Исследование комбинационного рассеяния света в напряженных сверхрешетках на основе полупроводников GaAs-InAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РОССИИ СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

На правах рукописи

КУРОЧКИНА ТАТЬЯНА ВИКТОРОВНА

УДК 621.315.592

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В НАПРЯЖЕННЫХ СВЕРХРЕШЕТКАХ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ СаАз-ТпАэ.

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск 1993

Работа выполнена в Институте физики полупроводников Сибирского отделения Академии наук России

Научный руководитель: . кандидат физико-математических наук ГАЙСЛЕР В.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук СКОК Э.М.

кандидат физико-математических наук МАКАРОВ Е.А.

Ведущая организация: Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН г. Новосибирск

Защита состоится 14 декабря 1993г. 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. акад. Лаврентьева, 13).

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

Автореферат диссертации разослан 6 ноября 1993г.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прошедшее десятилетие в физике и технологии полупроводников было отмечено интенсивным развитием и исследованием полупроводниковых сверхрешеток. Высказанная около 30 лет назад идея искуственного создания периодических структур, обладающих необычными электронными и оптическими свойствами, не реализуемыми в природных веществах, получила жизнь одновременно с широким применением и совершенствованием технологии выращивания тонких пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии. В настоящее время уже накоплен большой экспериментальный материал, позволивший обнаружить и интерпретировать ряд интересных физических явлений. Это открывает новые возможности для приборных применений сверхрешеток (СР), в которых важную роль играют квантовомеханические эффекты. Наряду с экспериментальными работами развивались различные аналитические модели, позволившие дать теоретическое описание физических явлений, свойственнных электронной системе сверхрешеток. Исследование особенностей колебательных возбувдений в сверхрешетках было проведено несколько позднее. Первые работы, посвященные этому вопросу, появились в конце 70-х годов, а исследовательским инструментом стало комбинационное рассеяние света (КРС).

С помощью комбинационного рассеяния света можно определить многие фундаментальные параметры динамической системы: энергию, времд жизни, симметрию колебательных состояний. Частота и полуширина спектральных линий несет информацию о напряжениях, плотности дислокаций и разупорядоченности образующих сверхрешетку полупроводниковых материалов. Применение этого метода для подобных исследований, в основном, ограничивается большими экспериментальными трудностями получения спектров от тонких пленок. Использование мощных лазеров для возбуждения и чувствительной системы счета фотонов для регистрации света позволяет преодолеть эти трудности и открывает широкие возможности исследования столь "деликатных" структур бесконтактным и неразрушаюцим способом. '

Диссертационная работа посвящена изучению ранее не исследованных сверхрешеток на основе полупроводников ОаАз и 1пЛа, представляющих собой образец сильно напряженной системы. Эти

сверхрешетки принадлежат к тому же типу (то есть энергетический рельеф вдоль оси роста или оси сверхрешетки идентичен), что и ранее синтезированные сверхрешетки ОаАв-А1Аз, к настоящему времени наиболее исследованные. Это свойство, наряду со сходством электрооптических и механических параметров составляющих материалов создает предпосылки для качественного и количественного сравнения характеристик этих структур. Вместе с тем, СР СаАз-ГпАз имеют существенное отличие, которое видоизменяет условия формирования фононов в СР и приводит к появлению некоторых дополнительных особенностей в спектрах КРС. Речь идет о механических напряжениях, играющих немаловажную роль в преобразовании дисперсионной картины СР системы СаАа-ХпАа.

Для этой системы большая разница в постоянных решетки двух материалов (порядка 7%) приводит к тому, что слои испытывают сильное механическое напряжение, которое в ряде случаев, в частности, при превышении 1фитической толщины слоя, вызывает срыв псевдоморфного роста и нарушение качества растущей структуры. Для того, чтобы исследовать совершенные образцы, в качестве объектов были выбраны сверхрешетки, выращенные на подложке одного из полупроводников (GaA.Es или ХпАз) ориентации (100), структуру которых составляли регулярно чередующиеся слои произвольной толщины одноименного с подложкой полупроводника с тонкими (1-2 мономолекулярных слоя) слоями другого полупроводника. В этом случав можно считать, что механические напряжения сосредоточены только в тонком слое, а толстый остается недеформированным.

Таким образом, исследование комбинационного рассеяния света в ранее не изученной сверхрешеточной системе, имеющей особое взаиморасположение дисперсионных ветвей и имеющей необычное весовое сочетание композиционных полупроводников представляется весьма актуальным для получения новых знаний о природе веществ.

Целью данной работы является исследование особенностей комбинационного рассеяния света на продольных фононах в сверхрешетках на основе полупроводников ввАа-1пАа, кристаллический мотив которых содержит один или два чужеродных атома, а также выяснение особенностей локализации фононов в сверхтонких слоях сильно напряженных полупроводников, окруженных материалом с большей или меньшей по отношению к рассматриваемому слою атомной

массой.

На _завдту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования комбинационного рассеяния света в сверхрешетках двух видов, созданных на подложках GaAs И InAa, ПерИОД КОТОрЫХ МОЖНО ПреДСТЭВИТЬ как (GaAs)m(InAs)2 И (inAs)m(GaAs)2, где индексы m и 2 обозначают количество мономолекулярных слоев соответствующего полупроводника, m составляет от 6 до 30 монослоев.

2. Интерпретация спектральных особенностей и построение теоретической модели, в основе которой использован расчет динамики линейной цепочки атомов, имитирующей соответствующую сверхрешетку, позволивший получить хорошее согласование с экспериментальными данными и предсказать появление колебаний нового типа локализованных в слое GaAs СР (inAs)m(GaAs)2, акустических фононов, невозможных в других сверхрешетках.

3. Использование метода КРС для определения величины механических напряжений слоев и учет этой величины при сопоставлении расчетных и экспериментальных результатов, позволивший сделать вывод о перенормировке частоты оптических фононов, локализованных в слое

GaAs СР (InAs)m(GaAs)2, В ЗЭВИСИМОСТИ ОТ ТОЛЩИНЫ ЭТОГО СЛОЯ И

степени напряженности кристаллической структуры, а также изменении условий локализации фононов В слое GaAs СР (GaAs)m(InAs)2, приводящее к частичному проникновению колебаний в соседний слой

InAs.

4. Обнаруженное изменение условий запрета рассеяния на акустических фононах четного порядка в сверхрешетках, с периодом, образованным чередующимися полкпроводниками, толщины которых отличаются в несколько раз, которое выразилось в одновременном наблюдении в спектрах КРС рассеяния на четных и нечетных свернутых акустических фононах, затухание интенсивности которых слабо зависело от порядка свертки дисперсионной ветви. Построенная по экспериментальным данным дисперсионная зависимость показала хорошее совпадение с дисперсионной зависимостью .полученной по результатам рассеяния холодных нейтронов объемного GaAs.

5. Методика использования спектроскопии КРС для определения периода сверхрешеток с точностью „0.5& по спектрам рассеяния на акустических фононах.

Научная новизна работы. Основные экспериментальные данные получены впервые. Исследована новая система сверхрешеток СаАа-1пАе. Проведена регистрация и интерпретация спектральных особенностей рассеянного света как в области частот акустических фононов, так и в диапазоне оптических колебаний.

Выбор в качестве объекта исследования сверхрешеток с большим соотношением толщин слоев смежных полупроводников позволил обнаружить новые свойства рассеяния на колебательных возбуждениях:

- позволил одновременно зарегистрировать рассеяние на симметричных и антисимметричных свернутых акустических модах, запрещенное в других типах сверхрешеток;

- позволил пронаблюдать рассеяние на акустических фононах с волновыми векторами, захватывающими большую часть диапазона акустических колебаний объемного йвАв-,

- позволил обнаружить рассеяние на фононах разной симметрии, принадлежащих тонкому слою полупроводника с меньшей атомной массой по сравнению с соседним слоем.

Практическая ценность представленной диссертационной работы заключается в следупцем:

- предложен бесконтактный и неразрушающий метод определения величины механических напряжений в приповерхностном слое полупроводника, ограниченном глубиной поглощения возбуждающего света по смещению частоты продольного оптического фонона;

- предложен метод определения периода сверхрешетки и контроля ее совершенства по положению дублетного пика рассеяния на свернутых акустических модах;

- для проведения прецизионных исследований на поверхности полупроводника с высоким пространственным разрешением был создан микрозонд к спектрометрам КРС ДФС-24 и ДФС-52

использование экспериментальных данных рассеяния на акустических фононах в сверхрешетках (ваАв)гг(1пАз)г позволило построить акустическую дисперсионную ветвь для продольных фононов ваЛа, подтвердившую данные, полученные из экспериментов по рассеянию холодных нейтронов.

Апробация работы. Результаты, полученные в работе

докладывались на III Всесоюзной конференции по спектроскопии КРС (Душанбе,1986); IV Всесоюзной конференции по спектроскопии КРС (Ужгород,1989); III Международном симпозиуме по МВЕ (София,1989); XX Международной конференции по физике полупроводников (Салоники,1990); VI Международной школе "Новые физические проблемы в электронных материалах" (Варна,1990); V Международной конференции по сверхрешеткам (Берлин,1990); XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев,1990); на семинарах ИФП СО АН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 100 страницах (включая 25 рисунков) и списка литературы из 100 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РА60ТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются основные задачи исследования и дается краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе представлен обзор литературы, в котором дана характеристика метода комбинационного рассеяния света и описаны основные его закономерности применительно к объемным кристаллическим материалам со структурой цинковой обманки. Показано влияние некоторых внешних воздействий на кристалл, приводящих к изменению характеристик спектров КРС, в частности, механических напряжений. Результатом данной главы является введение основных понятий и математических выражений, используемых в последующих главах.

Кроме этого, в этой главе приведены общие представления о сверхрешетках, их классификация и место в ней исследуемой в диссертационной работе новой системы на основе полупроводников GaAs-inAs. Дан краткий обзор предшествующих исследовательских работ, результаты которых необходимы для изложения материала диссертации и математические модели, используемые для интерпретации экспериментальных результатов.

Для сверхрешеток на основе полупроводников GaAs, aias и их соединений было проведено большое количество экспериментов, в которых удалось обнаружить и в дальнейшем интерпретировать спектральные особенности КРС.

С точки зрения трансляционной симметрии сверхрешетка является контролируемым нарушением дальнего порядка ( по сравнению с объемным кристаллом) в отличив от его хаотического нарушения при амортизации полупроводника или введении большого количества примеси. Если d| и d2 - толщины смежных полупроводников, то период CP <3L=ci-t +d2. Ось, направленная нормально плоскости слоев называется осью сверхрешетки. Трансляционная симметрия объемного кристалла предполагает эквивалентность волновых векторов, отличающихся друг от друга на величину 2itm/a0: й'= к+2Wa0, где m - действительное целое число, а0 - постоянная кристаллической решетки. При появлении дополнительной периодичности d следует записать: й'= к+ (2Wa0) + (2Wd). Дополнительную периодичность можно представить в виде мини-зоны Бриллюэна с соответствующей трансляцией каждой точки дисперсионной зависимости на величину +2x/d (рис.1) [1]. Получившаяся "гофрированная" дисперсионная зависимость является сверткой фононных ветвей.

Появление дублетных пиков в спектрах рассеяния на акустических фононах имеет следующую причину. Для большинства полупроводниковых материалов, как и для многих других объектов физики твердого тела энергетический диапазон, в котором проявляется дисперсия акустических фононов одинаков, или перекрывается в значительной степени. Это означает, что в случае сверхрешетки, колебательное возбуждение может распостраняться через большое количество слоев. Поэтому можно сказать, что фонон принадлежит всему объему сверхрешетки, и при нахождении решений уравнения динамики следует учитывать как периодичность атомных слоев, так и периодичность повторения чередования "макрослоев", образующих CP и приводящих к "сворачиванию" зоны Бриллюэна. в мини-зону с границей, соответствующей волновому вектору в

спектрах КРС появляются дублетные пики (рис.1), имеющие низкочастотную (-) и высокочастотную (+) составляющие, относящиеся к рассеянию на "свернутых" акустических фононах (fa - folded

acoustic phonon)

и), си

г1

1«рс, отн.еЗ.

Рис.1 Иллюстрация образования "свернутой" мини-зоны Бриллюэна для продольных акустических фононов в сверхрешетке с периодом <1 (а) и типичный спектр комбинационного рассеяния в этой области частот (б).

О), СМ

-I

и), СП

■I

т=1 т=2 т=3

а.

¿Пэксп. I

^ 1к.рс,отн.е6.

?ис.2 Уровни квантования продольного оптического фонона в слое юлупроводника толщиной сЦ (а), дисперсионная зависимость локализованного фонона (б), спектр комбинационного рассеяния на юкализованных фононах нечетного порядка 00т (в).

д

различной симметрии. (-) - пик соответствует антисимметричным колебаниям относительно середины периода, а (+) - пик симметричным [2]. Вводя терминологию, принятую в спектроскопии КРС сверхрешеток, следует отметить еще такое понятие, как номер дублета. На рис.1 номер дублета показан цифрами I, 2, и т.д. Частоты дублетов соответствуют точкам пересечения вертикальной прямой линии, пересекающей ось абсцисс (ось волновых векторов) в точке Чэксп, равной волновому вектору возбуждающего света со "свернутой" дисперсионной зависимостью акустических фононов.

Появление серии пиков в области дисперсии оптических фононов было объяснено в рамках представлений о локализации или "квантования" оптического фонона в среде, ограниченной с двух сторон барьерами из полупроводника с иными электродинамическими свойствами. Главным моментом при анализе динамики CP на основе этих соединений можно считать то, что. области энергий, в которых имеет место дисперсия оптических фононов каждого из материалов, не перекрываются. Следствием этого является тот факт, что фонон, принадлежащий кристаллической решетке одного из полупроводников, составляющих CP, не в состоянии проникать в соседний слой и, в этом смысле оказывается "локализован" в пределах одного слоя (СО -confined optic phonon). Такой фонон обладает дискретным энергетическим спектром и его порядок квантования определяется количеством полуволн, приходящихся на расстояние, равное толщине одного из слоев составляющих СР. В соответствии с правилами отбора и условиями возбуждения в спектрах КРС проявляются пики, соответствующие фононам либо четного, либо нечетного порядка квантования (рис. 2).

Задача о фононах в CP допускает несколько модельных подходов, каждый из которых имеет свои достоинства и удобнее использовать в определенном частотном диапазоне. Для описания дисперсии в оптической области используют, как правило, модель линейной цепочки, которая учитывает дискретную природу кристалла и' несет информацию о затухании оптических фононов, однако она применима лишь для описания колебаний с волновым вектором, перпендикулярным слоям. Эта модель предсказывает, что оптические фононы локализуются в каждом слое и являются бездисперсионными колебаниями [3]. При низких частотах, когда решетку можно считать упругим континуумом, удобен подход Кронига-Пенни .использованный и

ю

разработанный для слоистых материалов в [4], который дает аналитические выражения для зонного спектра фононов.

Вторая глава является методической. В ней описана экспериментальная установка и исследуемые образцы. Приведена общая блок-схема измерительной установки, подробно описана оптическая схема микрозондовой приставки к спектрометру КРС, используемая для проведения исследований с высоким пространственным разрешением. Представлен метод определения величины механических напряжений в планарных структурах и приведены экспериментальные данные по смещению спектра КРС на оптических фононах при приложении внешнего давления разной интенсивности к тонкой полупроводниковой пленке.

Регистрация спектров комбинационного рассеяния на акустических фононах проводилась на спектрометре и-1000, уровень рассеянного света которого составлял 1°10-14 на расстоянии 20 см-1 от линии возбуждения. Сигнал КРС регистрировался с помощью СаАз фотоумножителя и системы счета фотонов и записывался на магнитный диск ЭВМ. Запись спектров осуществлялась посредством многократного пошагового сканирования в заданном частотном диапазоне с последующим сложением результатов отдельных сканов. Спектральное разрешение составляло „2 см-1.

Исследование КРС на оптических фононах в СР ОаАз-1пАз проводилось на спектрометре ДФС-52 с уровнем рассеянного света 1»Ю-8 на 20 см-1. Световой сигнал на выходной щели монохроматора регистрировался системой счета фотонов на основе ФЭУ-79. Спектр записывался в режиме однократного сканирования со спектральным разрешением 0.5 см-1.

При исследовании структур с рабочей поверхностью, имеющей ориентацию (100) использовались две поляризационные геометрии, в которых рассеяние на продольных фононах разрешено: параллельная и скрещенная [5]. При параллельной геометрии луч возбуждающего света направлялся квазинормально поверхности образца, вектор поляризации возбуждающего света Е1 выбирался параллельным кристаллографическому направлению <П0>. Из рассеянного света выбиралась составляющая с вектором поляризации ЕвЦ<110> и такая геометрия обозначена на рисунках (XX). Для реализации скрещенной геометрии использовали Е1||<100>, Ея||<010>. Такая геометрия обозначена (ХУ).

В этой главе даны также характеристики образцов исследованых

сверхрешеток, указан способ их изготовления и контроля совершенства по предложенному в данной работе методу определения периода сверхрешетки по спектрам рассеяния на акустических фононах.

Были выращены и исследованы два вида сверхрешеток. Сверхрешетки I вида выращивалась на атомарно чистой полуизолирущей подложке GaAs ориентации (100) [6]. На подложке выращивался гомоэпитаксиальный буферный слой толщиной 5000Á, после которого - сама чередующаяся структура сверхрешеткии с периодом d=doaAe+cLinAe• Период повторялся от 20 до 40 раз. Толщина слоя GaAs задавалась произвольной в соответствии с экспериментальными задачами. Толщина слоя inAs не превышала 2 монослоев („6Á). Характеристики образцов приведены в табл.1.

Сверхрешетки II вида выращивались на подложке p-inAs ориентации (100). Толщина буферного inAs слоя также составляла 50001, период сверхрешетки повторялся от 10 до 30 раз, соотношение толщин в пределах одного периода задавалось аналогично CP I вида, с тем условием,, что толщина слоя GaAs не превышала 2 монослоя. Характеристики этих сверхрешеток также приведены в табл.1.

Таблица I.

Образец Толщинг монослс GaAs )И / А Толщин? монослс InAs )И / А Число повторов Полная толщина

L 6 16.9 I 3.02 40 796.8 к

А 6 16.9 2 6.04 40 917.6 к

В 10 28.3 2 6.04 40 1373.6к

С 19 53.8 2 6.04 30 1759.2А

D 22 62.2 2 6.04 40 2729.6Á

Е I 2.82 10 30.2 20 660.4 Á

F 2 5.65 10 30.2 20 717.0 к

G 2 5.65 19 57.4 30 1891.5Á

Третья глава посвящена сравнительному анализу дисперсионных зависимостей полупроводников GaAs AiAs и inAs и сверхрешеток на их основе.

В строгом рассмотрении фононный спектр CP не может быть сведен к спектрам образующих CP полупроводниковых материалов, тем не менее сравнительный анализ дисперсионных зависимостей объемных материалов является весьма информативным для понимания механизмов формирования фононного спектра CP GaA3-inAs. На рис.3 приведены дисперсионные зависимости, полученные при решения задачи о колебании линейной цепочки атомов для фононов продольного типа в материалах GaAs. inAs. а также, для сравнения, в aias. По горизонтальной оси отложены вещественная (Reft) и мнимая сimk) части волнового вектора фонона к в единицах 2п/а0. Мнимая часть характеризует величину затухания колебания с данной частотой. Величина (imft)-1, обратная мнимой части волнового вектора, является глубиной проникновения колебательного возбуждения в кристалл. Например, для GaAs затуханию колебаний в пределах одного монослоя должна соответствовать 1т(й)=0.32(2х/ао). И наоборот, зависимость, которая представлена на рис.3, демонстрирует, что возбуждение с частотой ш «« 200 см-1 может распостраняться в данном материале на расстояние до 4-5 монослоев от гетерограницы, На рис.3 вертикальными штриховыми линиями отмечены значения imfc, которым соответствует глубина проникновения в один монослой 3Á), штрихпунктирными - два монослоя6Á).

Из рисунка также видно, что в низкочастотной области ход дисперсионных ветвей фононов практически одинаков для всех представленных полупроводников. Однако для пары GaAs-inAs, кроме интервала частот акустических фононов (la) от 0 до 120 см-1 где ветви перекрываются, имеется область (примерно от 150 до 180 см-1), где дисперсия фононов inAs определяется мнимой составляющей волнового вектора, то есть колебания, частоты которых попадают в этот интервал затухают в inAs. Для акустического фонона с частотой "160см-1 глубина проникновения в InAs составляет два монослоя. Таким образом, в этом интервале частот в CP GaAs-inAs возможно появление локализованных акустических колебаний СА (СА - confined acoustic phonon) в слоях GaAs лишь При условии, 6сли толщинэ InAs превышает два монослоя.

Рис.3 Дисперсионные зависимости Объёмных полупроводников GaAs, InAs, AlAs ДЛЯ действительных Re(ft) И МНИМЫХ Im(fe) значений волнового вектора. Вертикальными линиями отмечена глубина проникновения колебательного возбуждения на расстояние одного мономолекулярного слоя (штриховая линия) и двух слоев(штрихпунктир). На шлях отмечены области формирования различных фононов в сверхрешетках GaAs-AiAs (правое поле) И BaAs-InAa (левое поле): FA - folded acoustic phonon ("свернутый" акустический фонон); (СО - confined optic phonon (локализованный оптический фонон); FO - folded optic phonon (проникающий оптический фонон); СА - confined acoustic phonon (локализованный акустический фонон).

Механические напряжения в слоях влияют на частоту фонона каждого из полупроводников таким образом, что разница между ними уменьшается (разница в частотах фононов ненапряженных материалов составляет около 40 см-1). Для фононов с изменение частоты

можно оценить количественно: Ао) = от1 (а0ааАв/а01ПАв-1 + Ф

где ш - частота объемного фонона ненапряженного полупроводника (шааАв = 295см-1, o)inAs = 253 см-1); р, q - ангармонические константы [7]; Sij - константы податливости; а0 - постоянная кристаллической решетки соответствующего полупроводника. AwGaAe= - 20 см - слой испытывает растяжение ( кривая I рис.3) Ao)inAs= 28 см-1 - слой испытывает сжатие ( кривая и рис.3)

Смещения дисперсионных кривых отмечены на рис.3 штриховыми линиями. На практике считаем, что имеет место либо случай I, либо случай II Сильное сближение ветвей оптических фононов приводит в свою очередь к тому, что в дисперсионной картине CP GaAs-inAs появляется энергетический диапазон, где оптические фононы могут распостраняться по всему кристаллу, аналогично акустическим фононам, то есть, фактически, быть делокализованными. Здесь следует особо отметить, что этот тип колебательных возбуждений также не был обнаружен ранее и не может наблюдаться в сверхрешетках, образованных другими полупроводниками с широким энергетическим зазором между их оптическими ветвями, например, GaAs-AiAs. На рис.3 эта область обозначена аббревиатурой F0 (folded optic phonon) ПО анаЛОГИИ С-FA (folded acoustic phonon).

На левом поле рис.3 отмечены области частот, соответствующие различным акустическим и оптическим фононам для CP GaAs-AiAs. На правом поле отражены аналогичные области для CP GaAs-inAs.

Строгое рассмотрение вида дисперсионной зависимости для фононов в CP GaAs-inAs сделано с помощью выражений, полученных специально для CP, содержащих чередующиеся слои материала одного типа произвольной толщины d, и сверхтонкие слои материала другого типа толщиной d2=2 монослоям, при решении задачи о колебании линейной цепочки атомов. Получаемое дисперсионное уравнение для сверхрешеток типа (GaAs)m(inAs>2 имеет вид:

ASin(kS)Cos(qd)=BSin[kCd1-e)]+CSin[k(d1-2S)]+DSin[k(d1-3S)] (I) где: A=VT]X7; в=(фг-уг)«(и-7)2-2хфг)((р+7)+'пгхг;

c=27 [ (фг -г>г) (ф+7) -Т)фх ]; Б=(ф2-^г)72; v=(-ß)(MAew2-2a)-1; T)=(-ß)(MAeU2-a-ß)-1; %=(-a)(MAstü2-a-ß)-1; 7=(-а)(МАвшг-2а)-1; Ф=(-а)-1 (Ма»шг-2а)+х; ip=(-ßr1 (Mi„co2-2ß)+T)+v. Min- масса атома индия , Маа - масса атома галлия, Mas - масса атома мышьяка; ß - упругая постоянная связи in-As, а - упругая постоянная связи Ga-As, о> - частота гармонического колебания, к -волновой вектор в объемном материале, входящем в СР с толщиной d1 (в данном случае GaAs), q - волновой вектор в СР, d - период СР. к и q являются комплексными величинами.

При вычислении дисперсии фононов в сверхрешетке с толстым слоем inAs типа dnAs)m(GaAs)2 в формулах делаются замены а о р и Min MaÄ. Дисперсионные зависимости, полученные для двух типов сверхрешеток, приведены в пятой главе.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального и теоретического исследования.комбинационного рассеяния света на продольных акустических фононах в сверхрешетках GaAs-inAs.

В акустическом диапазоне интенсивности fA фононов задаются выражением:

Im+ = Am-2Sin2imnd,/d)[l+n(ti}m+)3ü)m+ (2)

где: m - номер дублета, ш - его частота, индексы (+) и (-) при номере m относятся к высокочастотным и' низкочастотным пикам дублета, d - период СР, п(со+) - распределение Бозе-Эйнштейна, А -коэффициент пропорциональности, включающий нормировочный множитель и отношение коэффициентов фотоупругости в смежных слоях.

Из соотношения (2) можно определить затухание интенсивностей FA дублетов при увеличении т. В ранее опубликованных работах исследовались полупроводниковые СР с d^da, в этом случае затухание велико: интенсивность второго дублета ( как и всех четных ) равна нулю, интенсивность третьего дублета за счет фактора ш-2 почти на порядок меньше интенсивности первого дублета и так далее. В том случае, когда отношение d,/d2 велико и RuvtkT выражение (2) преобразуется к виду:

Im+ = А1С^ ( d-| /d) ^kTR ^ (3)

т.е. интенсивность не зависит от номера т. Таким образом, в эксперименте можно наблюдать незатухающие по интенсивности как

четные так и нечетные дублеты во всем диапазоне свертывания акустических ветвей.

Экспериментально в области частот акустических фононов для СР I и II видов были обнаружены дублетные пики, положение которых хорошо согласуется с расчетными частотами, определенными в соответствии с формулой (2) рис.4. Наиболее интересным представляется спектр образца Б:(СаАз)гг(1пАз)г, позволивший зарегистрировать 7 дублетных пиков. Этот эксперимент позволил, применив затем процедуру, обратную свертке зоны Бриллюэна, построить дисперсионную зависимость продольного акустического фонона, показавшую хорошее совпадание с экспериментально полученной ранее методом рассеяния холодных нейтронов дисперсионной зависимостью объёмного ваАз.

Кроме этого, анализ полученных спектров отчетливо демонстрирует, что незначительное изменение периода СР приводит к заметному сдвигу частот ка-дублетов, позволяющее использовать данные КРС для определения параметра а исследуемых сверхрешеток с точностью „ 0.5 А. Флуктуации периода сверхрешетки Да в пределах анализируемой области на поверхности пластины приводят к уширению ра-пиков, тем самым значения полуширин пиков могут быть использованы для оценки параметра Ас1.

Резюмируя материал четвертой главы, отметим, что в ней показано изменение правил отбора по четности для фононов в сверхрешетках с большим отношением толщин смежных слоев. Получена зависимость интенсивности рассеяния от отношения толщин слоев двух материалов и параметров фотоупругости. Показано изменение спектров КРС акустических фононов при деградации сверхрешеточной структуры. Предложен метод контроля периода серхрешетки и качества гетерограниц, позволяющий оценивать этот параметр с точностью до 0.5 монослоя. На основании экспериментальных данных построена дисперсионная зависимость продольного акустического фонона объемного материала ваАз в области, превышающей половину зоны Бриллюэна.

Пятая глава содержит исследование комбинационного рассеяния свбта на продольных оптических фононах. Экспериментальные спектры, приведены на рис.5 и 6. Проведенные поляризационные и резонансные эксперименты при температурах Т = 300, 77 и ЮК позволили

Рис.4 Спектры комбинационного рассеяния на продольных акустических фононах в сверхрешетках типа (InAs)m(GaAs>2 О) И (GaAs)m(InAs)г (б-д), условия измерения: Т=300К, Л.1=514нм, поляризационная геометрия Х()Х, спектральное разрешение (-§-) показано в секторе (д). Ось ординат соответствует интенсивности (1КрС) сигнала комбинационного рассеяния в относительных единицах, dala, data -

(disorder activated longitudial acoustic phonon И disorder activated transverse acoustic phonon), -

особенности, возникающие вследствие нарушения закона сохранения волнового вектора при

разупорядочении кристаллической структуры Для сверхрешеток роль структурных несовершенств играют многочисленные гетерограницы а также периодическое изменение структуры (чередование слоев различных полупроводников). Треугольниками отмечены интенсивности дублетных составляющих, вычисленные по формуле (2) и нормированные на интенсивность (-) пика первого дублета.

интерпретировать наблюдаемые в спектрах КРС особенности как рассеяние на локализованных продольных оптических фононах.

Оптическая область дисперсионной зависимости сверхрешетки (СаА8)22(1пАз)г. полученной из выражения (I), представлена на рис 5.6 Наклон ветвей дисперсионной зависимости йш/с^о свидетельствует о том, что рассматриваемые колебания не являются стоячими волнами, строго локализованными в слое ввАа. Возбужденные колебания проникают в слой 1пАа, но поскольку он очень тонок, то в данном типе сверхрешетки реализуется промежуточный случай между локализованными и проникающими фононами.

Учет механических напряжений вызывает увеличение степени наклона ветвей (Зш/сЩ, и, вместе с этим дает лучшее согласие вычисленных частот с экспериментальными данными. На рис.5а стрелками указаны теоретически полученные значения частот локализованных оптических фононов и проставлены номера, являющиеся порядком квантования, то есть соответствующие СО!, С03, и так далее в порядке уменьшения частот пиков, вплоть до С013.

Величину остаточной деформации растяжения е слоев вааа, характеризующий совершенство структуры, удается контролировать по смещению пика со, относительно частоты фонона в объемном ваАз с учетом вклада в смещение частоты, обусловленного эффектом локализации. Величина е варьируется от образца к образцу. В среднем е для исследованных структур составляет „0.2%, что хорошо согласуется со значениями, определенными методом электронной микроскопии. ^ .

В сверхрешеткаг второго вида тонкий слой образован полупроводником, атомы которого имеют меньшую массу по сравению с альтернативными слоями и, соответственно, большую частоту оптических колебательных состояний. Колебания, возбужденные с такими частотами не могут проникать в смежные слои, следовательно в этой области сформированы условия для строгой локализации фононов. В спектрах КРС удалось обнаружить пики рассеяния на фононах-, принадлежащих сверхтонким слоям.

На рис.6а изображен спектр КРС сверхрешетки (1пАз)10(ааАз)г содержащий три пика, два из которых являются рассеянием на колебательных возбуждения симметрии А, и В2, локализованных в

Хкрс, отн.ей.

ХУ ,1 Л,-«»»* ц т-гтк 5 9 и а. ч.

Л к

ЛпОДм Т «ЙК !Л1 1 1 БчЛ.^ГпА, 3 1 1 / V \

(и А. И

2П ЯИ

290

280

290 Щ*

Рис.5 Спектры комбинационного рассеяния света на оптических фононах в сверхрешетках типа (ОаАв)ю(1пАа)г (а) и дисперсионные зависимости полученные при решении уравнения (I) без учета механических напряжений слоев СР (СаАБ)22(1пАз)г (сплошная линия) и (СаАв)б(1пАв)г (штриховая ЛИНИЯ) (б).

к

57

& 4

ь). см'

240

2$0

в,

гТо щслг

Рис.6 Спектры комбинационного рассеяния света на оптических фононах в сверхрешетке (1пАе)10(СаАв)г (а) и дисперсионные зависимости полученные при решении уравнения (I) без учета механических напряжений слоев (штриховая линия) и при учете 7% деформации слоя ваАз (сплошная линия) (б).

сверхтонком слое СаАз, соответствущие двум Оездисперсионным решениям уравнения (I) (рис. 66). Для идентификации спектров были проведены исследования сверхрешеток, имеющих различную толщину слоя ваАз и было обнаружено, что частота высокочастотного пика сильно зависит от этого парметра и то мере уменьшения толщины слоя приближаются к частоте локальных возбуждений атомов ва в растворном соединении 1пхСа., _хАб. [8] Проведенный расчет и построение дисперсионных зависимостей сверхрешеток, содержащих ОаАв в виде монослойных барьеров подтвердили этот факт. Для сверхрешеток типа (1пАз)т(0аАз)1 (на которых также был зарегистрирован спектр рассеяния на свернутых акустических фононах рис.46) удается наблюдать рассеяние на локализованных фононах, принадлежащих мономолекулярному слою ОаАв.

Первоначальное значительное рассогласование экспериментальных данных с рассчитанными частотами (рис.66 штриховая линия) было устранено введением в уравнение (I) измененных констант жескости связи атомов, соответствующих состоянию механически напряженного тонкого слоя (сплошная линия).

Выводы диссертации состоят в следующем:

1. Впервые исследована новая напряженная сверхрешетка на основе полупроводников СаАз-1пАз, в которой были экспериментально обнаружены и, на основании проделанных теоретических расчетов, интерпретированы спектральные особенности в акустической и в оптической областях частот.

2. На основе модели линейной цепочки получены аналитические выражения дисперсии продольных фононов в сверхрешетках, содержащих сверхтонкие слои (толщиной I и 2 мономолекулярных слоя) одного их полупроводников, позволяющие учитывать влияние механических напряжений.

3. Построенные дисперсионные зависимости сверхрешеток, и совокупность экспериментальных данных позволили сформулировать представление об изменении условий локализации оптических фононов в исследованной системе, а также обнаружить локализованные акустические фононоы - новый тип колебательных возбуждений, не наблюдаемый в других -классах ранее исследованных сверхрешеточных систем.

4. Впервые было исследовано комбинационное рассеяние света в

сверхрешетках, имещих отношение толщин смежных слоев оолее 2, из-за чего стало возможно наблюдение новых явлений, запрещенных в сверхрешетках другой конфигурации. Обнаружено, что для акустических фононов изменился закон затухания интенсивности рассеяния на фононах, соответствующих четному и нечетному порядку свертки дисперсионной зависимости, что позволило зарегистрировать спектры, содержащие одновременно четные и нечетные дублеты. В оптическом диапазоне в сверхрешетках с толстым слоем inAs обнаружено рассеяние на свернутых оптических фононах и локализованных в тонком слое GaAs фононах, энергия которых сильно изменяется в зависмости от толщины слоя и величины механических напряжений.

5. Предложены методы определения периода сверхрешетки и контроля ее совершенства по положению дублетного пика рассеяния на свернутых акустических модах и величины деформации слоев по смещению спектра рассеяния на оптических фононах.

В заключении определен личный вклад автора, указана апробация работы и список работ, в которых представлены основные результаты диссертации, а также список цитированной литературы.

Основные результаты представлены в следующих работах:

1. Гайслер В.А., Курочкина Т.В. . Установка для локальной спектроскопии комбинационного рассеяния света полупроводниковых структур. Приборы и техника эксперимента, N4, 1988, стр.170-172

2. Шебанин А.П., Гайслер В.А., Курочкина Т.В.,Мошегов Н.Т., Стенин С.И., Торопов А.И. Свертка ветвей акустических фононов в сверхрешетках GaAs-InAs, Письма в ЖЭТФ, т.49, вып.6, 1989, стр.349-351

3. Афанасьев С.А., Гайслер В.А., Курочкина Т.В. Рамановская пьезотопография кремниевых мембран, Тезисы iv Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света, Ужгород, 1989, стр. I20-I2I

4. Гайслер В.А., Говоров А.О., Курочкина Т.В., Мошегов Н.Т., Стенин С.И., Торопов A.M., Шебанин А.П. Raman scattering in GaAs-InAs SL", труды 20 международной конференции по физике полупроводников",Greece, Thesaloniki, 1990, стр.1417-1420

5. Гайслер В.А., Говоров А.О., Курочкина Т.В., Мошегов Н.Т., Стенин С.И., Торопов A.M., Шебанин А.П. Фононный спектр сверхрешеток GaAs-InAs, ЖЭТФ, т.98, вып.З, N9, 1990, стр.1081-1092

6. Гайслер В.А., Говоров А.О., Курочкина Т.В.,Марков В.А., Мошегов

H.Т., Пчеляков О.П., Соколов Л.В.,, Стенин С.И., Торопов А.И., Шебанин А.П. Synthesis and Raman investigation of strained superlattices, Superlattices and microstruotures, т.10, N3, 1991, стр.279-283.

Цитированная литература

I. M.Cardona Superlattices and microstruotures, 5, 1, 27, 1989

2. J.Sapriel, J.C.Michel, J.C.Toledano, e.a. Phys.Rev., B. 28, 2007, 1983

3. R.Puch, K.L.Kliewer Phys.Rev.,140, A 2076, 1965

4. S.M.Rytov Akust.Zh., 2, 71, 1956

5. Loudon R. Adv. Phys. 13, 52, 423, 1964

6. Кантер Ю.О..Торопов А.И.,Ржанов А.В.,Стенин С.И..Гаврилова Т.А. Поверхность, N9, с.83-87, 1986

7. F.Cerdeira, G.J.Buchenauer, F.H.Pollak, M.Cardona Phys. Rev., B, 5, 2, 580, 1972

8. K.Yamazaki, M.Yaniada, K.Yamamoto, K.Abe, Jap.J.Appl.Phys., 23, 6, 681, 1984

Т.В. Курочкина

Исследование комбинационного рассеяния света в напряженных сверхрешетках на основе полупроводников GaAs-InAs

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 27.10. 1993 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1,2 печ.л., 1,0 уч.-изд.л. Тираж 120 экз. Бесплатно. Заказ № 91

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. академика Лаврентьева, 11.