось при возбуждении как оптически, лазерами, так и сфокусированным электронным лучом при исследовании катодолюминесценции.

1.5

W "м

И

с о

•С

£3 >

&

ЬП ~ 0.0

1.0

0.5

а-

0.5

; а) /

N2 /

/ Nv

: vN //

InN

Рис. 10. Относительное отклонение эффективной ширины оптической щели при нестехиометрии, рассчитанное в приближении сильной связи для ближайших атомов (сплошные линии) и в модели орбитальных связей (пунктир) для основных типов дефектов [37].

-0.10 -0.05 0.00 0.05 Cjvj-0.5 (rel. units)

0.10

В §7.2 рассмотрены фундаментальные параметры нестехиометрической матрицы InN (N/In * 1). Эффективная ширина запрещенной зоны при отклонении от стехиометрии определялась, исходя из того, что энергетический зазор в Г точке прямозонных полупроводников есть функция энергий энергий атомных орбиталей, которые сильно рашпкиокмся для N и In. Для расчетов использовалось эмпирическое приближение сильной сняш для ближайших атомов [30*], согласно которому

ЧК.

Li Е.

i:„

■ ^ £u - £ + 4V; + J(EpM - Ej + 4].

(4)

Здесь Е..... £', (, ..... Е/1л есть .у- и /^-орбитальные энергии для анионов и катионов,

соответственно, известные как диагональные компоненты энергий; Уа и V есть элементы матрицы переноса между и р-орбиталями ближайших соседей. Изменение ширины запрещенной зоны нестехиометрического компаунда было также оценено с использованием модели орбитальных связей Харрисона [31*], которая дала близкие результаты. Зависимости для наиболее важных дефектов замещения и вакансий, а также для легко образуемых и встраиваемых молекул N2, показывают, что 5-10% избыток

атомов одного типа может привести к увеличению эффективной ширины запрещенной зоны до 1.5 эВ (Рис. 10). В целом, полученные зависимости для ширины оптической щели, а также эффективной массы и диэлектрической проницаемости, согласуются с экспериментальными данными [11,38,39]. Для учета влияния концентрации носителей и сопутствующего явления компенсации на спектры поглощения было проведено обобщение формализма Эфроса-Шкловского для плотности состояний в сильнолегированном компенсированном полупроводнике [32*] на случай соединений с непараболической зонной структурой [36,37].

В §7.3 приводятся данные просвечивающей электронной микроскопии специально адаптированной для исследования кластеров 1п в нестабильной матрице 1пЫ [12]. Показано, что характерные размеры кластеров зависят от температуры роста (Рис. 11). Структура решеточных рефлексов соответствует псевдоморфному характеру встраивания 1п кластеров в матрицу 1пК (без релаксации напряжений).

Рис. 11. ПЭМ изображения кластеров 1п. Образцы с размерами кластеров 5-10 нм (а) и 20 нм (Ь) были приготовлены из областей с низкой и высокой температурой роста одной и той же структуры, выращенной при градиенте температуры (АТ=20°С) вдоль подложки [12].

§7.4 посвящен описанию основных люминесцентных свойств слоев 1пЫ с металлическими кластерами. Исследованные образцы демонстрировали достаточно яркую люминесценцию, интенсивность которой, как правило, превышала интенсивность в слоях, где следы металлической фазы не были обнаружены [2]. Была отмечена определенная зависимость интенсивности от размеров кластеров. К примеру, образец с 20-нм кластерами демонстрировал излучение в районе 0.7 эВ, сопоставимое по интенсивности с люминесценцией из прямозонного полупроводника ОаЗЬ, несмотря на большую плотность дефектов (концентрация свободных носителей - 2*1019 см"3). Излучение из образца с 5-нм кластерами было на порядок слабее по интенсивности. В целом, это согласуется с известным фактом, что в крупных кластерах доминирует радиационный распад плазмонов, способный увеличить интенсивность ФЛ, тогда как в маленьких кластерах преобладает нерадиационный распад с превращением энергии плазмонов в тепло [33*]. Также было обнаружено, что в слоях со спонтанно образуемыми плоскими включениями ФЛ имеет р-поляризацию, характерную для процессов, происходящих с участием поверхностных плазмонов.

§7.5 приводит результаты экспериментального наблюдения Ми резонансов в спектрах термически детектируемого поглощения слоев с кластерами 1п (Рис. 12), измеренных при экстремально низких температурах 0.35 К. Обнаружена корреляция между интенсивностью Ми резонансов в поглощении и количеством 1п (в первом приближении пропорционального интенсивности рефлексов 1п(101) в рентгеновских сканах). Было подтверждено соответствие между энергиями Ми резонансов в поглощении и рассеянии [33].

Energy (eV) Diffraction angle (arcsec)

Рис. 12. Спектры ТДОП (сплошные линии) и люминесценции (точки) в слоях с (а) высоким, (Ь) средним и (с) малым избытком индия. Соответствующие сканы рентгеновской дифракции показаны на (с!)-({). Одинарные стрелки указывают дополнительные пики в поглощении, двойная отмечает ориентировочно край поглощения в 1пЫ матрице [2].

Моделирование оптических параметров было проведено в приближении эффективной среды при аппроксимации кластера эллипсоидом вращения, полярная ось с которого совпадает с направлением роста, а оси а = Ь лежат в плоскости слоя [34*]. Частотно-зависимая диэлектрическая функция композита £к(со) в этом случае записывается как

¿\(со)-¿-,(со) _ ^_ ^ е{й>)-е,(а>) ^

1,£-4((у) + (1-^)£]((У) ' Це(а>) + (1 )£,(<»)' Здесь, е(со) и обозначают диэлектрические проницаемости металла и среды,/-долю металла, Ц - коэффициент деполяризации, зависящий от с/а.

Рис. 13. Спектральные зависимости оптических параметров нанокомпозита 1п1М/1п при 1% 1п и ¿,=0.05: (а) реальная и (Ь) мнимая части диэлектрической проницаемости; коэффициенты (с) преломления и ((1) поглощения. Параметры исходного полупроводника показаны пунктиром для сравнения. В расчетах использовались экспериментальная

диэлектрическая функция 1п [24] и диэлектрическая функция 1пЫ матрицы, соответствующая краю поглощения около 1 эВ.

0.0 0.S 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Energy (eV)

Результаты расчета показывают, что даже 1% металла существенно изменяет все оптические константы (Рис. 13). Приближение эффективной среды позволило осуществить в ряде случаев подгонку спектров поглощения при замене реальных кластеров набором, состоящим из одинаковых частиц с величиной коэффициента деполяризации репрезентативного эллипсоида в диапазоне 0.05-0.1.

Последний параграф этой главы посвящен рассмотрению характерного свойства металл-полупроводниковых нанокомпозитов - несопоставимости основных оптических процессов в этих крайне неоднородных средах. Эта особенность возникает, поскольку такие процессы как излучение, поглощение и генерация фото-возбужденных носителей протекают в областях, находящихся под различным вопсйствисм локальных плазмонов. Наиболее отчетливые результаты были получены при исследовании поглощения и фототока в системе 1пЫ/1п [47]. Оба процесса отражают оптические потерн, однако природа их существенно разнится. Генерация носителей заряда при возбуждении светом возникает в области межзонного поглощения полупроводниковой матрицы. Именно поэтому измерение фототока есть один из методов определения краев поглощения полупроводников. Поглощение же света в нанокомпозите, помимо межзонного поглощения в матрице, должно включать оптические потери на возбуждение плазмонов. Спектрально, плазмонная компонента сигнала усилена в области ниже фундаментального края поглощения в полупроводниковой матрице, поскольку выше него резонансы подавлены межзонными переходами [48]. Эта компонента должна быть особенно выражена в спектрах термически детектируемого поглощения за счет повышения температуры образца, вызванного безызлучательным распадом плазмонов.

С

О р

с129 / / Р'/ V / А ' 1 ! п_ил уО ,

V 1/ / / tdoa л

/ Ч / * / / л Л--А \ 1 с129 7 риг GaN

3.4 3.6

Рис. 14. Спектры фототока (25 К) и ТДОП в двух 1пЫ/1п структурах. Сдвиг края фототока зависит от нестехиометрии. Вставка

показывает совпадение начала ТДОП и фототока в спектрах эпитаксиального слоя GaN.

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.7 Energy (eV)

Спектры фототока в InN/In (Рис. 14) были зарегистрированы при возбуждении полупроводниковыми лазерами, имеющими различную длину волны, при мощности лазерного излучения 100 мВт. Было найдено, что край фототока расположен спектрально в области 1.0-1.5 эВ, что существенно выше края оптического поглощения, регистрируемого в диапазоне 0.7-0.8 эВ как при обычном пропускании, так и методом ТДОП. Регистрируемое различие является доказательством существования плазмонных резонансов в нанокомпозитах, поскольку в полупроводниках без металлических кластеров края поглощения, измеренные различными методами, как правило, совпадают. Это было проверено на GaN и GaAs при тех же экспериментальных условиях, причем фототок в чистых полупроводниках легко возбуждался светом малой интенсивности. Обнаруженное несоответствие носит общий характер. Следствием из него является то, что характерные энергии различных спектральных зависимостей таких оптических

и=

(6)

процессов как излучение, поглощение и генерация фото-возбужденных носителей, совпадающие в полупроводнике, различаются в плазмонных нанокомпозитах.

Восьмая глава "Усиление оптических процессов локальными плазмонами в нанокомпозитах InN/In" рассматривает основные плазмонные эффекты - усиление люминесценции и поглощения света [2,42-46]. В §8.1 приводятся соотношения для определения усиления плазмонными резонансами, возбуждаемыми в металлических кластерах, при аппроксимации отдельного кластера сфероидом вращения. При поляризации плазмона вдоль /-ой оси локальный коэффициент усиления поля в окрестности соответствующего полюса равен:

_eUo)_

S\(co) + Lt(s(io)-ex(co)) На резонансной частоте &> локальный коэффициент достигает значения /.,. 11 Res I / Ims» 1 . Коэффициент усиления |g,-(®,r)| как функция положения г относительно сфероида варьируется от значения, задаваемого выражением (7) до ' | Re £•, | / Im £■ ~ 1 на полюсе ортогональной оси. Эта же величина характеризует поле внутри сфероида, где оно однородно. Как усиление, так и резонансная частота ц зависят от соотношения осей а/с через коэффициент деполяризации Li. Для InN/ln су. может быть в инфракрасном диапазоне при поляризации плазмона вдоль длинной оси сфероида, что для сплюснутого (вытянутого) сфероида соответствует большим (малым) значениям а/с.

Рис. 15. Изображения, полученные с одного и того же места пленки ¡пИ с кластерами 1п с использованием следующих методик регистрации: (а) вторичных электронов; (Ь) р-КЛ; (с) отраженных электронов, ((1) 1пЬа 1 и 1пЬЫ характеристического излучения. Пятна излучения КЛ совпадают со светлыми областями в (с) и (Ц), обогащенными 1п. Для сравнения приведены изображения вторичных (е) и отраженных (0 электронов, полученные в слое, где отсутствовали как кластеры 1п, так и люминесценция [2].

f ..........шттш шшттт Я >. """ 1Я

151

Kiillli lliiSIE

В §8.2 приводятся экспериментальные свидетельства усиления излучения около кластеров и пор в слоях 1пЫ, полученные методом ц-КЛ с использованием аналитического сканирующего электронного микроскопа. Исследование проводилось при 5 К и сопровождалось регистрацией спектров излучения. Показано, что значительная часть инфракрасного излучения (~0.7 эВ) рождается в областях, содержащих кластеры индия (Рис. 15). Также систематически отмечалось усиление интенсивности люминесценции вокруг пор, окруженных преципитатами 1п. Кластеры 1п

зачастую формируются на интерфейсе с сапфиром, вследствие сильных механических напряжений. Исследование снятой с подложки пленки 1пЫ с двух сторон [43] показало, что интенсивность ФЛ со стороны, содержащей кластеры, в несколько раз выше, чем с гладкой бездефектной стороны.

Аналогичные данные по усилению люминесценции около кластеров 1п были получены при исследовании структур с периодическими металлическими вставками. Вставки имели номинальную толщину 0, 2, 4, 8, 16 и 48 монослоев (МЬ). Число вставок в образцах было 20, за исключением 48-МЬ образца (6 вставок). С увеличением толщины планарные вставки трансформировались в агломераты кластеров, около которых и концентрировались пятна яркой люминесценции. Их интенсивность в 70 раз превышала интенсивность излучения из прилегающих областей. При увеличении количества металла наблюдался сдвиг пика люминесценции в сторону меньших энергий, тогда как основной пик ТДОП сдвигался в противоположном направлении. В рамках концепции нанокомпозита как неоднородной системы, можно предположить, что излучение и нагрев структуры имеет место в пространственно различных областях и определяется кластерами разного размера. В частности, сдвиг в сторону меньших энергий на несколько десятков мэВ возможен в агломератах кластеров вследствие коллективного взаимодействия плазмонных мод.

Параграф 8.3 посвящен расчету спектров усредненного усиления в нанокомпозитах. Для этого была рассмотрена модель сфероидов со случайным отношением а / с , имеющих равный (единичный) объем. Неоднородно уширенный спектр усиления

различными частотами, был получен усреднением усиления при варьировании формы кластера, определяемой а/с . При этом проводился учет изменения соотношения площадей областей с малой и большой кривизной поверхности и глубины проникновения поля в полупроводник посредством соответствующих угловых зависимостей. Статистическое распределение формы относительно сферы (а/с = 1) для сплюснутых (вытянутых) сфероидов полагалось гауссовым с шириной S (Мд). При расчетах учитывались особенности зонной электронной структуры индия, а именно переходы между параллельными зонами. Было найдено, что максимальное значение коэффициента усиления для элементарного плазмонного возбуждения соответствует |g(ft>)|" ~ 10' -104 на поверхности сфероида с наибольшей кривизной. Однако среднее

значение усиления не превышает 102 на энергии 0.7 эВ вследствие малого объема таких участков и разброса формы сфероидов, задаваемой соотношением осей. Эта величина хорошо согласуется с усилением интенсивности излучения около кластеров, обнаруженном при исследовании микро-катодолюминесценции. Ширина статистического распределения формы кластеров является наиболее важным параметром, определяющим положение пика в спектрах ТДОП. Переходы между параллельными зонами в 1п, так же как и межзонные переходы в InN, селективно подавляют усиление локальными плазмонами. Это проявляется, в частности, в появлении провала на энергии 1.5 эВ, неоднократно регистрируемого в спектрах ТДОП различных образцов.

В Заключении приводятся основные результаты диссертационной работы:

1. Выполнен цикл работ по исследованию "медленного" света в высококачественных объемных кристаллах GaN:

определяемый полным набором плазмонных резонансов с

- впервые проведено экспериментальное наблюдение задержки света в СаЫ в окрестности экситонных резонансов, показавшее возможность уменьшения скорости света до значений менее 1% от скорости света в вакууме (2100 км/с);

- впервые продемонстрирована задержка света за счет диффузии фотонов, возникающая при упругом резонансном рассеянии на донорных центрах в Оа>);

- предложены модели, описывающие спектральные зависимости при баллистическом и диффузном механизмах переноса излучения, показавшие хорошее согласие с экспериментом;

- рассмотрение спектров задержки света совместно со спектрами отражения и пропускания позволило уточнить ряд экситонных параметров GaN (силу осциллятора свободных и связанных экситонов и однородную ширину резонансных линий).

2. Выполнен цикл работ по исследованию тонкой структуры экситонного и экситон-поляритонного спектра излучения в ваЫ и ХпО:

- впервые обнаружен аномально поляризованный пик ФЛ в окрестности А экситона, служащий подтверждением сложной структуры поляритонных ветвей в ваЫ и 2пО, которая содержит смешанные поляритонные моды и допускает рассеяние поляритонов с перераспределением плотности состояний между ветвями;

- показано, что продольно-поперечные смешанные поляритонные моды возникают не только в совершенных кристаллах, но также в наноколоннах и в эпитаксиальных слоях с заметной плотностью протяженных дефектов;

- проведена оценка продольно-поперечного расщепления для Г] и Г5 экситонных состояний А экситон-поляритонной серии, составляющего 1-1.5 мэВ в ОаЫ и 2-3 мэВ в гпО.

3. Проведено сопоставление поляризационных характеристик и кинетики рекомбинации свободных и связанных экситонов в ваМ, их фононных реплик, а также двухэлектронных сателлитов:

- в результате исследования возбужденных состояний и двухэлектронных сателлитов линий экситонов, связанных на нейтральном доноре, уточнены энергии связи О и Б! доноров, составляющие 33.2±0.4 мэВ и 30.4±0.4 мэВ, соответственно;

- исследование поляризации фононных реплик позволило определить, что ¡) экситон-фононное взаимодействие в случае связанного экситона имеет локальный характер, и) поляризация фононной реплики перехода экситона, связанного на примеси, чувствительна к положению атома примеси в кристаллической решетке и к симметрии вовлеченного в процесс фонона;

- сопоставление характерных времен жизни излучения бесфононных линий свободных и связанных экситонов с временами жизни соответствующих фононных реплик и двухэлектронных сателитов показало, что медленное время затухания ФЛ связано с истинным радиационным временем жизни экситонов, тогда как быстрое затухание определяется захватом на центры безызлучательной рекомбинации вблизи поверхности.

4. Впервые проведен цикл работ по исследованию GaN слоев, наноколонн и квантовых ям с инверсными доменами:

-обнаружено расщепление полосы ФЛ на две и появление дополнительного края поглощения вследствие различных деформаций, электрических полей и ширин КЯ в районах различной полярности, причем нижний пик ФЛ в структурах Ы-полярности относится к инверсным доменам;

- путем сопоставления экспериментальных данных с результатами вариационного расчета определены электрические поля в КЯ структурах с инверсными доменами, величины которых оказались сравнительно малы (<200 кВ/см), что обеспечивает яркую

ФЛ в квантовой яме N-полярности шириной 8-9 нм вплоть до комнатной температуры;

- исследование двух полос ФЛ с максимумами на 3.42 эВ и 3.47 эВ, регистрируемых в GaN слоях и наноколоннах с инверсными доменами, показало, что разница энергий соответствующих переходов определяется различием в величинах упругих напряжений в областях противоположной полярности.

5. Впервые рассмотрены эффекты локализации экситонов в специфических местах, образуемых на пересечении квантовых ям и инверсных доменов:

- обнаружен трехмерный характер ограничения экситонов в местах пересечений КЯ инверсными доменами, что приводит к появлению в спектрах микрофотолюминесценции узких линий одиночных локализованных экситонов; характерная дублетная структура этих линий, обнаруженная в квантовых ямах GaN/AlGaN, свидетельствует о формировании экситонных комплексов - трионов;

- при наличии подобной локализации носителей в области инверсных доменов возможность достижения стимулированного излучения в гетероструктурах с квантовыми ямами определяется перекрытием распределений плотности состояний в ямах и барьерах, что является существенным для двойных гетероструктур ZnO/ZnMgO с одиночными квантовыми ямами ZnO при концентрации Mg в барьерах менее 12-14 %.

6. Проведен цикл исследований базовых свойств нанокомпозитов InN/In:

- показано, что свойства металл-полупроводниковых нанокомпозитов радикально отличаются от свойств полупроводниковой матрицы, а именно: i) нанокомпозиты характеризуются эффективной диэлектрической функцией среды, которая зависит от плазмонных резонансов в металлических кластерах, ii) процессы люминесценции, поглощения света и генерации фототока в нанокомпозитах преимущественно протекают в пространственно разделенных областях, отличающихся плотностью, формой и размерами металлических кластеров и, как следствие, различными проявлениями плазмонных эффектов;

- проанализировано влияние нестехиометрии (отношения N/In) на основные свойства InN матрицы, включая ширину оптической щели, которая может изменяться на величину до 1.5 эВ при значительном отклонении от стехиометрии, а также рассмотрено влияние явления компенсации на край поглощения в модели Эфроса-Шкловского для сильнолегированного полупроводника с непараболической зонной структурой;

- зарегистрированы диэлектрические аномалии (Ми резонансы) в спектрах термически детектируемого оптического поглощения в слоях InN/In, моделирование которых в приближении эффективной среды показало существенное изменение всех оптических констант даже при незначительных количествах введенного In (~1%);

7. Исследованы эффекты плазмонного усиления в InN/In нанокомпозитах, в том числе с периодическими вставками In:

- методом катодолюминесценции с высоким пространственным разрешением впервые обнаружено локальное усиление инфракрасного (~0.7 эВ) излучения около металлических кластеров, величина которого (~70) согласуется с теоретически предсказанным усилением (~102);

- предложена модель для определения усредненного усиления в нанокомпозитах, учитывающая статистический разброс формы кластеров, а также особенности электронной структуры In; применение модели к анализу экспериментальных данных позволило описать спектры термически детектируемого поглощения и продемонстрировать, что межзонные переходы между параллельными зонами в In, также как и межзонные переходы в полупроводниковой матрице, селективно подавляют плазмонные резонансы.

Результаты работы изложены в следующих основных публикациях:

1. Т. V. Shubina, М. М. Glazov, A. A. Toropov, N. A. Gippius, A. Vasson, J. Leymarie, А. Kavokin, A. Usui, J. P. Bergman, G. Pozina, and B. Monemar, Resonant light delay in GaN with ballistic and diffusive propagation, // Phys. Rev. Lett. - 2008 - Vol. 100 - P. 087402 (1-4).

2. Т. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, D. D. Solnyshkov, V. A. Vekshin, P. S. Kop'ev, A. Vasson, J. Leymarie, A. Kavokin, H. Amano, K. Shimono, A. Kasic and B. Monemar, Mie resonances, infrared emission, and the band gap of InN // Phys. Rev. Lett. - 2004 -Vol. 92-P. 117407(1-4).

3. Т. V. Shubina, T. Paskova, A. A. Toropov, S. V. Ivanov, and B. Monemar, Polarised micro-photoluminescence and reflectance spectroscopy of GaN with klc: strongly n-polarized line near the A exciton // Phys. Rev. В - 2002 - Vol. 65 - P. 075212 (1-11).

4. A. A. Toropov, О. V. Nekrutkina, Т. V. Shubina, Th. Gruber, C. Kirchner, A. Waag, K. F. Karlsson, P. O. Holtz, and B. Monemar, Temperature-dependent exciton polariton photoluminescence in ZnO films // Phys. Rev. В - 2004 - Vol. 69 - P. 165205 (1-4).

5. A. A. Toropov, Yu. E. Kitaev, Т. V. Shubina, P. P. Paskov, J. P. Bergman, B. Monemar, and A. Usui, Polarization-resolved phonon-assisted optical transitions of bound excitons in wurtzite GaN // Phys. Rev. B. - 2008 - Vol. 77 - P. 195201 (1-6).

6. B. Monemar, P. P. Paskov, J. P. Bergman, A. A. Toropov, Т. V. Shubina, T. Malinauskas, and A. Usui, Recombination of free and bound excitons in GaN // Phys. Stat. Sol. (b) -2008 - Vol. 245, no. 9 - P. 1723-1740.

7. Т. V. Shubina, A. A. Toropov, O. G. Lublinskaya, P. S. Kop'ev, S. V. Ivanov, A. El-Shaer, M. Al-Suleiman, A. Bakin, A. Waag, A. Voinilovich, E. V. Lutsenko, G. P. Yablonskii, J. P. Bergman, G. Pozina, and B. Monemar, Recombination dynamics and lasing in ZnO/ZnMgO single quantum well structures // Appl. Phys. Lett. - 2007 - Vol. 91 - P. 201104(1-3).

8. Т. V. Shubina, A. A. Toropov, V. N. Jmerik, M. G. Tkachman, A. V. Lebedev, V. V. Ratnikov, A. A. Sitnikova, V. A. Vekshin, S. V. Ivanov, P. S. Kop'ev, P. Bigenwald, J. P. Bergman, P. O. Holtz, and B. Monemar, Intrinsic electric fields in N-polarity GaN/AlGaN quantum wells with inversion domains // Phys. Rev. В - 2003 - Vol. 67 - P. 195310 (1-10).

9. Т. V. Shubina, V. N. Jmerik, S. V. Ivanov, P. S. Kop'ev A. Kavokin, K. F. Karlsson, P. O. Holtz, and B. Monemar, Narrow-line excitonic photoluminescence in GaN/AI,Gai ,N quantum well structures with inversion domains // Phys. Rev. В -2003 - Vol. 67 - P. R241306 (1-4).

10. S. V. Ivanov, Т. V. Shubina, V. N. Jmerik, V. A. Vekshin, P. S. Kop'ev, and B. Monemar, Plasma-assisted MBE growth and characterization of InN on sapphire // J. Crystal Growth - 2004 - Vol. 269 P. 1-9.

11.T. V. Shubina. S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, M. M. Glazov, A. P. Kalvarskii, M. G. Tkachman, A. Vasson. J. Leymarie, A. Kavokin, H. Amano, I. Akasaki, K. S. A. Butcher, О- Оно. B. Monemar. and P. S. Kop'ev, Optical properties of InN with stoichoimetry violation and indium clustering Phys. Slat. Sol. (a) - 2005 - Vol. 202, no. 3 - P. 377-382.

12. T. P. Bartcl. C. Kisielouski. P. Spccht. T.V. Shubina, V. N. Jmerik, and S. V. Ivanov, High resolution transmission electron microscopy of InN // Appl. Phys. Lett. - 2007 - Vol. 91 -P. 101908 (1-3).

13. В. В. Ратников, P. Н.Кютт, Т. В. Шубина, Рентгеновское измерение тензора микродисторсни и анализ на его основе дислокационной структуры толстых слоев GaN, полученных методом хлоргидридной газофазной эпитаксии // ФТТ - 2000 - Т. 42, по. 12-С. 2140-2146.

14. V. V. Ratnikov, Т. V. Shubina, R. N. Kyutt, Т. Paskova, Е. Valcheva, and В. Monemar, Bragg and Laue x-ray diffraction study of dislocations in thick hydride vapor phase epitaxy GaN films // J. Appl. Phys. - 2000 - Vol. 88 - P. 6252-6254.

15. V. V. Ratnikov, R. N. Kyutt, Т. V. Shubina, T. Paskova, E. Valcheva, B. Monemar, X-Ray measurement of deformation tensor and analysis on its base of GaN layer dislocation structure // Surface - 2001 - Vol. 10 - P. 101 -104.

16. Т. V. Shubina, A. A. Toropov, V. V. Ratnikov, R. N. Kyutt, S. V. Ivanov, T. Paskova, E. Valcheva, and B. Monemar, Polarized photoluminescence spectroscopy of HVPE GaN with different diclocation structures // J. J. Appl. Phys., Proc. IWN - 2000 - P. 595-598.

17. Т. V. Shubina, M. M. Glazov, A. A. Toropov, N. A. Gippius, J. P. Bergman, B. Monemar, A. Usui, A. Vasson, J. Leymarie, S. V. Ivanov, and P. S. Kop'ev, Slow light in GaN // Proc. 16th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" - Vladivostok, Russia - 2008 -P. 152-154.

18. Т. В. Шубина, Спектроскопия вюрцитных полупроводников с высоким пространственным и временным разрешением // Труды международной зимней школы по физике полупроводников, - 2005 - С.-Петербург-Зеленогорск - С. 38-43.

19. Т. V. Shubina, A. A. Toropov, А. V. Lebedev, S. V. Ivanov, Т. Paskova, and В. Monemar, Micro-photoluminescence spectroscopy of exciton-polaritons in GaN with the wave vector k normal to the с axis // Phys. Stat. Sol. (b) - 2001 - Vol. 228 (2) - P. 481-484.

20. Т. V. Shubina, M. G. Tkachman, A. A. Toropov, A. I. Karlik, S. V. Ivanov, P. S. Kop'ev, T. Paskova and B. Monemar, Dissimilatery between cleaved edge and surface regions of GaN (0001) epitaxial layers studied by spatially-resolved photoluminescence and reflectivity // Proc. 9th Int. Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, Russia-2001 - P. 146-147.

21. Т. V. Shubina, A. A. Toropov, S. V. Ivanov, T. Paskova, and B. Monemar, peculiarities of exciton-polaritons in GaN at different polarizations studies by ц-photoluminescence spectroscopy // Phys. Stat. Sol. (a) - 2002 - Vol. 190 - P. 205-208.

22. M. Г. Ткачман, Т. В. Шубина, В. Н. Жмерик, С. В. Иванов, П. С. Копьев, Т. Паскова, Б. Монемар, Фононная люминесценция экситонов в слоях GaN, выращенных методами молекулярно-пучковой и хлорид-гидридной газофазной эпитаксии // ФТП - 2003 - Т. 37, по. 5 - С. 552-556.

23. A. A. Toropov, О. V. Nekrutkina, Т. V. Shubina, Th. Gruber, С. Kirchner, A. Waag, К. F. Karlsson, and В. Monemar, Temperature-dependent polarized luminescence of exciton polaritons in a ZnO film // Phys. Stat. Sol. (a) - 2005 - Vol. 202, no. 3 - P. 392-395.

24. A. A. Toropov, О. V. Nekrutkina, Т. V. Shubina, S. V. Ivanov, Th. Gruber, R. Kling, F. Reuss, C. Kirchner, A. Waag, K. F. Karlsson, J. P. Bergman, and B. Monemar, Excitonic properties of ZnO films and nanorods // AIP Conf. Proc. - 2005 - Vol. 772 - P. 991-992.

25. B. Monemar, P. P. Paskov, J. P. Bergman, A. A. Toropov, Т. V. Shubina, Recent developments in the Ш-nitride materials // Phys. Stat. Sol. (a) -2007- Vol. 244, no.6 - P. 1759-1768.

26. B. Monemar, P. P. Paskov, J. P. Bergman, A. A. Toropov, Т. V. Shubina, S. Figge, T. Paskova, D. Hommel, A. Usui, M. Iwaya, S. Kamiyama, H. Amano, I. Akasaki, Optical signatures of dopants in GaN // Materials Science in Semicond. Processing - 2006 -Vol. 9 -P. 168-174.

27. B. Monemar, P. P. Paskov, J. P. Bergman, T. Malinauskas, 1С. Jarasiunas, A. A. Toropov, T. V. Shubina, A. Usui, Time-resolved spectroscopy of excitons bound at shallow neutral donors in HVPE GaN // Materials Research Society Symposium Proceedings - 2006 - Vol. 892 - P. 479-484.

28. B. Monemar, P. P. Paskov, J. P. Bergman, A. A. Toropov, Т. V. Shubina, A. Usui, Recombination dynamics of free and bound excitons in bulk GaN // Superlattices and Microstructures - 2008 - Vol. 43, no. 5-6 - P. 610-614.

29. Т. V. Shubina, V. N. Jmerik, M. G. Tkachman, V. A. Vekshin, V. V. Ratnikov, A. A. Toropov, A. A. Sitnikova, S. V. Ivanov, J. P. Bergman, P. O. Holtz, and B. Monemar, Nanometric fluctuations of intrinsic electric fields in GaN/AlGaN quantum wells with inversion domains // Phys. Stat. Sol. (b) - 2002 - Vol. 234, no. 3 - P. 919-923.

30. T. V. Shubina, V. N. Jmerik, M. G. Tkachman, V. A. Vckshin, A. A. Toropov, S. V. Ivanov, P. S. Kop'ev, J. P. Bergman, F. Karlsson, P. Holtz, and B. Monemar, Optical properties of GaN/AIGaN quantum wells with inversion domains // Phys. Stat. Sol. (a) -2003 - Vol. 195, no. 3 - P. 537-542.

31. T. V. Shubina, V. N. Jmerik, S. V. Ivanov, D. D. Solnyshkov, N. A. Cherkashin, K. F. Karlsson, P. O. Holtz, A. Waag, P. S. Kop'ev, and B. Monemar, Polarized micro-photoluminescence spectroscopy of GaN nanocolumns // Phys. Stat. Sol. (c) - 2003 - Vol. 0 , no. 7 - P. 2602-2605.

32. T. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, A. A. Toropov, P. O. Holtz, B. Monemar, and P.S. Kop'ev, Role of inversion domains in optical properties of GaN-based layers and nanostructures // Proc. 11th Int. Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" -St. Petersburg, Russia - 2003 - P. 42-43.

33. A. Vasson, T. V. Shubina, and J. Leymarie, Thermally detected optical absorption in sophisticated nitride structures // Phys. Stat. Sol. (c) - 2005 - Vol. 2, no. 2 - P. 833-836.

34. T. V. Shubina, F. Karlsson, V. N. Jmerik, S. V. Ivanov, A. Kavokin, P. Holtz, P. S. Kop'ev, and B. Monemar, Narrow-line excitonic luminescence in GaN/AIGaN nanostructures based on inversion domains // Phys. Stat. Sol. (c) - 2003 - Vol. 0, no. 7 - P. 2716-2720.

35. S.V. Ivanov, A. El-Shaer, T.V. Shubina, S.B. Listoshin, A. Bakin, A. Waag, Growth kinetics and properties of ZnO/ZnMgO heterostructures grown by radical-source molecular beam epitaxy//Phys. Stat. Sol. (c) - 2007 - Vol. 4, no. 1 - P. 154-157.

36. T. V. Shubina and M. M. Glazov, Fundamental parameters of InN versus non-stoichoimetry, Proc. 13 Int. Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" - St. Petersburg, Russia - 2005 - P. 292-293.

37. T. V. Shubina, M. M. Glazov, S. V. Ivanov, A. Vasson, J. Leymarie, B. Monemar, T. Araki, H. Naoi, and Y. Nanishi, Effects of non-stoichoimetry and compensation on fundamental parameters of heavily-doped InN // Phys. Stat. Sol. (c) - 2007 - Vol. 4, no. 7 - P. 24742477.

38. K. S. A. Butcher, M. Wintrebert-Fouquet, P. P.-T. Chen, K. E. Prince, H. Timmers, S. K. Shrestha, T. V. Shubina, S. V. Ivanov, R. Wuhrer, M. R. Phillips, and B. Monemar, Non-stoichiometry and non-homogeneity in InN // Phys. Stat. Sol. (c) - 2005 - Vol. 2, no. 7 - P. 2263-2266.

39. P. S. Kop'ev, T. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, D. D. Solnyshkov, V. A. Vekshin, Effects of stoichoimetry violation and indium nano-clusters formation on band gap of InN // Proc. 12th Int. Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" - St. Petersburg, Russia-2004-P. 374-375.

40. M. Kuball, J. W. Pomeroy, M. Wintrebert-Fouquet, K. S. A. Butcher, Hai Lu, W. J. Schaff, T. V. Shubina, and S. V. Ivanov, Resonant Raman spectroscopy on InN // Phys. Stat. Sol. (a) - 2005 - Vol. 202, no. 5 - P. 763-767.

41. T. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, A. M. Mizerov, J. Leymarie, A. Vasson, B. Monemar, and P. S. Kop'ev, Inhomogeneous InGaN and InN with In-enriched nanostructures // AIP Conf. Proc. - 2007 - Vol. 893 - P. 269-272.

42. T. V. Shubina, D. S. Plotnikov, A. Vasson, J. Leymarie, M. Larsson, P. O. Holtz, B. Monemar, H. Lu, W. J. Schaff, and P. S. Kop'ev, Surface-plasmon resonances in indium nitride with metal-enriched nanoparticles // Journal of Crystal Growth - 2006 - Vol. 288 -P. 230-235.

43. T. V. Shubina, J. Leymarie, V. N. Jmerik, A. A. Toropov, A. Vasson, H. Amano, W. J. Schaff, B. Monemar, and S. V. Ivanov, Optical properties of InN related to surface plasmons // Phys. Stat. Sol. (a) - 2005 - Vol. 202, no. 14 - P. 2633-2641.

44. T. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, A. A. Toropov, A, Vasson, J. Leymarie, and P. S. Kop'ev, Plasmonic effects in InN-based structures with nano-clusters of metallic indium // Phys. Stat. Sol. (a) - 2006 - Vol. 203, no. 1 - P. 13-24.

45. Т. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, D. D. Solnyshkov, P. S. Kop'ev, A. Vasson, J. Leymarie, A. Kavokin, H. Amano, S. Kamiyama, M. Iwaya, I. Akasaki, H. Lu, W. J. Schaff, A. Kasic, and B. Monemar, Mie Resonant absorption and infrared emission in InN related to metallic indium clusters // AIP Conf. Proc. - 2005 - Vol. 772 - P. 263-264.

46. Т. V. Shubina, J. Leymarie, N. A. Gippius, A. Vasson, V. N. Jmerik, B. Monemar, and S. V. Ivanov, Localized plasmons at pores and clusters within inhomogeneous indium nitride films // Phys. Stat. Sol. (c) -2007 -Vol. 4, no. 7 - P. 2445-2448.

47. T. A. Komissarova, Т. V. Shubina, V. N. Jmerik, M. A. Timofeeva, N. A. Pikhtin, L. I. Ryabova, D. R. Khokhlov, P. S. Kop'ev, and S. V. Ivanov, Photovoltaic effect in InN films with In clusters // Proc. 16lh Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" -Vladivostok, Russia - 2008 - P. 64-65.

48. Т. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, P. S. Kop'ev, A. Vasson, J. Leymarie, A. Kavokin, H. Amano, B. Gil, O. Briot, B. Monemar, Reply on Comment of F. Bechstedt et. al. // Phys. Rev. Lett. - 2004 - Vol. 93 - P. 269702.

49. D. S. Plotnikov, Т. V. Shubina, V. N. Jmerik, A. N. Semenov, and S. V. Ivanov, Optical absorption in periodic InN:In structures // Acta Physica Polonica A - 2007 - Vol. 112, no. 2-P. 191-196.

Список литературы

1* E. Ф. Гросс, Экситон и его движение в кристаллической решетке // Успехи физических наук - 1962 - Т. LXXVI, по. 3 - С. 433-466.

2* J. J. Hopfield, Fine structure in the optical absorption edge of anisotropic crystals // Journal of Physics and Chemistry of Solids- 1960-Vol. 15, no. 1-2-P. 97-107.

3* Г. JI. Бир, Г. E. Пикус, Симметрия и деформационные эффекты в полупроводниках -М.: Наука. Главная редакция Физико-математической литературы, 1972.

4* S. Nakamura, G. Fasol, and I. Davies, The blue laser diode: GaN based light emitters and lasers - Berlin: Springer-Verlag Telos, 1997.

5* E. L. Ivchenko, Optical spectroscopy of semiconductor nanostructures. - Alpha Science, Harrow UK, 2005.

6* R. Loudon, The propagation of electromagnetic energy through an absorbing dielectric // J. Phys. A - 1970 - Vol. 3 - P. 233-245.

7* M. P. van Albada, B. A. Van Tiggelen, A. Lagendijk, and A. Tip, Speed of propagation of classical waves in strongly scattering media // Phys. Rev. Lett. - 1991 - Vol. 66 - P. 31323135.

8* A. Kavokin and G. Malpuech, Cavity polaritons - Elsevier, New York, 2003.

9* M. Bigelow N. N. Lepeshkin, R. W. Boyd, Superluminal and slow light propagation in a room-temperature solid // Science - 2003 - Vol. 301 - P. 200-203.

10*C. Klingshirn, R. Hauschild, J. Fallert, and H. Kalt, Room-temperature stimulated emission of ZnO: Alternatives to excitonic lasing // Phys. Rev. В - 2007 - Vol. 75, P. 115203 (1-10).

11*R. Dingle, D. D. Sell, S. E. Stokowski, and M. Ilegems, Absorption, reflectance, and luminescence of GaN epitaxial layers // Phys. Rev. В - 1971 - Vol. 4 - P. 1211-1218.

12*J. S. Im, H. Kollmer, J. Off, A. Sohmer, F. Scholz, and A. Hangleiter, Reduction of oscillator strength due to piezoelectric fields in GaN/AlxGa|.xN quantum wells // Phys. Rev. В - 1997 - Vol. 57 - P. R9435 (1-4).

13*E. Ozbay, Plasmonics: Merging photonics and electronics at nanoscale dimensions -Science - 2006 - Vol. 311 - P. 189-203.

14*C. И. Пекар, Теория электромагнитных волн в кристалле, в котором возникают экситоны // ЖЭТФ - 1957 - Т. 33, по. 4, С. 1022-1036.

15*R. Stepniewski, К. P. Korona, A. Wysmolek, J. М. Baranovski, К. Pakula, М. Potemski, G. Martinez, I. Grzegory, and S. Porowski, Polariton effects in reflectivity and emission spectra of homoepitaxial GaN // Phys. Rev. В - 1997 - Vol. 56 - P. 15151 -15156.

16*B. Monemar, Fundamental energy gap ofGaN from photoluminescence excitation spectra // -Phys. Rev. В - 1974 - Vol. 10 - P. 676-681.

17*C. А. Пермогоров, Экситоны - ред. E. И. Рашба, М. Д. Стюрге, North-Holand, Amsterdam, 1982.

18*J. J. Hopfield and D. G. Thomas, Polariton absorption lines // Phys. Rev. Lett. - 1965 - Vol. 15-P. 22-25.

19*F. Bernardini, V. Fiorentini, and D. Vanderbilt, Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides // Phys. Rev. В - 1997 - Vol. 56 - P. R10024 (1-4).

20*G. Mie, Beitrage zur optic trtiber medien, zpeziell kolloidaler metallosungen //Ann. Phys. (Leipzig) - 1908 - Vol. 25 - P. 377-412.

21*U. Kreibig and M. Vollmer, Optical properties of metal clusters - Springer, Berlin, 1995.

22*J. Gersten and A. Nitzan, Electromagnetic theory of enhanced Raman scattering by molecules absorbed on rough surface // J. Chem. Phys. - 1980 Vol. 73 no.7 - P. 3023-3038.

23*B.A. Кособукин, Коллективные эффекты в усилении внешнего электрического поля на поверхности металлов // Известия Академии наук СССР, Серия Физическая - 1985 -Т. 49, по. 6-С. 1111-1120.

24*А. И. Головашкин, И. С. Левченко, Г. П. Мотулевич, А. А. Шубин, Оптические свойства индия//ЖЭТФ- 1966-Т. 51,по.6-С. 1623-1633.

25*V. Yu. Davydov, A. A. Klochikhin, R. P. Seisyan, V. V. Emtsev, S. V. Ivanov, F. Bechstedt, J. Furthmuller, H. Harima, A. V. Mudryi, J. Aderhold, O. Semchinova, and J. Graul, Absorption and emission of hexagonal InN. Evidence of narrow fundamental band gap // phys. status sol. (b) - 2002 - Vol. 229 - P. Rl-5.

26*C. Stampfl, C. G. Van de Walle, D. Vogel, P. Kriiger, and J. Pollmann, Native defects and impurities in InN: First-principles studies using the local-density approximation and self-interaction and relaxation-corrected pseudopotentials // Phys. Rev. В - 2000 - Vol. 61 - P. R7847-R7850.

27*C. Benoit a la Guillaume, A. Bonnot, and J.M. Debever, Luminescence from polaritons // Phys. Rev. Lett. - 1970 - Vol. 24 - P. 1235-1238.

28*V. Fiorentini, F. Bernardini, F. Delia Sala, A. Di Carlo, and P.Lugli, Effects of macroscopic polarization in III-V nitride multiple quantum wells // Phys. Rev. В - 1999 -Vol. 60-P. 8849-8858.

29*B. Gil, Group III nitride semiconductor compounds: Physics and applications - Series on Semiconductor Science and Technology, Vol. 6, Oxford University Press, 1998.

30*D. W. Jenkins and J. D. Dow, Electronic structures and doping of InN, InxGa|.xN, and InxAl,.xN // Phys. Rev. В - 1989 - Vol. 39 - P. 3317-3329.

31 *W. A. Harrison, Bond-orbital model and the properties of tetrahedrally coordinated solids // Phys. Rev. В - 1973 - Vol. 8 - P. 4487-4498.

32*A. L. Efros and B. L. Shklovskii, Electronic properties of doped semiconductors -Springer, Heidelberg, 1989.

33*J. Crowell and R. H. Ritchie, Radiative Decay of coulomb-stimulated plasmons in spheres // Phys. Rev. - 1968 - Vol. 172 - P. 436-440.

34*R. W. Cohen, G. D. Cody, M. D. Coutts, and B. Abeles, Optical properties of granular silver and gold films // Phys. Rev. В -1973 - Vol. 8 - P. 3689-3704.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 10.11.2008. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 3673b.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение.

1. Оптические процессы в полупроводниках со структурой вюрцита и металл-полупроводниковых нанокомпозитах на их основе. Проблемы, поднимаемые в диссертации. (Обзор литературы).

1.1. Перенос излучения в конденсированных средах.

1.1.1. Перенос излучения в средах с резонансными линиями.

1.1.2. Диффузное распространение света в "мутных" средах.

1.2. Спектр экситонных и экситон-поляритонных состояний в ваМ.

1.2.1. Свободные экситоны. Экситон-поляритоны.

1.2.2. Связанные экситоны и их двухэлектронные сателлиты.

1.2.3. Взаимодействие экситонов с фононами. Фононные реплики.

1.2.4. Кинетика экситонной рекомбинации в ваИ.

1.3.Экситоны и экситон-поляритоны в ZnO.

1.3.1. Экситонный спектр. Порядок следования зон.

1.3.2. Стимулированное излучение и кинетика рекомбинации.

1.4. Полярность вюрцитных соединений и ее проявление в оптике объемных слоев и наноструктур.

1.4.1 Пьезоэлектрическая и спонтанная поляризация в квантовых ямах.

1.4.2. Структуры смешанной полярности. Инверсные домены.

1.5. Плазмонные эффекты в металл-полупроводниковых нанокомпозитах.

1.5.1. Усиление оптических процессов.

1.5.2. Плазмонные свойства и электронная структура индия.

1.5.3. ШЧ как возможная полупроводниковая матрица для создания нанокомпозитов.

2. Перенос излучения и "медленный" свет в СаК

2.1. Отбор образцов для исследований. Микродисторсный метод анализа дефектов вюрцитных полупроводников.

2.2. Экспериментальное наблюдение задержки света спектроскопией с временным разрешением.

2.3. Выделение баллистических и диффузных компонент прошедшего света.

2.3.1. Интерференционные рефлексы

2.3.2. Угловые диаграммы прошедшего света

2.4. Моделирование процесса прохождения света в вюрцитном полупроводнике с несколькими резонансными линиями.

2.4.1. Баллистическое распространение света.

2.4.2. Диффузия фотонов при рассеянии на донорных центрах.

2.5. Характеристики "медленного" света в GaN.

3. Экситон-поляритоны в СаК и ХпО. Смешанные поляритонные моды.

3.1. Поляризационная микро-спектрокопия экситонных состояний.

3.2. Экситон-поляритонные моды в ОаИ.

3.2.1. Дифференциация излучения смешанных поляритонных мод от линий связанного экситона в эпитаксиальных слоях.

3.2.2. Фононные реплики экситон-поляритонов в эпитаксиальных слоях.

3.2.3. Тонкая структура поляритонных мод в высококачественных кристаллах.

3.3. Экситон-поляритоны в слоях и наноколоннах ЪпО.

3.3.1. Особенности экситонного спектра слоев и наноколонн.

3.3.2. Смешанные поляритонные моды в ZnO.

4. Экситонный спектр и кинетика нзлучательной рекомбинации в СаК.

4.1. Связанный на доноре экситон и его двухэлектронные сателлиты.

4.2. Переходы свободных и связанных экситонов с участием оптических фононов. 95 4.2. Кинетика экситонной люминесценции в ваИ.

5. Нанометрическая флуктуация внутренних полей и напряжений в структурах с инверсными доменами.

5.1. Экситонные переходы в ОаМ/АЮаК квантовых ямах смешанной полярности.

5.1.1. Структурные и оптические свойства исследуемых образцов.

5.1.2. Исследование люминесценции с высоким пространственным и временным разрешением.

5.1.3. Внутренние электрические поля и эффект Штарка.

5.2. Полоса излучения с энергией 3.42 эВ в слоях и наноколоннах.

6. Локализация экситонов в наноструктурах с инверсными доменами

6.1. Узкие линии экситонной люминесцении в ОаЖАЮаК наноструктурах с инверсными доменами.

6.2. Дублеты узких линий. Экситонные комплексы.

6.3. Локализации носителей и стимулированное излучение в структурах с квантовыми ямами ТпО/ХъМ^О.

6.3.1. Кинетика экситонной рекомбинации в квантовых ямах

6.3.2. Стимулированное излучение в двойных гетероструктурах Za.OIZvLM.gO с квантовыми ямами.

7. Основные свойства металл-полупроводникового нанокомпозита InN/In.

7.1. Общая характеристика образцов и методик исследования.

7.2. Фундаментальные параметры нестехиометрического InN.

7.3. Просвечивающая электронная микроскопия кластеров индия.

7.4. Фотолюминесцентные свойства нанокомпозитов InN/In.

7.5. Ми резонансы. Приближение эффективной среды.

7.6. Пространственное разделение оптических процессов в нанокомпозитах.

8. Усиление оптических процессов локальными плазмонами в нанокомпозитах InN/In.

8.1. Основные закономерности.

8.2. Пространственная локализация и усиление люминесценции около металлических кластеров.

8.3. Спектры усредненного усиления в нанокомпозитах.

8.3.1. Подавление усиления межзонными переходами.

8.3.2. Моделирование термически детектируемого поглощения.

Исследования в области физики экситонов и экситон-поляритонов представляют собой замечательные достижения отечественной физической школы. Вплоть до настоящего времени активно используются работы Я. И. Френкеля [1*], С. И. Пекара [2*], Е. Ф. Гросса [3*,4*] и их последователей. Немалая часть фундаментальных эффектов была открыта с использованием полупроводников со структурой вюрцита [4*-6*], т. е. соединений, принадлежащих к пространственной группе симметрии С4 с гексагональной б\> кристаллической решеткой и полярной осью [7*]. Развитие этой области физики в части таких материалов, как АЗ-нитриды, А2-оксиды и наноструктуры на их основе, непосредственно связано с прогрессом в области создания оптоэлектронных приборов следующего поколения.

В истории исследования и свойствах соединений обеих групп - нитридов и оксидов, есть много общего. Они относятся к классу полярных полупроводников, для которых существенны явления пьезоэлектрической и спонтанной поляризаций. Основные компаунды, ОаМ и ZnO, отличаются большой шириной запрещенной зоны (3.42 и 3.37 эВ при 300К, соответственно) и доминированием экситонных особенностей в оптических спектрах вплоть до комнатной температуры вследствие больших энергий связи экситонов. Гетероструктуры на основе этих материалов потенциально способны излучать свет в широчайшей спектральной области. Варьирование составов нитридных соединений перекрывает диапазон от инфракрасного излучения (1пОа1\[) до глубокого ультрафиолета (АЮаЫ). В составах 2п0 с добавлением М§ и Сё возможно изменение ширины запрещенной зоны от 1.9 эВ (гпСсЮ) до 3.7 эВ (гпМ^О). Характерной особенностью этих соединений является их высокая химическая, тепловая и радиационная устойчивость, что существенно расширяет области потенциального использования.

Экситонные свойства данных вюрцитных кристаллов активно исследовались, начиная с 70-х годов прошлого столетия, вслед за пионерскими работами Хопфилда [5*] и Томаса [6*]. Следует отметить уникальную экспериментальную работу Дингла и соавторов [8*], установившую принятую ныне структуру валентных зон в ОаТчГ. Лавинообразный рост числа публикаций был стимулирован применением нитридных соединений для создания светоизлучающих приборов [9*] и аналогичными перспективами для ХпО.

В результате, за прошедшие более чем три десятка лет были уточнены многие параметры как АЗ-нитридов, так и А2-оксидов. Однако до сих пор ряд свойств кристаллов, слоев и наноструктур остаются неопределенным. Кратко, не исследованы фундаментальные процессы переноса излучения в вюрцитных полупроводниках с резонансными линиями, в том числе обусловленными экситон-примесными комплексами. Не прояснены до конца особенности экситонного и экситон-поляритонного излучения в ОаЫ и ТпО при наличии точечных и протяженных дефектов. Не определено влияние формирования участков противоположной полярности - инверсных доменов (ИД), на оптические свойства слоев и наноструктур. Отсутствует четкое представление о влиянии металлических нано-преципитатов на оптические свойства соединений. Специфика этих проблем позволяет охарактеризовать их как проблемы неидеальных вюрцитных полупроводников, даже в случае, когда их исследование осуществляется с использованием лучших на мировом уровне образцов.

Рассмотрение динамики исследования экситон-поляритонов в йаК и ЪпО слоях и наноколоннах [10*,11*] свидетельствует, что, несмотря на фундаментальный интерес и отмеченную возможность практического применения в поляритонных "беспороговых" лазерах [12*], число экспериментальных исследований поляритонных эффектов скорее сокращается, чем растет в настоящее время. Причина состоит в осознании факта, что дальнейшее уменьшение средней плотности дефектов, рассеивающих поляритоны, практически невозможно. Это выдвигает на первый план задачу исследования механизмов переноса излучения в неидеальных структурах, где, наряду с баллистическим (поляритонным), возможно и диффузное распространение света [1], и где актуальна проблема рассеяния между поляритонными ветвями, обусловленная сложной структурой поляритонных ветвей [2,3]. Без детального изучения этих особенностей невозможно создание ни поляритонных приборов, ни устройств, эксплуатирующих явление "медленного" света [13*].

Развитие технологии квантоворазмерных структур, казалось бы, создает базу для их практического применения. Однако хорошо известно, что в вюрцитных квантовых ямах (КЯ) существуют сильные электрические поля, приводящие к штарковскому сдвигу и ослаблению интенсивности фотолюминесценции (ФЛ) [14*]. Эти поля хорошо исследованы в ваМ, где полоса люминесценции из квантовой ямы может оказаться ниже края поглощения в объемном материале. Для ¿пО экспериментальные данные о величинах встроенных электрических полей в квантовых ямах более противоречивы. Во всех предыдущих исследованиях эти поля полагались макроскопически однородными, тогда как данные вюрцитные материалы характеризуются наличием значительного количества ИД. Электрические поля флуктуируют вдоль структур смешанной полярности и, как результат, имеют меньшую величину, что позволяет наблюдение яркой люминесценции вплоть до комнатных температур [4]. Однако это же явление может приводить к размытию плотности состояний, ухудшая пороговые характеристики лазерных структур [5].

Близкая ситуация сложилась и с исследованием экситонов и экситонных комплексов. Их энергия связи должна увеличиться в условиях низкоразмерного ограничения. Однако экситон в квантовой яме, поляризованной внутренним электрическим полем, разрушается вследствие взаимодействия со свободными электронами двумерного электронного газа [15*]. Наблюдение экситонных эффектов в вюрцитных квантоворазмерных структурах возможно при реализации специфического ограничения в области инверсных доменов [6]. Важным вопросом также является прояснение экситон-фононного взаимодействия [7], которое может определять приборные характеристики при высоких температурах [16*].

Тройные соединения нитрида индия с ОаИ используются для получения голубых светоизлучаюгцих диодов, установленных на всех перекрестках мира. Однако бинарный компаунд имеет тенденцию к нестехиометрическому росту (1п/№ 1) и преципитации металлического индия. Локальные плазменные возбуждения в металлических частицах (кластерах) или Ми резонансы [17*] могут приводить к ряду специфических эффектов -факт, который ускользал от внимания исследователей до публикации наблюдения таких резонансов в слоях 1пЫ со спонтанно формируемыми кластерами [8].

Отметим, что создание и исследование металл-полупроводниковых нанокомпозитов имеет самостоятельное значение для реализации устройств плазмоники - одной из быстро развивающихся областей современной физики, оперирующей коллективными электронными возбуждениями в металлических включениях на поверхности или внутри диэлектрической матрицы [18*]. Данных по оптическим свойствам нанокомпозитов с оптически активной полупроводниковой матрицей явно недостаточно. Система ¡гОМ с кластерами 1п может служить хорошим модельным объектом для изучения основных свойств подобных нанокомпозитов.

Дальнейший прогресс в области создания и применения наноструктур на основе АЗ-нитридов И А2-ОКСИДОВ требует прояснения всех этих вопросов. Их условно можно разделить на три группы. К первой группе относятся задачи продолжения канонического исследования свойств экситонов и экситон-поляритонов в кристаллах полупроводников со структурой вюрцита, включая исследование механизмов переноса излучения. В случае специально отобранных образцов с низким уровнем дислокаций и других протяженных дефектов для задач этой группы определяющим является влияние точечных дефектов, в первую очередь донорных центров. Вторая группа объединяет эффекты, связанные с наличием специфических для вюрцитных полупроводников протяженных дефектов инверсных доменов. Эти эффекты наиболее существенны в наногетероструктурах, где они могут влиять на все оптические свойства, включая лазерные характеристики. К задачам третьей группы относятся исследования металл-полупроводниковых нанокомпозитов, где вкрапления металлической фазы являются своеобразным дефектом в полупроводниковой матрице, радикально изменяющей все ее оптические свойства вследствие возбуждения плазмонных резонансов. Диссертационная работа представляет ряд актуальных исследований, имеющих отношение ко всем трем группам задач.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Целью диссертационной работы является изучение оптических свойств, определяемых экситонными и плазмонными эффектами в неидеальных объемных кристаллах и наноструктурах на основе вюрцитных полупроводников. Особенность предлагаемого подхода состоит в систематическом учете несовершенства вюрцитных структур, изобилующих точечными и протяженными дефектами, такими как примесные центры, инверсные домены и металлические кластеры. В качестве объектов исследования были исспользованы: кристаллы ОаМ, слои и наноколонны ОаМ и ЪпО, квантовые ямы ОаН/АЮаЫ и гпО^пМ^О, нанокомпозиты [пКЛп с кластерами 1п.

Поставленная цель достигалась посредством решения следующих задач:

1. Определение типов доминирующих дефектов на основе сопоставления данных спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ) с результатами рентгено-дифракционного анализа тензора микродисторсии, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и других методов структурной характеризации.

2. Развитие методов поляризационной спектроскопии с высоким пространственным разрешением для проведения измерений микро-фотолюминесценции (ц-ФЛ) и микроотражения с целью уточнения правил отбора для экситонных переходов, структуры поляритонных мод и наблюдения узких линий люминесценции одиночных локализованных экситонов.

3. Применение методов спектроскопии с временным разрешением для исследования процесса переноса излучения и кинетики экситонной рекомбинации в исследуемых структурах.

4. Развитие методов экспериментального и теоретического анализа механизмов переноса излучения в вюрцитных кристаллах с целью разграничения двух возможных способов: баллистического (поляритоиного) и диффузного, вызванного резонансным рассеянием на примесных центрах.

5. Экспериментальное наблюдение и теоретическая интерпретация влияния областей инверсной полярности на оптические свойства вюрцитных эпитаксиальных слоев и наноструктур, включающая анализ возможных нано-метрических флуктуаций толщин, встроенных электрических полей и локализующих потенциалов.

6. Исследование поведения экситонов и их комплексов при трехмерном ограничении в местах пересечения квантовых ям инверсными доменами. Установление взаимосвязи между дефектами, кинетикой рекомбинации и возможностью достижения стимулированного излучения в гетероструктурах с квантовыми ямами смешанной полярности.

7. Теоретическое и экспериментальное рассмотрение нанокомпозита как среды с эффективной диэлектрической функцией, особенности которой определяются плазмонными возбуждениями в металлических кластерах (Ми резонансами), наряду с эффектами нестехиометрии в полупроводниковой матрице.

8. Развитие методов экспериментального наблюдения эффектов, связанных с присутствием металлических кластеров в полупроводниковой матрице, в первую очередь:

I) метода термического детектирования оптического поглощения (ТДОП) для определения оптических потерь, вносимых кластерами;

II) метода микро-катодолюминесценции (ц-КЛ), сопровождаемого структурным микроанализом, для исследования усиления излучения около кластеров локальными электромагнитными полями.

9. Экспериментальное исследование и моделирование электромагнитного усиления в нанокомпозитах, где металлические кластеры могут иметь случайную форму и ориентацию относительно внешнего электромагнитного поля. Определение влияния структуры электронных зон в индии на плазмонные резонансы.

Научная новизна и практическая значимость работы заключаются в следующем:

• Впервые проведено исследование переноса излучения в кристаллах ваЫ, важное для создания оптоэлектронных приборов, для работы которых существенны времена прохождения светового импульса. Продемонстрировано уменьшение скорости света в окрестности экситонных резонансов и дана теоретическая интерпретация наблюдаемому явлению как результату совокупной задержки вследствие изменения групповой скорости распространения поляритонов и упругого рассеяния фотонов на донорных центрах.

Впервые проведено совместное рассмотрение и анализ спектров отражения, поглощения и задержки света в высококачественных кристаллах, позволившее уточнить экситонные параметры в ОаЫ, необходимые для расчета оптоэлектронных приборов.

Выполнено исследование спектров фотолюминесценции и отражения света с поляризационным разрешением в кристаллах, слоях и наноколоннах, позволившее подтвердить существование смешанных экситон-поляритонных мод в Оа!Ч и 2п0. Систематически исследована кинетика излучения свободных экситонов, экситонов связанных на доноре и их двухэлектронных сателлитов, а также фононных реплик свободных и связанных экситонов. Это позволило определить характерные времена излучательной рекомбинации, пространственную идентификацию излучающих областей и правила отбора переходов с участием фононов.

Впервые исследовано влияние инверсных доменов на оптические свойства слоев и квантовых ям. Продемонстрировано возникновение дополнительных полос излучения и краев поглощения и уменьшение уровня внутренних электрических полей, приводящее к возможности существования интенсивной ФЛ вплоть до комнатных температур.

Впервые продемонстрированы узкие линии экситонной фотолюминесценции в квантовых ямах ОаМ/АЮа1\[, пересекаемых инверсными доменами, свидетельствующие о трехмерном характере квантоворазмерного ограничения в местах пересечений. Показано, что наблюдаемые дублеты узких линий служат проявлением формирования заряженных экситонных комплексов - трионов. Впервые проанализировано влияние смешанной полярности на достижение стимулированного излучения. Продемонстрирована возможность лазерной генерации при оптической накачке в двойных гетероструктурах Ъп0!Ъг\М%0 с одиночной квантовой ямой ZnO в активной области.

Впервые обнаружены диэлектрические аномалии - Ми резонансы в кластерах 1п, расположенных внутри вюрцитного полупроводника. Исследованы фундаментальные параметры нестехиометрической полупроводниковой матрицы и эффективная диэлектрическая функция нанокомпозита Ш\[/1п.

Продемонстрировано, что для нанокомпозитов является характерным протекание процессов люминесценции, поглощения света и генерации фототока в пространственно различных областях, находящихся под различным влиянием плазмонов.

• Впервые обнаружено усиление ФЛ за счет плазмонных возбуждений в кластерах индия, расположенных внутри вюрцитного полупроводника - эффект, перспективный для увеличения эффективности светодиодов. Проведена оценка средней величины усиления оптических процессов в нанокомпозитах при статистическом разбросе формы и положения кластеров.

• Обнаружено селективное подавление плазмонных резонансов межзонными переходами в 1пК и электронными переходами между параллельными зонами в 1п, которые являются типичными для ряда поливалентных металлов.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Перенос излучения в ОаК осуществляется двумя способами: баллистическим, соответствующим экситон-поляритонному механизму распространения света, и диффузным, определяемым резонансным рассеянием фотонов на донорных центрах. Соответствующие времена задержки сигнала в окрестности резонанса экситона, связанного на нейтральном доноре, близки и зависят линейно от длины образца. Распространение света в окрестности экситонных резонансов в ОаК существенно замедлено - эффективная групповая скорость падает до 2100 км/сек.

2. Аномально поляризованный пик фотолюминесценции в окрестности А экситона, наблюдаемый методом поляризационной спектроскопии с высоким пространственным разрешением в кристаллах, эпитаксиальных слоях и наноколоннах GaN и ZnO, возникает как результат замешивания продольных и поперечных экситон-поляритонных мод, а также процессов рассеяния между поляритонными ветвями, частично объединенными вследствие близости резонансов экситонов разных типов с одинаковой поляризацией.

3. Кинетика излучения в ОаК различна для безфононных экситонных линий и для их фононных реплик и двухэлектронных переходов. Это различие определяется разной длиной поглощения и сечением рассеяния на частоте переходов, и, как следствие, неодинаковым влиянием поверхности. Излучательные времена жизни экситонов в объеме материала наиболее адекватно описываются кинетикой двухэлектронных переходов и фононных реплик, поляризация которых зависит от симметрии вовлекаемых в процесс фононов и примесей.

4. В слоях и наноструктурах на основе АЗ-нитридов и А2-оксидов в областях сосредоточения инверсных доменов существует нано-метрическая флуктуация потенциального рельефа. В результате, в структурах смешанной полярности появляются дополнительные полоса излучения и край поглощения, а также происходит снижение величины встроенных электрических полей, обусловленных явлениями спонтанной и пьезоэлектрической поляризации.

5. В местах пересечения квантовых ям с инверсными доменами реализуется трехмерное ограничение экситонов, приводящее к появлению узких линий экситонной люминесценции, характерная дублетная структура которых в GaN/AlGaN квантовых ямах отражает формирование экситонных комплексов (трионов). При наличии подобной локализации в квантовых ямах ZnO/ZnMgO возможность достижения стимулированного излучения определяется статистическим распределением локализованных экситонных состояний в ямах и барьерах.

6. Полупроводниковые соединения с металлическими включениями (кластерами) представляют собой нанокомпозиты, эффективная диэлектрическая функция которых зависит от формы, количества кластеров и отклонения матрицы от стехиометрии. В таких материалах, в частности в InN/In, процессы излучения и поглощения света, а также генерации фототока могут происходить в пространственно различных областях, в разной степени подверженных влиянию локальных плазмонов (Ми резонансов), возбуждаемых в кластерах.

7. В нанокомпозите InN/In яркая инфракрасная люминесценция, области излучения которой пространственно совпадают с металлическими кластерами, и край термически детектируемого поглощения определяются, соответственно, радиационным и диссипативным затуханием плазмонных резонансов, наряду с усилением дипольных переходов локальными электрическими полями плазмонов. Величина усредненного усиления (<102) и спектральное положение его максимума зависят от статистического распределения кластеров. Переходы между параллельными зонами в In и межзонные переходы в InN селективно подавляют плазмонное усиление.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на 33

Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах:

- 29 Международной конференции по физике полупроводников (ICPS-29), Рио-де Жанейро, Бразилия, 2008 (приглашенный доклад);

- 16 Международном симпозиуме "Nanostructures: Physics and Technology", Владивосток, Россия, 2008 (приглашенный доклад);

5 Международной конференции по физике взаимодействия света с веществом в наноструктурах, PLMCN5, Глазго, Шотландия, 2005 (приглашенный доклад); Европейской Международной конференции Общества исследования материалов, Е-MRS Fall Meeting 2005, Варшава, Польша (приглашенный доклад); Европейской Международной конференции Общества исследования материалов, Е-MRS Spring Meeting 2004, Страсбург, Франция (приглашенный доклад); Международном симпозиуме по нитридным компаундам, IWN4, 2004, Питсбург, США (приглашенный доклад);

11 Международном симпозиуме "Nanostructures: Physics and Technology", С. Петербург, Россия, 2003 (приглашенный доклад);

Российско-Тайванском симпозиуме по нитриду индия, JSNS-2005, С. Петербург, Россия, 2005 (приглашенный доклад);

15 Международной конференции по сверхрешеткам, наноструктурам и наноприборам (ICSNN 2008), Натал, Бразилия, 2008;

VII и VIII Российских конференциях по физике полупроводников: Москва, 2005; Екатеринбург, 2007;

27 и 28 Международных конференциях по физике полупроводников: ICPS27, Флагстаф, США, 2004; ICPS28, Вена, Австрия, 2006;

Международном симпозиуме по нитридным компаундам: IWN2000, Нагоя, Япония, 2000; IWN2002, Аахен, Германия, 2002; IWN2006, Киото, Япония, 2006; 4 и 5 Международной конференции по нитридным полупроводникам ICNS4, Денвер, США, 2001; ICNS5, Нара, Япония, 2005;

3 Международной конференции по когерентным процессам в экситонных системах, Лез Ош, Франция, 2007;

Зимней школе по физике полупроводников, С. Петербург-Зеленогорск, 2005;

9, 12 и 13 Международных симпозиумах "Nanostructures: Physics and Technology", С.

Петербург, Россия: 2001, 2004, 2005;

2 и 3 Международном симпозиуме по нитриду индия: Кайлуа-Кона, Гавайи, США 2005; Ильабела, Бразилия, 2006;

1, 2, 4 и 7 Международной конференции по физике взаимодействия света с веществом в наноструктурах: PLMCN1, Рим, Италия, 2001; PLMCN2, Ритимнон, Греция, 2002; PEMCN4, С. Петербург, Россия, 2004; PLCMN7, Гавана, Куба, 2007.; 1 и 2 Всероссийской конференции "Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы": Москва, 2001; С. Петербург, 2003;

- 3 Русско-Французском совещании по современной физике, Клермонт-Ферранд, Франция, 2006;

- 5 Российско-белорусском совещании "Semiconductor lasers and systems", Минск, Белоруссия, 2005.

Результаты исследований также неоднократно докладывались и обсуждались на Низкоразмерном семинаре ФТИ им. А. Ф. Иоффе, на семинарах в Токийском Университете (Япония), Ритцумейкан Университете (Кусатсу, Япония), Токийском технологическом Университете (Япония), Университете Монтпелье 2 (Монтпелье, Франция), Университете Блез Паскаля (Клермонт-Ферранд, Франция), Университете г. Линчепинга (Швеция).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен цикл работ по исследованию "медленного" света в высококачественных объемных кристаллах СаЫ:

- впервые проведено экспериментальное наблюдение задержки света в ОаЫ в окрестности экситонных резонансов, показавшее возможность уменьшения скорости света до значений менее 1% от скорости света в вакууме (2100 км/с);

- впервые продемонстрирована задержка света за счет диффузии фотонов, возникающая при упругом резонансном рассеянии на донорных центрах в ваИ;

- предложены модели, описывающие спектральные зависимости при баллистическом и диффузном механизмах переноса излучения, показавшие хорошее согласие с экспериментом;

- рассмотрение спектров задержки света совместно со спектрами отражения и пропускания позволило уточнить ряд экситонных параметров баИ (силу осциллятора свободных и связанных экситонов и однородную ширину резонансных линий).

2. Выполнен цикл работ по исследованию тонкой структуры экситонного и экситон-поляритонного спектра излучения в йаЫ и ZnO:

- впервые обнаружен аномально поляризованный пик ФЛ в окрестности А экситона, служащий подтверждением сложной структуры поляритонных ветвей в ОаЫ и ZnO, которая содержит смешанные поляритонные моды и допускает рассеяние поляритонов с перераспределением плотности состояний между ветвями;

- показано, что продольно-поперечные смешанные поляритонные моды возникают не только в совершенных кристаллах, но также в наноколоннах и в эпитаксиальных слоях с заметной плотностью протяженных дефектов;

- проведена оценка продольно-поперечного расщепления для П и Г5 экситонных состояний А экситон-поляритонной серии, составляющего 1-1.5 мэВ в йаЫ и 2-3 мэВ в ZnO.

3. Проведено сопоставление поляризационных характеристик и кинетики рекомбинации свободных и связанных экситонов в ОаЫ, их фононных реплик, а также двухэлектронных сателлитов:

- в результате исследования возбужденных состояний и двухэлектронных сателлитов линий экситонов, связанных на нейтральном доноре, уточнены энергии связи О и 81 доноров, составляющие 33.2±0.4 мэВ и 30.4±0.4 мэВ, соответственно;

- исследование поляризации фононных реплик позволило определить, что I) экситон-фононное взаимодействие в случае связанного экситона имеет локальный характер, 11) поляризация фонониой реплики перехода экситоиа, связанного на примеси, чувствительна к положению атома примеси в кристаллической решетке и к симметрии вовлеченного в процесс фонона;

- сопоставление характерных времен жизни излучения бесфононных линий свободных и связанных экситонов с временами жизни соответствующих фононных реплик и двухэлектронных сателитов показало, что медленное время затухания ФЛ связано с истинным радиационным временем жизни экситонов, тогда как быстрое затухание определяется захватом на центры безызлучательной рекомбинации вблизи поверхности.

4. Впервые проведен цикл работ по исследованию ваЫ слоев, наноколонн и квантовых ям с инверсными доменами:

-обнаружено расщепление полосы ФЛ на две и появление дополнительного края поглощения вследствие различных деформаций, электрических полей и ширин КЯ в районах различной полярности, причем нижний пик ФЛ в структурах Ы-полярности относится к инверсным доменам;

- путем сопоставления экспериментальных данных с результатами вариационного расчета определены электрические поля в КЯ структурах с инверсными доменами, величины которых оказались сравнительно малы (<200 кВ/см), что обеспечивает яркую ФЛ в квантовой яме М-полярности шириной 8-9 нм вплоть до комнатной температуры;

- исследование двух полос ФЛ с максимумами на 3.42 эВ и 3.47 эВ, регистрируемых в ОаЫ слоях и наноколоннах с инверсными доменами, показало, что разница энергий соответствующих переходов определяется различием в величинах упругих напряжений в областях противоположной полярности.

5. Впервые рассмотрены эффекты локализации экситонов в специфических местах, образуемых на пересечении квантовых ям и инверсных доменов:

- обнаружен трехмерный характер ограничения экситонов в местах пересечений КЯ инверсными доменами, что приводит к появлению в спектрах микро-фотолюминесценции узких линий одиночных локализованных экситонов; характерная дублетная структура этих линий, обнаруженная в квантовых ямах СаЖАЮаЫ, свидетельствует о формировании экситонных комплексов - трионов;

- при наличии подобной локализации носителей в области инверсных доменов возможность достижения стимулированного излучения в гетероструктурах с квантовыми ямами определяется перекрытием распределений плотности состояний в ямах и барьерах, что является существенным для двойных гетероструктур 7л\01ЪпМ%0 с одиночными квантовыми ямами ЪпО при концентрации в барьерах менее 12-14 %.

6. Проведен цикл исследований базовых свойств нанокомпозитов МЫЛи:

- показано, что свойства металл-полупроводниковых нанокомпозитов радикально отличаются от свойств полупроводниковой матрицы, а именно: i) нанокомпозиты характеризуются эффективной диэлектрической функцией среды, которая зависит от плазмонных резонансов в металлических кластерах, п) процессы люминесценции, поглощения света и генерации фототока в нанокомпозитах преимущественно протекают в пространственно разделенных областях, отличающихся плотностью, формой и размерами металлических кластеров и, как следствие, различными проявлениями плазмонных эффектов;

- проанализировано влияние нестехиометрии (отношения N/In) на основные свойства InN матрицы, включая ширину оптической щели, которая может изменяться на величину до 1.5 эВ при значительном отклонении от стехиометрии, а также рассмотрено влияние явления компенсации на край поглощения в модели Эфроса-Шкловского для сильнолегированного полупроводника с непараболической зонной структурой;

- зарегистрированы диэлектрические аномалии (Ми резонансы) в спектрах термически детектируемого оптического поглощения в слоях InN/In, моделирование которых в приближении эффективной среды показало существенное изменение всех оптических констант даже при незначительных количествах введенного In (-1%);

7. Исследованы эффекты плазмонного усиления в InN/In нанокомпозитах, в том числе с периодическими вставками In:

- методом катодолюминесценции с высоким пространственным разрешением впервые обнаружено локальное усиление инфракрасного (-0.7 эВ) излучения около металлических кластеров, величина которого (-70) согласуется с теоретически предсказанным усилением

Ю2);

- предложена модель для определения усредненного усиления в нанокомпозитах, учитывающая статистический разброс формы кластеров, а также особенности электронной структуры In; применение модели к анализу экспериментальных данных позволило описать спектры термически детектируемого поглощения и продемонстрировать, что межзонные переходы между параллельными зонами в In, также как и межзонные переходы в полупроводниковой матрице, селективно подавляют плазмонные резонансы.

1. GalnN // Appl. Phys. Lett. 1995 - Vol. 67 - P. 840 (1-3). 202* C. H. Henry and K. Nassau, Magneto-Optical studies of excited states of the cl donor in

2. ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ВКЛЮЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИЮ

3. T. V. Shubina, T. Paskova, A. A. Toropov, S. V. Ivanov, and B. Monemar, Polarised micro-photoluminescence and reflectance spectroscopy of GaN with klc: strongly 7i-polarized line near the A exciton // Phys. Rev. B 2002 - Vol. 65 - P. 075212 (1-11).

4. A. A. Toropov, O. V. Nekrutkina, T. V. Shubina, Th. Gruber, C. Kirchner, A. Waag, K. F. Karlsson, P. O. Holtz, and B. Monemar, Temperature-dependent exciton polariton photoluminescence in ZnO films // Phys. Rev. B 2004 - Vol. 69 - P. 165205 (1-4).

5. A. A. Toropov, Yu. E. Kitaev, T. V. Shubina, P. P. Paskov, J. P. Bergman, B. Monemar, and A. Usui, Polarization-resolved phonon-assisted optical transitions of bound excitons in wurtzite GaN // Phys. Rev. B. 2008 - Vol. 77 - P. 195201 (1-6).

6. T.P. Bartel, C. Kisielowski, P. Specht, T.V. Shubina, V.N. Jmerik, and S.V. Ivanov, High resolution transmission electron microscopy of InN // Appl. Phys. Lett. 2007 - Vol. 91 - P. 101908 (1-3).

7. T. V. Shubina, A. A. Toropov, S. V. Ivanov, T. Paskova, and B. Monemar, Peculiarities of exciton-polaritons in GaN at different polarizations studies by |j,-photoluminescence spectroscopy // Phys. Stat. Sol. (a) 2002 - Vol. 190 - P. 205-208.

8. B. Monemar, P. P. Paskov, J. P. Bergman, A. A. Toropov, T. V. Shubina, T. Malinauskas, and A. Usui, Recombination of free and bound excitons in GaN // Phys. Stat. Sol. (b) -2008 Vol. 245, no. 9 - P. 1723-1740.

9. B. Monemar, P. P. Paskov, J. P. Bergman, A. A. Toropov, T. V. Shubina, Recent developments in the Ill-nitride materials // Phys. Stat. Sol. (a) -2007- Vol. 244 (6) P. 17591768.

10. B. Monemar, P. P. Paskov, J. P. Bergman, A. A. Toropov, T. V. Shubina, A. Usui, Recombination dynamics of free and bound excitons in bulk GaN // Superlattices and Microstructures 2008 - Vol. 43, no. 5-6 - P. 610-614.

11. T. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, P. S. Kop'ev, A. Vasson, J. Leymarie, A. Kavokin, H. Amano, B. Gil, O. Briot, B. Monemar, Reply on Comment of F. Bechstedt et. al. // Phys. Rev. Letters 2004 - Vol. 93 - P. 269702.

12. T. V. Shubina, J. Leymarie, V. N. Jmerik, A. A. Toropov, A. Vasson, H. Amano, W. J.Schaff, Bo Monemar, and S. V. Ivanov, Optical properties of InN related to surface plasmons // Phys. Stat. Sol. (a) 2005 - Vol. 202, no. 14 - P. 2633-2641.

13. T. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, D. D. Solnyshkov, P. S. Kop'ev, A. Vasson, J. Leymarie, A. Kavokin, H. Amano, S. Kamiyama, M. Iwaya, I. Akasaki, H. Lu, W. J. Schaff,

14. A. Kasic, and B. Monemar, Mie Resonant absorption and infrared emission in InN related to metallic indium clusters // AIP Conf. Proc. 2005 - Vol. 772 - P. 263-264.

15. T. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, A. A. Toropov, A, Vasson, J. Leymarie, and P. S. Kop'ev, Plasmonic effects in InN-based structures with nano-clusters of metallic indium // Phys. Stat. Sol. (a) 2006 - Vol. 203, no. 1 - P. 13-24.

16. T. V. Shubina, J. Leymarie, N. A. Gippius, A. Vasson, V. N. Jmerik, B. Monemar, and S. V. Ivanov, Localized plasmons at pores and clusters within inhomogeneous indium nitride films // Phys. Stat. Sol. C -2007 -Vol. 4, no. 7 P. 2445-2448.

17. T. V. Shubina, S. V. Ivanov, V. N. Jmerik, A. M. Mizerov, J. Leymarie, A. Vasson, B. Monemar, and P. S. Kop'ev, Inhomogeneous InGaN and InN with In-enriched nanostructures // AIP Conf. Proc. 2007 - Vol. 893 - P. 269-272.

18. T. V. Shubina and M. M. Glazov, Fundamental parameters of InN versus non-stoichoimetry, Proc. 13 Int. Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" St. Petersburg, Russia -2005-P. 292-293.

19. D. S. Plotnikov, Т. V. Shubina, V. N. Jmerik, A. N. Semenov, and S. V. Ivanov, Optical absorption in periodic InN:In structures // Acta Physica Polonica A 2007 - Vol. 112, no. 2 -P. 191-196.

20. V. V. Ratnikov, Т. V. Shubina, R. N. Kyutt, T. Paskova, E. Valcheva, and B. Monemar, Bragg and Laue x-ray diffraction study of dislocations in thick hydride vapor phase epitaxy GaN films // J. Appl. Phys. 2000 - Vol. 88 - P. 6252-6254.

21. В. В. Ратников, P. Н.Кютт, Т. В. Шубина, Рентгеновское измерение тензора микродисторсии и анализ на его основе дислокационной структуры толстых слоев GaN, полученных методом хлоргидридной газофазной эпитаксии // ФТТ 2000 - Т. 42, по. 12-С. 2140-2146.

22. V. V. Ratnikov, R. N. Kyutt, Т. V. Shubina, Т. Paskova, Е. Valcheva, В. Monemar, X-Ray measurement of deformation tensor and analysis on its base of GaN layer dislocation structure // Surface 2001 - Vol. 10 - P. 101-104.

23. T.B. Шубина, Спектроскопия вюрцитных полупроводников с высоким пространственным и временным разрешением (лекция) // Труды международной зимней школы по физике полупроводников, 2005 - С.-Петербург-Зеленогорск - С. 38-43

24. S.V. Ivanov, A. El-Shaer, T.V. Shubina, S.B. Listoshin, A. Bakin, A. Waag, Growth kinetics and properties of ZnO/ZnMgO heterostructures grown by radical-source molecular beam epitaxy // Phys. Stat. Sol. (c) 2007 - Vol. 4, no. 1 - P. 154-157.

25. M- Kuball, J. W. Pomeroy, M. Wintrebert-Fouquet, K. S. A. Butcher, Hai Lu, W. J. Schaff, T. V. Shubina, and S. V. Ivanov, Resonant Raman spectroscopy on InN // Phys. Stat. Sol. (a)2005 Vol. 202, no. 5 - P. 763-767.