Исследование фононного спектра полупроводниковых сверхрешеток GaAs/AlAs методом комбинационного рассеяния света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

; I ОД 2 9 ЛОР иаб

на правах рукописи

Тэннэ Дмитрий Атович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОНОННОГО СПЕКТРА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕРХРЕШЕТОК ОаАз/А1А5 МЕТОДОМ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА.

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск, 1996.

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Гайслер В.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Синюков М.П.

кандидат физико-математических наук Макаров Е.А.

Бедущай организация: Институт автоматики и электрометрии

Сибирского отделения РАН

Защита состоится 21 Л'/И.. 1996 г. в 15 часов на заседании специализированного совета К.003.05.01 по присуждению ученой степени кандидата наук при Институте физики полупроводников Сибирского отделения РАН (630090, г. Новосибирск-90, пр. Лаврентьева, 13).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики-полупроводников СО РАН.

Автореферат разослан 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физ.;мат. наук, профессор

А.В.ДБуреченский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.- -Значительный прогресс в-полупроводниковой технологии в последние 15 лет сделал возможным создание вы-" сококачественных многослойных полупроводниковых структур с любой заданной толщиной слоев, вплоть до моноатомных. Появление таких структур открыло новое направление физики твердого тела, связанное с исследованием физических явлений в условиях пониженной размерности.

Структуры с периодически повторяющимися слоями различных материалов получили название сверхрешеток (СР). Интерес к ним обусловлен принципиально новыми физическими свойствами, возникающими вследствие эффектов размерного квантования электронного и фононного спектра в направлений нормально к слоям СР. При исследовании этих эффектов модельными являются СР, состоящие из Чередующихся слоев ВаАз и А1Аз, поскольку эти материалы.имеют хорошо согласующиеся постоянные решетки, что позволяет выращивать высококачественные гетероструктуры с любой толщиной слоев и совершенными границами. Сверхрешетки уде получили применение для создания ряда новых- электронных и оптоэлектронных приборов, что является стимулом для дальнейшего исследования физических явлений в них.

Наряду с электронными.свойствами структур с пониженной размерностью представляет интерес также исследование их колебательного спектра. С точки зрения динамики кристаллической решетки СР является принципиально новой системой, фононный спектр которой существенно отличается от спектров образующих ее объемных материалов. Одним из наиболее информативных методов исследования фононного спектра как в объемных полупроводниках, так и в СР является спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС). Этот метод широко применяется для исследования элементарных возбуждений в твердых телах (фононов, плазмонов, магнонов), и взаимодействий между ними.

К моменту начала данной работы основные особенности колебательного спектра СР (свертка ветвей акустических фононов, локализация оптических фононов, образование интерфейсных фононов) были исследованы достаточно подробно. Однако ряд существенных вопросов оставался неизученным. В частности, недостаточно иссле-

дован был фононный спектр СР QaAs/AlAs в области частот AlAs. Имевшиеся экспериментальные данные о локализованных оптических фононах в AlAs были очень немногочисленны и противоречивы. Определенный интерес представляло исследование особенностей КРС в СР со сверхтонкими слоями AlAs и б спаренных квантовых ямах GaAs, разделенных тонким барьером AlAs. Экспериментально не было изучено влияние электрического поля на спектры КРС в СР GaAs/AlAs. Наконец, вопросы зависимости фононного спектра от структурных параметров СР и использования спектроскопии КРС для контроля этих параметров тоже не были проанализированы достаточно детально. В связи с этим были сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Летальное исследование эффектов локализации оптических фоно-нов в слоях AlAs сверхрешеток GaAs/AlAs методом КРС. Анализ дисперсии L0 фононов объемного AlAs на основе данных КРС о локализованных оптических фононах.

2. Исследование особенностей КРС на оптических фононах в сверх-решегках ßaAs/AlAs со сверхтонкими слоями AlAs и в структурах со спаренными квантовыми ямами. Изучение правил отбора для процесса КРС в этих 'структурах.

3. Изучение влияния электрического поля на спектры резонансного КРС в СР GaAs/AlAs. Количественный анализ интенсивности линий КРС на локализованных оптических фононах в зависимости от приложенного поля с учетом деталей электрон-фононного взаимодействия, определение доминирующего механизма рассеяния.

4. Исследование зависимости фононного спектра СР GaAs/AlAs от структурных параметров СР (период, толщины слоев компонентов, толщина переходного слоя на гетерограницах). Разработка метода решения обратной спектральной задачи - определения структурных параметров на основе данных спектроскопии КРС о частотах фононов в СР.

Цель данной диссертационной работы состоит в решении сформулированных выше задач.

Научная новизна работы. Большинство основных экспериментальных результатов работы получено впервые.

Детальное исследование спектра локализованных L0 фононов в

слоях AlAs сверхрешеток GaAs/AlAs позволило надежно подтвердить существующие'данные микроскопического расчета дисперсии L0 фоно-нов объемного AIAs, полученные из первых принципов. Полученные экспериментальные результаты представляются весьма значимыми, поскольку из-за нестабильности AIAs затруднено его исследование методом рассеяния холодных нейтронов.

Впервые наблюдалось нерезонансное КРС одновременно как на нечетных, так и на четных локализованных L0 фононах в структурах GaAs/AlAs со спаренными квантовыми ямами, а также в СР со сверхтонкими слоями AlAs. Приведено объяснение нарушения правил отбора в .процессе КРС.

Впервые проведено экспериментальное исследование влияния электрического'поля на спектры резонансного KFC в СР GaAs/AlAs. Приложение электрического поля позволило уточнить некоторые детали электрон-фононного взаимодействия, в частности, изучить роль фрелиховского взаимодействия, индуцированного дефектами.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что разработан локальный, бесконтактный и неразрушающий метод контроля ряда важных структурных параметров СР (период, толщины слоев компонентов, ширина переходного слоя на гетерограни-цах) на основе данных КРС о частотах свернутых акустических и локализованных оптических фононов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на:

XIII Международной Конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Бюрцбург, Германия, 1992).

I Международной Конференции по физике структур с пониженной размерностью (Черноголовка, 1Э93).

XIV Международной Конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Гонконг, 1994).

22 Международном Симпозиуме по составным полупроводникам (Чеджу, Корея, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в конце реферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 133 страницах (включая 34 рисунка и 1 таблицу), и списка литературы из 94 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Бо введении обоснована актуальность теш, сформулированы основные задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность решаемых задач, а также приведено краткое содержание диссертации по главам.

Первая глава является обзорной. Б ней излагается современ-ное"состояние теоретических и экспериментальных исследований фо-нонного спектра многослойных полупроводниковых структур.

Рассматриваются различные модели, описывающие динамику кристаллической решетки периодических структур. В рамках этих моделей обсуждаются основные особенности колебательного спектра СР, отличающие его от спектров объемных материалов. Б низкочастотной области спектра фононные дисперсионные ветви материалов, составляющих СР (в данном случае ваАз и А1Аз) всегда перекрываются, и акустические Фонолы могут распространяться через всю СР. Однако наличие дополнительной периодичности в направлении нормально слоям СР приводит к свертыванию ветвей дисперсии акустических фононов в пределах мши-зоны Бриллюэна. В области оптических фононов частотные диапазоны БаАз и А1Аз разделены значительным интервалом (вследствие большого различия V - атомов (За и А1), поэтому оптические колебания БаАз не проникают б слои А1А5, и наоборот. Оптические фононы оказываются локализованными в слоях одного материала и их спектр становится квантованным. В каждом слое формируется дискретный набор мод, частоты которых соответствуют частотам объемного материала с волновыми числами, равными шп/+ где т - номер моды, <1\ - толщина слоя, 3 -параметр, описывающий проникновение фонона в соседние слои другого материала. Помимо локализованных оптических фононов в СР, образованных полярными полупроводниками, существуют моды, распространяющиеся параллельно плоскости гетерограниц, а в направлении оси СР их амплитуда экспоненциально затухает в слоях обоих материалов. Такие моды получили название интерфейсных фононов.

- б -

Их существование связано с макроскопическими электрическими полями, сопровождающими распространение оптических фононов в полярных кристаллах.

В этой главе описываются также основные закономерности процесса комбинационного рассеяния света на колебаниях кристаллической решетки объемных полупроводников и сверхрешеток. Рассматривается проявление в спектрах КРС свернутых акустических фононов, .локализованных оптических л интерфейсных фононов. Анализируются правила отбора для процесса КРС в CP GaAs/AlAs, обусловленные симметрией системы. Показано, что в СР,- выращенных'в направлении (001) в геометрии обратного рассеяния six, у;я, наблюдается нерезонансное КРС на локализованных L0 фононах нечетного порядка. (Обозначение z(x,y)z означает, что волновой вектор падающего фотона направлен вдоль оси z (нормально к плоскости слоев), а вектор поляризации - вдоль оси к, а для рассеянного фотона эти вектора имеют направления -z и у соответственно, т.е. поляризации падающего и рассеянного света взаимно перпендикулярны) Этот процесс обусловлен электрон-фононным взаимодействием через деформационный потенциал. КРС на четных локализованных L0 фононах, обусловленное фрелиховским взаимодействием, возможно в параллельной геометрии z(x,x)z. В нерезонансных условиях интенсивность КРС, обусловленного фрелиховским взаимодействием, мала по сравнению с рассеянием через деформационный потенциал, . однако в условиях , резонанса (когда энергия падающего или рассеянного фотона близка к энергии реального электронного перехода) фрели-ховский механизм становится доминирующим.

Во второй главе приводится описание установки для регистрации спектров КРС, исследуемых образцов и условий эксперимента.

В данной работе для регистрации спектров КРС использовалась установка, собранная по традиционной схеме лазерных спектрометров, и состоящая из следующих основных блоков: источника возбуждающего излучения, осветительной системы, монохроматора, и приемника излучения с системой накопления и обработки спектральной информации. Для возбуждения-КРС использовался аргоновый лазер с длиной волны 514.5 нм: При проведении экспериментов по резонансному КРС использовались перестраиваемые лазеры на кристаллах сапфира, легированного титаном, и на красителях, накачиваемые

аргоновым лазером. Спектры КРС регистрировались на спектрометрах ДЗС-52 и ЛоЫп Ууоп Ш.000, представляющих собой двойные монохро-маторы с охлаждаемым фотоэлектронным умножителем, работающим в режиме счета одиночных фотонов.

Исследуемые образцы сверхрешеток ОаАз/Ыкв были выращены в ; ИФП СО РАН методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках ваАз,- ориентированных в направлении (001). Толщины сдоев 0аД5 и А1А5 контролировались в процессе роста методом регистрации осцилляции зеркального рефлекса при дифракции быстрых электронов на отражение. Число периодов СР составляло от 30 до 100 для раз-■ личных образцов.

Спектры КРС записывались при температуре 77 и 295 К в геометрии квазиобратного рассеяния (т.е. волновые вектора падающего и рассеянного света внутри образца направлены почти нормально к поверхности, а .угол между ними близок к 180 градусам). При наблюдении КРС на акустических фононах образцы помещались в вакуумную камеру для устранения рассеяния на молекулах воздуха.

Третья глава посвящена исследованию эффектов локализации продольных оптических фононов в сверхрешетках 0аА5/А1Аз. (Поскольку в СР ОэАб^МАз, выращенных в направлении (001), поперечные оптические фононы неактивны в процессе КРС в геометрии обратного рассеяния, далее в работе они не рассматриваются)

В этой главе.представлены результаты детального исследова-. ния методом КРС фононного.спектра СР ОаА5/А1Аз в области частот . А1Аз и анализ дисперсии ЬО фононов А1Аз. Изучение КРС на локали-' зованных оптических фононах в СР позволяет получать информацию о дисперсии фононов в составляющих ее объемных материалах; Эта .возможность является особенно важной для А1Аз, поскольку из-за нестабильности этого материала затруднено исследование объемного А1Аб другими методами, в частности, методом рассеяния холодных нейтронов.

Однако наблюдение КРС на локализованных фононах в слоях А1Аб сопряжено с определенными трудностями. В области частот А1А5 спектры, как правило, менее интенсивны, чем в (ЗаАз. Кроме . того, помимо ЬО фононов спектры СР содержат широкую спектральную . особенность, .обусловленную интерфейсными фононами, проявление которой является следствием неидеальности гетерограниц. Это су-

¡цественно затрудняет наблюдение или осложняет правильную интерпретацию пиков локализованных оптических фононов выше первого порядка. Экспериментальные результаты, представленные в данной работе, .были получены на специально отобранных образцах наиболее совершенных СР (ЗаАз/А1Аз. Критерием выбора являлось отсутствие интерфейсной особенности в спектрах КРС (как в СаАг, так и в А1Аз области), что позволило спектрально разрешить пики локализованных ЬО фононов А1Аэ порядка 1 - 5. Полученные-данные о дисперсии ЬО фононов объемного А1АЭ хорошо согласуются с наиболее точной имеющейся на сегодняшний день теоретической дисперсионной зависимостью, полученной из первых принципов.

Исследованы также спектры А1Аз фононов в ряде СР со сверхтонкими слоями А1Аэ (толщина слоя ОаАз составляла 8 монослоев, а слоя А1Аз - 3, 2, 1, 0,5 монослоя). Эти спектры показывают эволюцию локализованного в слое А1Аз ЬО фонона в локальный фонон атома А1 в ВаАБ. В СР, где толщина слоев А1А5 составляет 3 и 2 монослоя, частота ЬО моды находится в пределах дисперсии ЬО фононов А1Аз, т.е. в этих СР фонон еще может рассматриваться как локализованный ЬО фонон в слое А1Аэ. По мере уменьшения толщины слоев А1Аэ частота ЬО фонона уменьшается и приближается к частоте локального колебания атома А1 в БаАз, наблюдавшегося в спектре твердого раствора 0аА1Аз с малой концентрацией А1 (около IX).

В СР со сверхтонкими слоями А1Аг исследованы также ЬО фонолы, локализованные в слоях ОаАБ. В СР, где толщина слоя А1Ая составляет 1 и 0.5 мойослоя, наблюдалось нерезонансное КРС одновременно как на нечетных, так.и на четных локализованных ЬО фононах в геометрии г(х,у)г, т.е было обнаружено нарушение правил отбора, описанных в главе 1, в то время как спектры СР с 2я 3 монослоями А1АЭ содержали только пики нечетных мод. Для объяснения этого факта были выдвинуты два предположения. Первое заключается в том,что если толщина слоев А1Аз составляет всего 1 монослой,то ЬО фононы ОаДБ могут проникать через такие тонкие барьеры и становятся делокализованными. Однако рассчитанное отношение интенсивностей Ь01 и ЬОг пиков, равное - ДО2, не соответствует экспериментальным данным. (В эксперименте наблюдаются примерно равные интенсивности этих пиков). Второе предположение основано на том, что даже в наиболее совершенных СР всегда имеют место флуктуации толщины слоев величиной монослой, и в слу-

чае, когда толщина слоя AlAs составляет всего 1 монослой, это приводит к тому, что в некоторых областях этот слой вообще отсутствует. В системе появляется разупорядоченность, которая в целом не изменяет колебательный спектр СР, однако приводит к тому, что наряду с процессами с сохранением волнового вектора, приводящими к рассеянию на нечетных локаливованных L0 фононах, становятся возможными процессы рассеяния с нарушением закона сохранения волнового вектора. (Под несохранением волнового вектора здесь подразумевается нарушение соотношения ks = A'i ± д, связывающего волновые вектора фонона (q), падающего (kt) и рассеянного (As) света) В этом случае спектр КРС должен содержать вклад, пропорциональный плотности фононных состояний в СР, и становится возможным появление в спектрах КРС пиков, соответствующих четным локализованным L0 фононам. Следует заметить', что' в СР, "В которых толщина слоя AlAs составляет 2 и более монослоев, флуктуации толщины порядка одного монослоя приводят к образованию областей, где слой AlAs отсутствует, с гораздо меньшей вероятностью. Этим объясняется то, что в спектрах КРС СР, содержащих 2 и 3 монослоя AlAs, пиков, соответствующих четным локализованным L0 фононам, не наблюдается.

, Нерезонансное КРС одновременно как на нечетных, так и на четных локализованных L0 фононах наблюдалось также в структуре со спаренными квантовыми ямами (КЯ), состоящей из 40 периодов (GaAs)i2(AlAs)3(GaAs)i2(AlAs)i2, каждый период представлял собой две квантовые ямы GaAs, разделенные тонким барьером AlAs. В этом случае нарушение правил отбора связано с особенностями симметрии огибающих электронных волновых функций и потенциалов, /создаваемых фонолами. В данной структуре имеются две квантовые ямы GaAs, разделенные барьером AlAs толщиной 3 монослоя. Для фононов этот барьер является достаточно толстым (глубина проникновения L0 фонона GaAs в сдой AlAs составляет ~ 1 монослой), и смещения атомов, а следовательно и создаваемые фононами потенциалы"; имеют практически такой же вид, как и для одной изолированной ямы, сохраняя симметрию относительно центра каждой из ям в отдельности. Электроны же легко могут проникать через барьер в 3 ыонос-лоя, и их огибающие волновых функций имеют симметрию всей системы в целом, т.е. относительно плоскости, проходящей через центр тонкого AlAs барьера. Таким образом,правила отбора, которые сле-

дуют из симметрии огибающих электронных волновых функций и создаваемых фононами потенциалов, нарушается, и в спектрах КРС как в нерезонансных, так и в резонансных условиях должны проявляться и четные, и нечетные локализованные L0 фононы. Однако в спектре резонансного КРС структуры со спаренными КЯ нечетные фононы не наблюдаются, что объясняется наличием дополнительного механизма рассеяния - фрелиховского взаимодействия, индуцированного дефектами. Более, подробно этот механизм рассмотрен в следующей главе. Его проявление в резонансных условиях приводит к тему, что в спектрах КРС доминируют четные локализованные LO фспоны.

В четвертой главе представлены экспериментальные результаты исследования елияния злеотркчесгсого поля на спектры резонансного КРС в СР GaAs/AlAs. Изучение интексивностей KFC дает)внформацио об деталях' электрон-фоконного взаимодействия в СР. Приложение электрического поля производит хорого известное изменение огибающих электронных золноеых функций, позволяя, следовательно, изучать электрон-фононное взаимодействие.

Исследовано резонансное КРС з ряде СР GaAs/AlAs при различных значениях электрического поля. Как.отмечалось в глазе 1, в резонансных условиях в процессе КРС доминирует фрелнховский механизм, и в спектрах проявляются четные локализованные L0 фононы. Приложение электрического поля в направлении нормали к слоям нарушает симметрию электронных волновых функций и приводит к изменению интенсивности рассеяния на локализованных оптических,фононах. Экспериментально наблюдались следужцяэ черты эволюции спектров КРС при приложении электрического поля: значительноз уменьшение интенсивности комбинационного рассеяния на четных ло-1 кализованных L0 фононах при увеличении поля; рост интенсивности интерфейсных фононов, и появление пиков ТО фононов как в GaAs. так и в AlAs области. Однако появление в спектрах нечетных локализованных L0 мод не наблюдалось даже при больших значениях приложенного электрического поля.

Полученные экспериментальные данные анализируются на основе расчета интенсивности КРС, обусловленного фрелиховским взаимодействием между локализованными L0 фононами и экситонами в квантовых ямах. Рассчитаны зависимости интенсивности рассеяния на различных локализованных L0 модах от электрического поля.

Результаты расчетов для простого процесса рассеяния с участием одного фонона существенно расходятся с экспериментальными данными. В частности, из этого расчета следует резкое увеличение интенсивности рассеяния на нечетных локализованных ЬО модах и при приложении паля, не наблюдавшееся в эксперименте.

• На сохранения квазиимпульса для процессов с участием одного фонона в геометрии обратного рассеяния следует, что волновой вектор фонона, участвующего в процессе КРС, направлен' вдоль нормали к слоям (ось г), а его компонента, параллельная плоскости слоев (дху) равна нулю. Однако проявление в спектрах КРС ТО и интерфейсных фононов подтверждает возможность рассеяния на фоно-нах с дху * О. Кроме того, рассеяние, через простой однофононный фрелиховский механизм запрещено в случае перпендикулярных поляризаций падающего и рассеянного света. Но в такой геометрии наблюдались спектры, такой же формы и со сравнимой интенсивностью, как и в параллельной геометрии (т.е. только четные локализованные ЬО моды и интерфейсные фононы).

Для объяснения этих фактов рассмотрен процесс рассеяния более высокого порядка, включающий, помимо электрон-фононного взаимодействия, упругое рассеяние электронов на примесях или дефектах. (фрелиховское взаимодействие, индуцированное дефектами). В случае нелегированных СР более вероятным можно считать рассеяние на дефектах гетерограниц. Участвующий в таком процессе фонон может иметь отличную от нуля компоненту дху. Показано, что этот механизм рассеяния является доминирующим в резонансных условиях. Расчет интенсивности КРС на локализованных ЬО фононах в зависимости от электрического поля, проведенный с учетом фрелихрвского взаимодействия, индуцированного дефектами гетерограниц, дает хорошее согласие с экспериментальными данными, объясняя тот факт, что нечетные локализованные ЬО моды не наблюдались в спектрах КРС; даже при больших значениях прикладываемого электрического воля, а также в спектрах резонансного КРС структуры со спаренными квантовыми ямами (глава 3). Только наличие в процессе КРС дополнительной стадии упругого рассеяния на дефектах может объяснить присутствие в спектрах КРС интерфейсных и ТО мод, поскольку рассеяние на них возможно только при условии наличия у фонона ненулевой компоненты волнового вектора дху'. Наблюдавшееся в эксперименте рассеяние на через фрелиховский механизм в перпендику-

лярной геометрии, запрещенное для однофононного процесса, тайке становится возможным при учете роли дефектов.

Проявление механизма рассеяния с участием дефектов объясняет также форму резонансного профиля (зависимости интенсивности пиков L0 фононов от энергии возбуждающего лазерного излучения). Резонансный профиль для всех исследованных образцов имеет максимум в области выходного резонанса с leih зкситоном (т.е. когда энергия рассеянного света совпадала с энергией экситона, образованного из первой электронной подзоны и первой подзоны тяжелых дырок), а пик входного-резонанса гораздо слабее. Процесс.с. учас-' тием только фонона, наоборот, предсказывает, что входной резонанс будет сильнее выходного.

Таким образом, полученные экспериментальные данные хорошо описываются теорией для процессов'КРС с участием дефектов гете-рограниц, в то время как результаты расчета для простого однофононного процесса не соответствуют ряду экспериментальных фактов. Это позволяет сделать вывод, что в процессе резонансного КРС на оптических фононах в квантовых ямах доминирующим является механизм рассеяния с участием дефектов.

В пятой главе рассматривается влияние неидеальности гете-рограниц на фононный спектр сверхрешеток. В рамках одномерной модели проведен расчет частот акустических и оптических фононов сверхрешеток GaAs/ AI As в.зависимости от структурных параметров СР (периода, толщин слоев компонентов, толщины переходного слоя на гетерограницах). Результаты расчета использованы для анализа экспериментальных данных о частотах фононов, полученных методом КРС в ряде СР GaAs/AlAs с ориентацией (001). Описана процедура решения обратной спектральной задачи (т.е. определения структурных параметров из данных КРС о фононном спектре), продемонстрирована. однозначность ее решения и проанализирована точность определения структурных параметров СР на основании данных КРС.

Как говорилось в главе 1, наличие дополнительной периодичности в направлении роста СР приводит к свертыванию ветвей акустических фононов, что проявляется в спектрах КРС в виде ряда дублетных пиков. В работе показано, что наличие переходного слоя на гетерограницах не оказывает существенного влияния на частоты акустических фононов, и основным структурным фактором, определя-

здрш ил, является период СР.

Оптические колебания в СР локализованы в пределах одного слоя, поэтому их частоты -зависят от структурных особенностей данного слоя. В идеальных СР частоты локализованных оптических Кононов определяются дисперсией соответствующего объемного материала и зависят только от грдщины сдоя. Однако в экспериментах йо КРС наблюдается несоответствие частот локализованных мод и значений, подученных из объемной дисперсии. Это объясняется тем, что в реальных СР на гетерограницах всегда имеется разупорядо-ченность, т.е переходные слои, содержащие атомы обоих материалов. Наличие шероховатости гетерограниц оказывает влияние на спектр оптических колебаний С?.

В данной работе приводятся результаты расчета частот локализованных (ЗаАг Ю фононов в СР в зависимости от ширины переходных слоев на гетерограницах. Расчет проведен для квантовых ям ОаАз шириной от 5 до 20 ыоносдоев, поскольку в таких ямах в спектрах КРС отчетливо видны пики различных локализованных Ю фононов. Для расчета использовалась модель линейной цепочки, учитывающая взаимодействие атомов с ближайшими и следующими соседями. В материалах с кристаллической решеткой типа цинковой обманки (ЗаАз, А1Аз) в плоскостях, нормальных * к направлению (001) содержатся только атомы одного типа (катионы (8а, А1) либо анионы (Аг). Поэтому для фононов, распространяющихся в направлении (00.1) смещения, атомов одинаковы во всем монослое, и задача сводится к одномерному случаи. Получаемые в этой модели дисперг сии оптических фононов объемных материалов хорошо соответствуют результатам микроскопического расчета, проведенного из первых принципов, а также данным рассеяния нейтронов в баАэ.

В СР 6а^/А1Аз катионы могут быть двух типов: (За либо А1, в го время как анионы (Аз) повсюду одинаковы. Для описания перемешивания катионов на гетерограницах вводятся вероятности заполнения соответствующих моносдоев атомами (За (Р(ьО или А1 (Рд1 - 1 -Роз.). При этом смещение катионов слоя 1 записывается в виде

VI - Рол. 11/<За. 1 + 1-

Соответствующим образом усредняются также параметры модели (массы, силовые константы). Эта модель правильно описывает поведение твердых растворов 6ахА11-хАз (Р&а - х постоянна по всему образцу), в частности, их двухмодовый характер. Рассчитанные частоты

локализованных оптических фононов в идеальных СР также соответствуют значениям, полученным из микроскопического расчета.

Для описания переходного слоя на гетерограницах, 'используется функция ошибок, так что' вероятность заполнения катионных слоев атомами Ga вблизи гетерограницы задается выражением:

РЫг) = [1 + erf(z/W)]/8 Координата 2 здесь отсчитывается от граничного слоя атомов As, параметр W - параметр, описывающий ширину переходного слоя.

Результаты проведенных расчетов'свидетельствуют о сильном изменении частот локализованных оптических фононов как в GaAs, так и в AlAs при увеличении толщины переходного слоя.

В реальной СР профили гетерограниц GaAs-AlAs (переход от .GaAs к AlAs в процессе роста, так называемая,прямая гетерограни-ца) и AlAs-GaAs (рост GaAs на AlAs, обратная граница) могут отличаться. В работе было просчитано влияние асимметрии профилей гетерограниц на частоты локализованных оптических фононов, и показано, что это влияние незначительно. Фактором, определяющим частоты локализованных оптических фононов, является значение толщины переходного слоя, усредненное по обеим гетерограницач.

Решение обратной спектральной задачи, т.е. определение структурных характеристик СР по данным спектроскопии КРС о частотах фононов, основывается на результатах проведенных расчетов. Для точного определения периода СР используются экспериментальные значения частот свернутых акустических фононов.

Рассчитанные зависимости частот локализованных оптических фононов от толщины слоев GaAs и переходных слоев позволяют определять эти два параметра по дачным о фотонных частотах. Проанализированы экспериментальные данные.КРС для большого количества образцов СР с различными толщинами слоев. Эти'данные хорошо описываются в рамках предложенной модели фюнонного спектра СР.

Аналогичная процедура определения толщины слоя AlAs и параметра V может быть осуществлена на основе экспериментальных значений частот фононов, локализованных в слоях AlAs. Однако, разрешение в спектрах КРС локализованных' AlAs L0 фононов часто бывает затруднено вследствие слабой дисперсии L0 фононов AlAs и наличия в спектрах интенсивной особенности интерфейсных фононов (как говорилось в главе 3). Толщина слоя AlAs может определяться как разность периода и толщины слоя GaAs.

Таким образом, экспериментальные данные о частотах фононов, подученные методом КРС, позволяют определять совокупность структурных параметров сверхрешеток: период;" толщины сдоев GaAs и AlAs, толщину переходных слоев на гетерограницах. Точность определения структурных параметров СР оценивается нами как - 0.15 nm (0.5 монослоя). Эта величина получена с учетом точности определения частот фононов из спектров КРС и погрешностей в"расчетах прямой спектральной задачи. Структурные параметры, определяемые из решения обратной спектральной задачи на основе данных КРС, находятся в хорошем соответствии с данными дифракции рентгеновских лучей и электронной микроскопии с атомарным разрешением. Это позволяет заключить, что предложенный метод пригоден для количественной' характеризации структурных параметров сверхрешеток.

Основные результаты и выводы

1. Детально исследован фононный спектр сверхрешеток GaAs/AlAs в диапазоне оптических фононов AlAs. Полученные данные о дисперсионной -зависимости L0 фононов объемного AlAs подтверждают результаты микроскопического расчета. Получены экспериментальные данные о частотах L0 фононов в сверхтонких слоях AlAs, которые показывают эволюцию локализованных AlAs L0 фононов в локальные колебания атома AI в GaAs.

2. Исследованы особенности комбинационного рассеяния света на локализованных оптических фононах в структурах GaAs/AlAs со спаренными квантовыми ямами. Впервые наблюдалось нерезонансное рассеяние одновременно как на нечетных, так и на четных локализованных L0 фононах. Нарушение правил отбора объясняется различием симметрии электронных волновых функций и фонон-ных потенциалов, обусловленным разной глубиной проникновения электронов и фононов в барьер AlAs.

8. Изучены эффекты локализации оптических фононов GaAs в сверхрешетках GaAs/AlAs со сверхтонкими слоями AlAs. При уменьшении толщины слоя AlAs до одного монослоя наблюдалось появление в спектрах комбинационного рассеяния запрещенных линий чётных локализованных L0 фононов наряду с нечетными. Предложено объяснение этого факта, состоящее в наличии механизма рассеяний, обусловленного дефектами (флуктуации толщины сло-

ев, приводящие к.отсутствию в некоторых-областях слоя AlAs).

4. Проведено экспериментальное исследование влияния электрического поля на процесс резонансного комбинационного рассеяния света в квантовых ямах GaAs/AlAs. Экспериментальные результаты проанализированы на основе расчета зависимости от электрического поля интенсивности рассеяния на локализованных оптических фононах, обусловленного фрелиховским механизмом элект-рон-фононного взаимодействия. Показано, что экспериментальные данные хорошо описываются теорией для процессов КРС с участием дефектов гетерограниц, в то время как результаты расчета для простого однофононного процесса не соответствуют ряду экспериментальных фактов. На основании этого подтвержден вывод о том, что в процессе резонансного комбинационного рассеяния в квантовых ямах доминирующим является фрелиховское взаимодействие, индуцированное дефектами гетерограниц.

5. Изучено влияние разупорядоченности гетерограниц на фононный спектр сверхрешеток GaAs/AlAs. Показано, что наличие переходного сдоя на гетерограницах не оказывает существенного влияния на частоты акустических фононов. Частоты локализованных оптических фононов, напротив, сильно зависят от толщины переходного слоя. При этом влияние асимметрии профиля прямой и обратной гетерограниц на фононный спектр незначительно, и фактором, определяющим частоты локализованных оптических фононов, является значение толщины переходного слоя, усредненное по обеим гетерограницам.

6. На основе расчета фононного спектра сверхрешеток GaAs/AlAs в зависимости от структурных параметров (период, толщины слоев компонентов сверхрешетки и переходных слоев) разработан метод, позволяющий определять зти параметры из данных "комбинационного рассеяния света. Значения структурных параметров, определенные из спектров КРС, хорошо согласуются с данными дифракции рентгеновских лучей и электронной, микроскопии высокого разрешения.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Гайслер В.А., Тэннэ Д.А., Мошегов Н.Т., Торопов А.И., Шебанин А.П., Номероцкий Н.В. Контроль периода и резкости гетерограниц

полупроводниковых сверхрешеток методом комбинационного рассеяния света - Письма в ЖТФ, 1991, т.17, вып.15, стр.84-88.

2. Shields A.J., Trallero-Giner С., Cardoria М., Halsler V.A., Tenne.D.A. , Moshegov N.T., and Toropov A.I. Electric field, effects on resonant Raman spectroscopy of quantum wells. -Proceedings of the XIII International Conference on Raman Spectroscopy, Wurzburg, Germany, 1992, p.858-859.

3. Shields A.J., Trallero-Giner C., Cardona M., Grahn H.T., Ploog K., Haisler V.A., Tenne D.A., Moshegov N.T., and Toropov A.I. Resonant Raman scattering in GaAs/AlAs superlattices under electric fields. - Phys.Rev.B, 1992, v.46, 11, p.6990-7001.

4. Гайслер В.А.,-Тэннэ Д.А., Говоров A.O., Мошегов H.T., Торопов А.И., Шебалин А.П. Особенности комбинационного рассеяния света в структурах GaAs/ÄlAs со спаренными квантовыми ямами - Письма В КЭТФ,- 1993, т.57, вып.1, стр. 51-54.

5. Гайслер,В.А., Тэннэ Д.А., Говоров А.О., Бакаров А.К., Торопов -А.И., Шебанин А.П. Комбинационное рассеяние света на LO

. фононах в сверхрешетках GaAs/AlAs со сверхтонкими слоями AlAs. - Письма в ЖЭТФ, 1993, т.57, вып.4, стр. 222-224.

6. Haisler V.A., Tenne D.A., Govorov А.О., Moshegov N.T., Bakarov А.К., Toropov A.I., and Shebanin A.P. Raman study of electronrphonon interaction in GaAs/AlAs superlattices and quantum wells. - Physics of low-dimensional structures, 1994, ДО, p.1-7.

7. Tenne D.Ä., Haisler V.A., Govorov A.O..Moshegov N.T., Bakarov A.K., Toropov A.I., and Shebanin A.P. Specific features of Raman scattering in GaAs/AlAs-coupled quantum wells and superlattices with ultrathin AlAs layers. - Proceedings of the XIV International Conference on Raman Spectroscopy, Hong Kong 1994, Additional volume, p.121-122.

8. Гайслер В.А., Тэннэ Д.А., Мошегов H.T., Торопов А.И., Маираховка И.И., Шебанин А.П. Локализованные оптические фононы в слоях AlAs сверхрешеток GaAs/AlAs. - Письма в ЖЭТФ, 1995,

т.61, вып.5, стр. 371-374.

9. Tenne D.А.,, Haisler V.А., Moshegov N.T., Toropov А. I., Marakhovka 1.1., and Shebanin A.P. Confined AlAs LO phonons in GaAs/AlAs superlattices. - Proceedings of the 22 International Symposium on Compound Semiconductors, Korea, 1995.

Подписано в печать 12.04.96 Зхэртт 60x84/16

Печ.листов 1,1. Заказ К' 60 Тираж 85

Отпечатано на ротапринте Института натаяиза СО РАН, Новосибирск 90.