Оптические исследования полупроводниковых структур на основе нитридов металлов III группы и разработка количественных методик их диагностики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

/

Учреждение Российской академии наук

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ МЕТАЛЛОВ III ГРУППЫ И РАЗРАБОТКА КОЛИЧЕСТВЕННЫХ МЕТОДИК ИХ ДИАГНОСТИКИ

специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ДАВЫДОВ ВАЛЕРИИ ЮРЬЕВИЧ

Санкт-Петербург 2009

004600826

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор ВИНОГРАДОВ Евгений Андреевич Институт спектроскопии РАН

доктор физико-математических наук, профессор КРАСИЛЬНИК Захарий Фишелевич Институт физики микроструктур РАН

доктор физико-математических наук, профессор ПИСАРЕВ Роман Васильевич Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится « 22 » апреля 2010 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.205.01 при ФТИ им. А.Ф. Иоффе по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке института.

Автореферат разослан« 15 » марта 2010 г.

Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета, \_J\jyA

кандидат физико-математических наук А.А. Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Значительный интерес к исследованию физических свойств полупроводниковых соединений на основе нитридов металлов III группы обусловлен их большой практической значимостью. Ш-нитридные полупроводники (AIN, GaN, InN и их твердые растворы AlGaN и InGaN) очень перспективны для создания оптоэлектронных приборов, работающих в широком диапазоне спектра, от ультрафиолетового до инфракрасного, сверхъярких твердотельных источников белого света, различных электронных полупроводниковых устройств, работающих при высоких температурах и высоких частотах, а также элементов одно- и многокаскадных солнечных батарей. Однако, несмотря на большой прогресс в технологии роста этих соединений, достигнутый в последние два десятилетия, они все еще имеют значительный уровень дефектности. Вследствие этого информация о многих фундаментальных физических свойствах данных полупроводников не только ограничена, но и весьма противоречива. Недостаточность фундаментальной информации, в свою очередь, тормозит создание высококачественных гете-роструктур, которые необходимы для развития практических приложений.

Одной из наиболее важных фундаментальных физических характеристик кристалла является фононный спектр, поскольку он определяет многие термодинамические свойства материала, кинетику носителей, а также оптические свойства процессов с участием фононов. Спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) света относится к одному из главных источников информации о динамике кристаллической решетки. В то же время природа процесса КР такова, что в процесс вовлекаются как колебания кристаллической решетки, так и электронные состояния. Легирование примесями, наличие структурных дефектов и деформаций - все это оказывает значительное влияние на колебательные и электронные состояния. Переход от трехмерных объектов к объектам с пониженной размерностью радикальным образом сказывается на их колебательных и электронных свойствах. Динамика кристаллической решетки и электронные состояния изменяются особым образом в твердых растворах, которые используются в качестве элементов гетеро- и наноструктур. В результате спектроскопия КР предоставляет широкие возможности не только для изучения фундаментальных характеристик фононно-го спектра, но и для количественной диагностики исследуемых объектов. Эффективность метода и надежность интерпретации данных КР существенно повышается при комплексном изучении, включающем фотолюминесцентные (ФЛ), структурные и электрофизические измерения, выполненные на тех же образцах, которое дополнено теоретическим моделированием исследуемых эффектов и явлений. Такие исследования, несомненно, являются актуальны-

ми как в научном, так и в прикладном аспектах, поскольку они не только способствуют расширению наших знаний о фундаментальных физических свойствах новых полупроводниковых соединений, перспективных для электронных и фотонных приложений, но и содействуют разработке технологии получения высококачественных структур с заданными свойствами.

Цель работы, объекты и методы исследования. Целью диссертационной работы являлось изучение фундаментальных физических свойств, явлений и процессов, определяющих колебательные и электронные свойства структур на основе III-нитридных полупроводников, выявление микроскопических механизмов, обусловливающих природу этих свойств и процессов и разработка количественных методик диагностики 111-нитридных структур.

Исследованные объекты включали: исходно нелегированные эпитакси-альные слои AIN, GaN и InN; эпитаксиальные слои InN, легированные Mg; эпитаксиальные слои твердых растворов AlGaN и InGaN во всем диапазоне составов; сверхрешеточные структуры GaN/AIN и GaN/AlGaN, выращенные в широком диапазоне толщин составляющих их слоев и с различным содержанием А1 в слоях твердого раствора, входящего в сверхрешетку (СР).

Для достижения указанной цели были проведены комплексные исследования, включавшие в себя методы рассеяния света, ФЛ, оптического поглощения, рентгеноструктурных и электрофизических измерений, сопровождавшиеся теоретическим моделированием полученных результатов, что являлось гарантией получения новой и достоверной научной информации.

В экспериментальных исследованиях основное внимание было направлено на детальное изучение спектров КР гексагональных AIN, GaN и InN и установление связи между фононными спектрами и структурными характеристиками исследуемых объектов; на детальное изучение спектров КР твердых растворов AlGaN и InGaN и исследование влияния флуктуаций составов на колебательные спектры; на обнаружение размерных эффектов и установление связи между фононными спектрами и структурными характеристиками таких систем пониженной размерности как СР GaN/AIN и GaN/AlGaN; на детальные исследования динамики кристаллической решетки образцов InN, легированных акцепторными примесями; на исследование спектров межзонного оптического поглощения и межзонной ФЛ в InN; на исследования зависимости ширины запрещенной зоны InGaN от состава и степени ее отклонения от линейности; на исследование эффектов, вызванных присутствием примесей, в спектрах КР в области полярных оптических и акустических фо-нонов.

Теоретические исследования включали в себя: модельные расчеты дисперсионных кривых фононов и функций плотности состояний фононов

(ФПСФ) AIN, GaN и InN; развитие теории, описывающей упругое рассеяние фононов на флуктуациях состава твердых растворов AlGaN; компьютерное моделирование фононного спектра СР GaN/AIN и GaN/AlGaN и анализ собственных векторов фононных мод, ответственных за появление линий в спектрах КР; компьютерное моделирование колебательных состояний гексагонального InN при наличии примесей замещения или вакансий катионов/анионов; анализ спектров ФЛ и межзонного оптического поглощения в InN и твердых растворах InGaN; рассмотрение эффектов в рассеянии света в области полярных оптических и акустических фононов, вызванных присутствием примесей; теоретико-групповой анализ симметрии фононов в GaN и A1N по всей зоне Бриллюэна (ЗБ); теоретико-групповой анализ симметрии фононов в кристаллах InN с точечными дефектами молекулярного типа.

Важной особенностью проведенной работы являлось тесное взаимодействие с большим количеством технологических групп, как российских, так и зарубежных, что дало возможность произвести целенаправленный отбор образцов, выращенных различными методами. Другая существенная особенность работы заключалась в том, что на основании результатов комплексных исследований осуществлялась оптимизация технологических режимов роста III-нитридных структур, что в конечном итоге позволило получить высококачественные объекты, предназначенные для задач исследования.

Научная новизна и практическая значимость работы. Новизна результатов, полученных в ходе выполнения работы, подтверждается тем, что большинство из них являются приоритетными в своей области. Так, например, впервые были рассчитаны такие фундаментальные характеристики фононного спектра, как дисперсионные кривые акустических и оптических фононов и ФПСФ для гексагональных GaN, AIN и InN. Впервые был выявлен характер модово-го поведения всех оптических фононов в гексагональных твердых AlGaN и InGaN во всем диапазоне составов. Было выполнено первое экспериментальное и теоретическое исследование фононного спектра в гексагональных сверхрешетках GaN/AIN и GaN/AlGaN. Впервые были выполнены систематические экспериментальные и теоретические исследования динамики кристаллической решетки слоев InN, легированных акцепторными примесями. Впервые была обнаружена интенсивная люминесценция в InN вблизи края фундаментального поглощения в ближней ИК области и доказан межзонный характер ее происхождения. Впервые было установлено, что ширина запрещенной зоны InN при низких температурах и нулевой концентрации свободных носителей близка к 0.67 эВ, а не равна 1.86 эВ, как считалось ранее. Было выполнено одно из первых исследований зависимости ширины запрещенной зоны InGaN от состава во всем диапазоне концентраций твердого раствора. Впер-

вые были установлены такие фундаментальные параметры, как энергии продольных оптических фононов гексагонального InN в Г-точке зоны Бриллю-эна. Основная научная значимость работы заключается в фундаментальном характере проведенных исследований и полученных результатов.

Практическая значимость исследований заключается в том, что полученные результаты представляют интерес для технологии получения III-нитридных структур с заданными свойствами для электронных и оптоэлек-тронных устройств широкого профиля. Так, например, установление межзонной природы ИК фотолюминесценции в InN и нового значения ширины запрещенной зоны открыло новые перспективы использования InN и твердых растворов на его основе в электронике, оптоэлектронике и солнечной энергетике. Данные, полученные в результате экспериментальных и теоретических исследований, были использованы для создания новых количественных методик диагностики, которые способствовали развитию технологии роста высококачественных бездефектных III-нитридных гетеро- и наноструктур.

Приоритетный характер, достоверность, практическая значимость результатов, полученных в ходе исследований, и надежность разработанных методик диагностики подтверждены высоким индексом цитирования публикаций, в которых они представлены. В результате проведенных исследований создано новое научное направление - колебательная спектроскопия полупроводниковых структур на основе нитридов металлов III группы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Дисперсионные кривые фононов и функции плотности состояний фононов гексагональных AIN, GaN и InN, полученные в результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований, адекватно отражают динамику кристаллической решетки этих соединений.

2. Спектральное положение края собственного поглощения гексагонального InN зависит от концентрации электронов в нем (эффект Бурштейна-Мосса). Инфракрасная фотолюминесценция вблизи края фундаментального поглощения InN имеет межзонную природу.

3. В пределе малых концентраций электронов и низких температур ширина запрещенной зоны гексагонального InN равна 0.67±0.01 эВ. Экспериментальные спектры поглощения и фотолюминесценции хорошо согласуются с результатами модельных теоретических расчетов, выполненных в предположении непараболической зоны проводимости, где эффективная масса электрона в Г-точке m *=0.07т0.

4. Функция Eg(x)-3.49-2.84x-bx(l-xj с большим параметром прогиба Ь=2.5±0.1 эВ хорошо описывает зависимость ширины запрещенной зоны твердых растворов InxGai_,N от состава во всем диапазоне концентраций.

5. Резонансное комбинационное рассеяние 1-го порядка, индуцированное примесями, позволяет восстановить дисперсии полярных оптических и акустических фононов в InN в широком диапазоне волновых векторов путем измерения частоты фонона как функции энергии возбуждающего фотона. Частоты продольных оптических ветвей ArfLO) и E:(LO) гексагонального InN в Г-точке зоны Бриллюэна равны 592±1 см"' и 604±1 см"' соответственно.

6. Эффект сосуществования локализованных и делокализованных мод в колебательном спектре гексагональных сверхрешеток GaN/AIN и GaN/AlGaN дает возможность количественно оценить величину деформации в слоях структуры, долю AI в слое твердого раствора, а также соотношение между толщинами индивидуальных слоев в этих низкоразмерных структурах.

7. Изучение зависимости параметров оптических фононных мод твердых растворов AlGaN от концентрации позволяет проводить количественную диагностику состава и микроструктуры этих соединений.

8. Количественная оценка тангенциальной и нормальной составляющих деформации в эпитаксиальных слоях гексагонального GaN и количественная оценка концентрации и подвижности свободных носителей заряда в »-GaN может быть получена из анализа их поляризованных спектров KP.

Результаты диссертационной работы, могут быть использованы при фундаментальных исследованиях гетеро- и наноструктур на основе Ш-нитридов и при разработке новых технологий выращивания таких структур в различных научных учреждениях Российской Академии наук.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на 39 Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах: 8-й Всероссийской конференции по физике полупроводников, Екатеринбург, Россия, 2007, (приглашенный доклад); Первом российско-тайваньском симпозиуме по нитридным полупроводникам (JSNS-2005), С.Петербург, Россия, 2005 (приглашенный доклад); VI Международной конференции "Материалы и устройства для среднего ИК диапазона" (MIOMD-VI), С.-Петербург, Россия, 2004 (приглашенный доклад); 2-ом Международном совещании по нитридным полупроводникам (IWN2002), Аахен, Germany, 2002 (приглашенный доклад), V-й Всероссийскиой конференции по физике полупроводников, Нижний Новгород, Россия, 2001 (приглашенный доклад); Международных симпозиумах "Nanostructures: Physics and Technology" (Минск, Белоруссия, 2009; Владивосток, 2008; Новосибирск, 2007, С.Петербург, 2006, 2005, 2004, 2003, 2000, 1999); Международной конференции "Комбинационное рассеяние - 80 лет исследований", Москва, 2008; Международных конференциях по нитридным полупроводникам (ICNS: Las-Vegas, USA, 2007; Bremen, Germany, 2005; Nara, Japan, 2003; Montpellier, France,

1999; Tokushima, Japan, 1997); Международных конференциях по физике полупроводников (ICPS: Vienna, Austria, 2006; Flagstaff, USA, 2004; Jerusalem, Israel, 1996); Международных совещаниях по нитридным полупроводникам (IWN: Kyoto, Japan, 2006 ; Pittsburgh, USA, 2004; Nagoya, Japan, 2000); Осенней сессии Европейского материаловедческого общества (EMRS Fall Meeting 2005), Warsaw, Poland, 2005; Всероссийских конференциях по физике полупроводников (Москва, 2005; С.-Петербург, 2003; С.-Петербург, 1996); Всероссийских конференциях "Нитриды галлия, индия и алюминия-структуры и приборы"(Москва, С.-Петербург, 2008, 2007, 2005, 2004,2003); Зимней школе по физике полупроводников, С. Петербург-Зеленогорск, 2005; 11-й Международной конференции "Рассеяние фононов в твердых телах" (Phonons-2004), С.-Петербург, 2004; Ежегодных Всероссийских симпозиумах "Нанофотони-ка"(Нижний Новгород, 2004, 2003); VIII Российско-Германском симпозиуме по точечным дефектам в изоляторах и глубоким центрам в полупроводниках, С.-Петербург, 2003; 3-ей Европейской конференции по карбиду кремния и сопутствующим материалам (ECSCRM 2000), Kloster Banz, Germany, 2000; 20-ой Международной конференции по дефектам в полупроводниках (ICDS20), San Francisco, USA, 1999; Международной конференции по карбиду кремния и III-нитридным полупроводникам (ICSCIII-N'97), Stockholm, Sweden, 1997.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 57 работах, включая две обзорные публикации в научных журналах и две обзорные главы в книгах. Библиографический список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертаиии. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка цитируемой литературы из 184 наименований и списка основных работ автора по теме диссертации. Объем диссертации составляет 352 страницы, включая 110 рисунков, 22 таблицы и библиографию.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении кратко изложены причины высокого научного и практического интереса к III-нитридным полупроводникам, дан анализ современного состояния исследований их колебательных и электронных состояний, обоснована актуальность темы исследований, определены изучаемые объекты, сформулирована цель и перечислены задачи, которые необходимо решить, приведены основные полученные результаты, их научная новизна и практическая значимость, перечислены основные положения, выносимые на защиту, а также кратко изложена структура диссертации.

Глава 1 "Спектроскопия КР гексагональных GaN и A1N" посвящена особенностям измерений спектров КР 1-го порядка GaN и A1N. В ней также приводятся результаты исследований влияния деформаций и присутствия свободных электронов на спектр КР //-GaN.

При равновесных условиях роста Ш-нитридные полупроводники кристаллизуются в гексагональной структуре и принадлежат к пространственной группе симметрии C*v(P63mc) с четырьмя атомами в элементарной ячейке. Согласно теоретико-групповому анализу в Г-точке, в спектре КР 1-го порядка можно наблюдать 6 оптических мод: E2(Iow),A,(TO), Е,(ТО), E2(high),At(LO), и Ei(LO) [1,2]. Значения частот всех фононных мод, разрешенных в спектрах КР, были измерены с высокой точностью при комнатной и гелиевой температурах на высококачественных эпитаксиальных слоях, лишенных деформаций (рис.1). В настоящее время эти данные входят в справочную литературу. В рамках соотношения Лиддана-Сакса-Теллера £,/сх=(о)и/о>го), с использованием значений частот продольной (coLo) и поперечной (о>,о) оптических мод симметрии Ai и Ei, найденных экспериментально, была определена анизотропия статической диэлектрической проницаемости (ео1 и е0ц) для GaN и A1N. Следует отметить, что экспериментальная информация об анизотропии е0 в A1N была получена впервые. Частоты ТО и LO фононов симметрии А\ и Е\ были использованы для оценки величин эффективного заряда Борна в направлениях вдоль z и перпендикулярно Z, гексагональной оси кристалла.

Вычисленные значения Z использовались в расчетах динамики кристаллической решетки GaN и A1N (см. Главу 2).

Наличие деформации в слое приводит к изменению частоты фонона, которое, в случае одноосной деформации вдоль гексагональной оси или двухосной деформации в плоскости, перпендикулярной гексагональной оси, может быть представлено выражением: Âf2À=2a¡cxx+bxc~, где (sxx), (&)- это тангенциальная и нормальная компоненты деформации, а ах и Ъх -это константы деформационного потенциала соответствующей фононной

моды. В результате проведенных ИС- Рис.1. Поляризованные спскгры КР 1-го следований на образцах GaN, дефор- порядка гексагональных GaN и AIN.

500 550 600 650 700 750

с .о

Jô

'55 с о с

AIN j E,(lo»)

Ej(high)j _/Цй2

л 1ТП1 1 III 220 24° 260 28° 0,l J |lEi(T0) z(yy)z ¿,(LO|/V

X(zx)y

x(zz)x

500 600 700 800 900 Raman shift (cm1)

мация которых изменялась в широких пределах, впервые удалось оценить константы деформационного потенциала для четырех из шести оптических фононных мод гексагонального ваЫ. Знание констант деформационного потенциала позволяет количественно определять компоненты тензора деформаций ехх и ¿';,. Для этого в спектрах КР необходимо измерить сдвиги линий двух фононов, имеющих разную симметрию:

АП.,1 ДПд ЛП.,1 АПД

Е - и с - ам "Е, , где/=1,2.

2. (Им. - " 2

Было установлено, что величина частотного сдвига фонона линейно зависит от величины напряжения (сгЛД) в слое СаМ: Д т. = К 1<гхх=уу. Были определены значения этого параметра для четырех фононных мод: К(А1(ТО))= -1.4+0.2 см-'/ГПа, К(Е,(ТО))= -2.8+0.3 см"'/ГПа, К(Е2(1ои^=0.5+0.2 см"7ГПа, К(Е2(Ыф))= -2.710.3 см"'/ГПа. Разработанная нами методика количественной оценки деформации в слоях ваЫ широко используется в работах других авторов, о чем свидетельствует ее высокий индекс цитирования.

В этой же главе приводятся результаты систематического изучения параметров смешанных плазмон-фононных мод (ПФМ) в зависимости от концентрации и подвижности свободных носителей в «-ОаЫ. Исследовались образцы «-GaN с концентрацией электронов, изменяющейся в широком интервале от 1х1016 до 5х1019см"3. Были проведены теоретические расчеты ПФМ с учетом разных механизмов рассеяния [3-5] и выполнено их сравнение с экспериментальными спектрами КР для образцов и-СаЫ (рис. 2а). Было установлено, что наилучшая аппроксимация получается, если суммарное сечение рассеяния на смешанных модах описывается механизмами деформационного потенциала и электрооптическим. В качестве подгоночных параметров использовались экспериментально установленный коэффициент Фауста-Генри С=0.52, частота плазмона соР(п), затухание плазмона у и затухание ЬО фонона ую- С использованием найденных а>р(п) и у, можно

определить концентрацию и Рис.2, (а)- спектры КР слоев СаЫ с разной концентрацией свободных электронов: (Ь)- номограмма, позво-подвижность электронов из р м 1

' ляющая количественно оценивать концентрацию и под-

выражений". со], = А/те1 ¡(с,.т) И вижность свободных электронов в «-ОаЫ по данным КР.

// = el (m у) соответственно, (где для GaN m =0.20/77 fl). Форма верхней ПФМ

(L+) была рассчитана для большого набора значений о)Р и у Полученные результаты представлены на рис.2Ь в виде номограммы изолиний концентрации 77 и подвижности fi подобно тому, как это было сделано в работе [5] для п-GaP. Данные для п и //, полученные методом КР, в пределах 10-15% согласуются с их значениями, полученными методом Холла и вольт-емкостным методом на тех же образцах 77-GaN. Важнейшими преимуществами разработанной методики количественной оценки концентрации и подвижности электронов в и-GaN являются ее бесконтактность и локальность.

«

Результаты исследований, представленные в этой главе, опубликованы в работах [А1-АЗ, АН, А57].

Глава 2 "Дисперсионные кривые и функции плотности состояний фоно-нов гексагональных GaN и A1N" содержит изложение результатов комплексного исследования динамики кристаллической решетки этих кристаллов с использованием экспериментальных спектров КР 2-го порядка, модельных расчетов и теоретико-группового анализа симметрии фононов.

Расчет дисперсионных кривых фононов и ФПСФ A1N и GaN проводился в рамках модели, основанной на применении парных короткодействующих межатомных потенциалов и кулоновского потенциала в приближении жестких ионов. Поле короткодействующих сил включало в себя силовые постоянные двухцентровых и трехцентровых взаимодействий атомов. Значения параметров модели (ионные заряды 2 и силовые постоянные связей) подбирались для каждого соединения путем подгонки результатов расчета к экспериментальным данным о частотах фононов в Г-точке, полученным из спектров КР 1-го порядка, и литературным данным о значениях упругих постоянных.

Результаты теоретико-группового анализа симметрии фононов, выполненного на основе метода индуцированных представлений пространственных групп, позволили определить симметрию фононов во всей ЗБ и получить правила отбора для спектров КР 2-го порядка кристаллов вюрцитной модификации. Анализ спектров КР 2-го порядка GaN и A1N, выполненный на основе полученных правил отбора и сопоставления с рассчитанными дисперсионными кривыми, позволил отнести основные особенности, наблюдаемые в этих спектрах, к процессам рассеяния с участием фононов из высокосимметричных точек на границе ЗБ. В результате были оценены значения энергий фононов GaN и A1N в точках К, M и H ЗБ.

В целом расчет фононного спектра представлял собой многоступенчатую, самосогласованную процедуру, в которой значения частот фононов на границе ЗБ были использованы для второго и последующих этапов вычислений. Чтобы убедиться в правильности выполненных расчетов, были прове-

дены исследования образцов с разупорядоченной кристаллической решеткой, полученной в результате имплантации слоев GaN и A1N ионами Ег, позволившими экспериментально восстановить ФПСФ. Спектры имплантированных образцов содержали особенности, которые были интерпретированы как проявление "тихих" мод симметрии Bh запрещенных для наблюдения в спектрах КР, но данные об энергиях которых необходимы при проведении полноценных расчетов динамики кристаллической решетки. Вся совокупность полученных экспериментальных данных позволила УТОЧНИТЬ результаты модельных Рис.3. Рассчитанные дисперсионные кривые и расчетов. Рассчитанные диспер- ФПСФ для гексагональных GaN и A1N.

сионные кривые для акустических и оптических фононов вдоль высокосимметричных направлений ЗБ и ФПСФ для гексагональных GaN и A1N представлены на рис.3. На этом же рисунке приведены спектры имплантированных образцов.

Анализ данных свидетельствует о наличии существенных различий в динамике кристаллической решетки этих материалов как в области акустических, так и в области оптических колебаний. Особенно сильно эти различия выражены в области высокочастотных оптических колебаний, где дисперсия LO моды сильно уменьшается от A1N к GaN. Кроме того, вследствие относительного рассогласования между вкладами катионных и анионных масс, при переходе от A1N к GaN увеличивается величина энергетического зазора между областью акустических и оптических колебаний. Достоверность наших расчетов была подтверждена хорошим соответствием рассчитанных ФПСФ и ФПСФ, полученных методом рассеяния нейтронов на микрокристаллических образцах GaN и A1N [6,7], а также более поздними расчетами из первых принципов дисперсионных кривых и ФПСФ гексагональных GaN и A1N [8,9].

Результаты исследований, представленные в этой главе, опубликованы в работах [А2-А4, А57].

Глава 3 "Оптические фононы в твердых растворах AlGaN" посвящена описанию результатов экспериментальных и теоретических исследований колебательного спектра твердых растворов AlGaN, которые широко используются в различных электронных и фотонных устройствах. Задачи оценки состава и степени однородности соединений AlGaN являются ключевыми для развития технологии гетероструктур на их основе.

Измерения спектров КР проводились на уникальном наборе высококачественных эпитаксиальных слоев гексагонального AlGaN с составом, изменяющимся от GaN до A1N с шагом ~3-5%. Эти твердые растворы были выращены тремя технологическими группами ФТИ им. А.Ф. Иоффе с использованием различных методов: молекулярно-пучковой эпитаксии, газофазной эпи-таксии из металлоорганических соединений и хлорид-гидридной эпитаксии.

Результаты исследовании показали, что спектры КР тройных твердых растворов AlGaN могут быть интерпретированы в терминах тех же фононных мод, которые характерны для образующих их бинарных кристаллов (рис.4а-d). Был подтвержден одномодовый характер поведения фононов симметрии Ai(LO) и Ei(LO), предсказанный ранее теоретически [10]. Впервые был установлен и прослежен в деталях во всем диапазоне составов двухмодовый характер поведения фононов симметрии EjQùgh), Е/(ТО), А,(ТО) и E2O0W) (рис.4е). Установлено, что зависимость GaN-подобной моды симметрии А/(ТО) от содержания А1 может быть аппроксимирована выражением: 531.8+64.5-х-Ьацто)'х'(1-х) с малым положительным параметром прогиба Ьл¡,тог 1 -9 см"'. Почти линейная зависимость этой моды от содержания А1 и ее высокая чувствительность к составу являются благоприятными факторами

500 600 700 800 900

Raman shift (cm1)

500 600 700 800 900 Raman shift (cm"')

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Al content, x

e

m

a:

С) 1 • 1

720

700 e,(high)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Al content, x

Рис.4. (а-(1) - поляризованные спектры КР твердых растворов Л^Са,.^ (0<г<1); (е) и (0 зависимости частот оптических фононов твердых растворов Л1,Оа1.кЫ от содержания А1.

для оценки содержания А1 в AlGaN из данных КР. Был выполнен совместный анализ спектров 1-го и 2-го порядка AlGaN, в результате которого была установлена зависимость от состава частоты "тихой" моды B,(high) (pnc.4f). Полученная информация представляет большой интерес для теоретических расчетов динамики кристаллической решетки твердых растворов AlGaN.

В последнем разделе главы представлены результаты теоретического рассмотрения композиционно-зависимого неоднородного уширения линий в спектрах КР и его связи с упругим рассеянием фононов на флуктуациях состава твердого раствора AlGaN. Исследование этого эффекта предоставляет ценную информацию о структуре AlGaN, поскольку дает ответ на вопрос, подчиняется ли распределение атомов по узлам решетки закону статистики, или нет. Анализ экспериментальных данных в рамках развитой теории позволил оценить тип флуктуации, их размер и число и, соответственно, долю объема кристалла, занятого этими флуктуациями. Совокупность полученных экспериментальных и теоретических данных создала базис для развития количественной методики диагностики твердых растворов AlGaN.

Результаты исследований, представленные в этой главе, опубликованы в работах [А5, А10, А13, А17, А50, А57].

Глава 4 "Оптические фононы в сверхрешетках GaN/AIN и GaN/AlGaN" содержит результаты экспериментальных и теоретических исследований динамики кристаллической решетки в многослойных гексагональных низкоразмерных структурах на основе GaN, AIN и AlGaN. Эффективное использование таких структур требует детального исследования их фундаментальных физические свойств, а также развития новых количественных методик диагностики с целью совершенствования технологии их выращивания.

Измерения спектров КР проводились на СР структурах GaN/AIN с периодами dp= 10, 20, 30 и 40 нм, и СР GaN/AlxGa|.xN с разным содержанием А1 (х=0.13, 0.28, 0.44 и 0.54) и разными периодами (^,=5-320 нм). Все СР структуры были выращены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложках (0001) AI2O3.

Численное моделирование колебательного спектра СР GaN/AIN в области оптических фононов выполнялось с использованием модели, где СР - это идеальный бесконечный кристалл, периодический мотив которого состоит из m элементарных слоев кристалла GaN и п элементарных слоев кристалла A1N. Полная длина периода суперъячейки п+т=20 оставалась неизменной, и варьировалась только относительная толщина слоев A1N и GaN, т.е. отношение п/т. Поскольку цель работы заключалась в интерпретации спектров КР, рассматривались лишь колебательные состояния в Г-точке.

Результаты расчетов предсказывают, что для фононов, распространяющихся вдоль гексагональной оси (ArfLO) и Ei(TO)), а также для фононов

E2(1ow) и Eifhigh) в спектрах должны наблюдаться по две линии. Частоты этих линий близки к частотам аналогичных мод в объемных кристаллах GaN и AIN, а их интенсивности пропорциональны толщинам соответствующих слоев. Анализ собственных векторов A/(LO) и Е/(ТО) фононных мод показывает, что эти колебания локализованы в соответствующих слоях, составляющих СР. В то же время для колебаний, распространяющихся в плоскости слоев СР {А¡(ТО) и Ei(LO)), спектры должны содержать по одной полосе. Частота такой полосы монотонно меняется от ее положения в GaN до ее положения в A1N пропорционально относительной доле разных нитридов в СР (m/n). Собственные векторы этих колебаний близки к сумме собственных векторов мод соседних слоев, то есть это делокализованные моды (рис.5а).

Макроскопическое рассмотрение распространения волн поляризации в упругой слоистой среде подтверждает выводы, сделанные на основании результатов численного моделирования. Более того, наблюдается хорошее совпадение и численных значений, полученных в этих двух подходах, даже для СР с очень тонкими слоями. Эти факты позволяют утверждать, что особенности спектра колебательных оптических мод в исследованных СР связаны с проявлением дальнодействующих диполь-дипольных взаимодействий. Именно эти взаимодействия приводят к смешиванию колебаний отдельных слоев и возникновению делокализованных мод А ¡(ТО) и Ei(LO), а экранирование внутреннего поля поверхностными зарядами на границах раздела определяет локализованный характер колебаний А/(ЬО) и Ei(TO).

Наблюдаемая в эксперименте картина хорошо согласуется с поведением, предсказываемым микроскопическими расчетами. В качестве примера на рис.5Ь представлены спектры, полученные на СР GaN/AlN с периодом dp= 10

(а) 1Л(то

•I

■

<Alil)/<GaN)J

4-

■A,(LO)-GaN А (то) (AINy(GaN)j a (lo)-AIN JL, .1 . ■ ........I .

(AIN|„/(GaN|„

х

(AlN)„/(GaN),

гД-

(AIN)„/<GaN),

550 600 650 700 750 800 850 900 720 750 780 810 840 870 900

WT°)| f ЛО-О) f 1 Л,(L°> t

GaN AIN GaN AIN GaN AIN

500 600 700 800 900 Raman shifticm"1)

Piic.5. (a) - рассчитанные частоты и интенсивности Ai(TO) и Ai(LO) мод для СР GaN/AlN с разными толщинами слоев; (Ь) - поляризованные спектры КР СР GaN/AlN с периодом î/p=10 нм. Стрелками показаны положения соответствующих фононных линий в объемных GaN и A1N.

нм. В спектре z(yy)z в области фононов симметрии Е2 регистрируются две линии, частоты которых близки к частотам Ej фононов объемного GaN и A1N. Аналогичная картина наблюдается в спектрах, соответствующих фононам симметрии Ei(TO) и Ai(LO) (рис.5Ь, спектр у(zy)x и z{yy)z соответственно). В соответствии с расчетами, эти колебания должны быть

(a) S; i; 4 Q Л (TO) \ lid<Jdm. V/v nm \j500/1500 .-""SlX- 320/320

160/160

—\ / 40/40 ' / 20/20

i /AN- 10/10

//AVw 515 /т'Д- 2.5/2.5

500 520 540 560 580 Raman shift (cm"1)

700 750 800 850 900 Raman shift (cm1)

Рис.6. Спектры KP CP GaN/AI0 2sGa0 72N с разными периодами для фононов симметрии а:(то) (а) и e,(lo) (b).

локализованы в слоях СР и их поведение определяется только характеристиками этих слоев. Следовательно, наблюдаемые сдвиги фононных линий относительно их положения в недеформированных кристаллах GaN и A1N (на рис. 5Ь они показаны стрелками) могут быть однозначно объяснены наличием деформаций в слоях СР. В то же время эксперименты показывают, что фоно-ны симметрии А ¡(ТО) и Ej(LO) действительно имеют характеристики, свойственные делокализованным колебаниям. Так, например, в спектре, соответствующем фонону симметрии Ai(TO) (рис.5Ь, спектр y(zz)y), наблюдается лишь одна линия, которая занимает среднее положение между частотами А/(ТО) фонона в объемном GaN и AIN. Аналогичная картина наблюдалась и в спектрах симетрии А ¡(ТО), полученных на СР GaN/AlxGa,_xN (х=0.13-0.54). В спектрах колебаний симметрии E{(LO) прослеживается картина, подобная описанной выше для А ¡(ТО). На рис.6а и 6Ь представлена трансформация мод А ¡(ТО) и Ei(LO) для СР GaN/Alo.28Ga0.72N, происходящая с уменьшением периода структуры. Наблюдаемая картина хорошо согласуется с поведением, предсказываемым микроскопическими расчетами.

В последнем разделе этой главы сформулированы основные возможности количественной диагностики СР GaN/AIN и GaN/AlGaN, разработанной по результатам проведенных экспериментальных и теоретических исследований. Отмечено, что эффект одновременного существования в СР локализованных мод, несущих информацию об индивидуальных характеристиках слоев, составляющих СР, и делокализованных мод, несущих информацию об усредненных характеристиках структуры, позволяет количественно оценивать такие важные параметры СР, как величина и знак деформации в слоях многослойной структуры, доля А1 в слое твердого раствора и соотношение между толщинами индивидуальных слоев СР.

Результаты исследований, представленные в этой главе, опубликованы в работах [А9, А12, А14, А16, А23-А26, АЗЗ, А35, А40, А43, А57].

Глава 5 "Колебательная спектроскопия гексагонального InN" посвящена описанию результатов экспериментальных и теоретических исследований фононного спектра исходно нелегированного InN и InN, легированного акцепторной примесью Mg.

Исследования спектров КР и ИК отражения проходили на эпитаксиаль-ных слоях InN с разной ориентацией оптической оси относительно плоскости подложки. Такой набор образцов давал возможность зарегистрировать все шесть оптических фононов, разрешенных в спектрах КР. В результате проведенных исследований впервые удалось сделать симметрийное приписание и определить частоты всех КР-активных мод в InN. Впервые были выполнены оценки анизотропии статической диэлектрической постоянной для InN.

Моделирование динамики кристаллической решетки InN проводилось в рамках такой же феноменологической модели, что и для GaN и A1N (см. Главу 2). Результаты расчетов дисперсионных кривых фононов и ФПСФ гексагонального InN представлены на рис.7. Анализ полученных дисперсионных соотношений указывает на то, что распад центрозонного LO фонона на два LA или ТА фонона с равными частотами и противоположными волновыми векторами невозможен для InN, поскольку для него îoiô>2cùiaja (cola, (Ota -частоты продольных и поперечных акустических фононов) во всем спектральном диапазоне. Следует отметить, что именно такой процесс является основным каналом распада LO фононов в A1N. В недавней работе, выполненной методом время-разрешающей раман-спектроскопии [11], авторы убедительно продемонстрировали, что центрозонные Ai(LO), и Ei(LO) фононы InN распадаются на ТО фонон с большим волновым вектором и TA/LA фонон также с большим волновым вектором, что согласуется с дисперсионными соотношениями для гексагонального InN, полученными в нашей работе. ФПСФ InN, рассчитанная из модели жестких ионов, была использована для оценки решеточной теплоемкости InN при постоянном объеме. Полученная при этом температура Дебая ©d=580К (при температуре 150К) находится в хорошем согласии с ее значением, полученным из измерений теплоемкости (0D=61OK) [12]. Достоверность наших расчетов фононного спек-

Рис.7. Рассчитанные дисперсионные кривые и функции плотности фононных состояний для гексагонального 1пЫ.

тра была подтверждена более поздними расчетами из первых принципов дисперсионных кривых фононов и ФПСФ гексаго-

Г

нальнОГО InN [8,9]. Рмс.8. Расположение атомов Mg в кристаллической решетке InN:Mg.

В этой же главе приводятся результаты первых экспериментальных и теоретических исследований динамики кристаллической решетки Mg-легированных слоев InN, перспективных для получения проводимости дырочного типа. Концентрация Mg в слоях InN определялась методом вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и находилась в диапазоне NMg=3.3-1019—5.5-1021 см' . Было обнаружено, что основной особенностью спектров InN'.Mg является рост интенсивности линии, находящейся на положении LO фонона, при увеличении содержания Mg. Было установлено, что нормализованная интегральная интенсивность этой линии хорошо коррелирует с концентрацией Mg, оцененной из данных ВИМС. Выявленная зависимость была предложена для количественной оценки содержания Mg в образцах InN:Mg по данным спектроскопии КР.

Результаты теоретико-группового анализа совместно с модельными расчетами динамики кристаллической решетки InN, содержащей замещающие примеси или вакансии катионов/анионов, позволили выявить микроскопическую природу новых колебательных мод, наблюдаемых в спектрах КР образцов InN'.Mg. Две высокочастотные колебательные моды на частотах 2193 и 2228 см"1 были приписаны локальным колебательным модам Mg-H в примесных комплексах, сформированных на основе Mg, находящегося в межузель-ном положении в кристаллической решетке InN:Mg (рис.8). Слабые линии на частотах 293, 313, 565, и 622 см"1, наблюдаемые в спектрах InN:Mg, предположительно были интерпретированы как локальные колебания примеси Mg, замещающей In, и как локальные колебания вакансий азота и индия. Таким образом, из анализа спектроскопических данных следует вывод, имеющий важное практическое значение: большая часть Mg в исследованных образцах InN:Mg находится в междоузлиях в соединении с водородом и, следовательно, не является акцептором.

Результаты исследований, представленные в этой главе, опубликованы в работах [А6-А8, А15, А31, А32, А36, А44, А52, А53, А55, А57].

Глава 6 "Электронные состояния гексагонального InN" содержит результаты комплексных спектроскопических исследований и теоретического

моделирования электронного спектра 1пЫ - материала, который остается наименее изученным среди Ш-нитридных полупроводников.

Современные технологии до недавнего времени были не способны обеспечить рост эпитаксиальных слоев 1пЫ хорошего качества. Как следствие, информация о фундаментальных физических свойствах этого материала была весьма противоречивой. Даже такой ключевой параметр, как ширина запрещенной зоны 1пЫ, не был хорошо установлен. Величины 1.8-2.1 эВ, которые имелись в литературе, были оценены только из спектров поглощения, полученных на поликристаллических образцах с концентрацией электронов Ю20 см"3 или даже 1021 см"3. Каких-либо надежных данных о наблюдении краевой люминесценции в 1пЫ в районе 1.8-2.1 эВ не было. Общий прогресс в технологии роста Ш-нитридов сказался и на технологии роста 1пГ\[. Были выращены монокристаллические слои с существенно улучшенными структурными характеристиками и существенно меньшей концентрацией носителей. Изучение таких слоев радикальным образом изменило представление о физических характеристиках 1пМ

Исследования, выполненные нами на образцах с концентрацией

электронов в пределах от 4x1018 до 2x1019 см"3, выявили край оптического поглощения в районе 0.8-1.0 эВ, который сдвигался в сторону высоких энергий с увеличением концентрации электронов в слоях. Было установлено, что коэффициент оптического поглощения имеет значения, типичные для межзонных переходов в прямозонных полупроводниках (а(со)> 104 см"1), что указывает на фундаментальный характер наблюдаемого края поглощения. Обнаруженная сильная зависимость порога поглощения 1пИ от концентрации электронов была объяснена эффектом Бурштейна-Мосса, т.е. тем фактом, что переходы из валентной зоны в состояния, занятые электронами в зоне проводимости, оказываются невозможными [13]. Рассмотрение межзонного поглощения проводилось в рамках двухзонной модели без учета возможной непараболичности и с использованием приближения эффективной массы. При этом учитывалось, что наличие легирующих примесей, случайным или не совсем случайным образом распределенных по кристаллу, а также наличие различных дефектов кристаллической решетки влияет на характер движения электронов и дырок. В результате рассеяния частиц на флуктуациях потенциала, создаваемого примесями и дефектами, импульс электрона ре может отличаться от импульса дырки />/,. Это вызывает необходимость учета не только вертикальных межзонных переходов, и в этом случае коэффициент межзонного поглощения может быть представлен следующим выражением:

а(Гио) ~[{Нсо- («))/Ее(и)/'2 • {1--!-} ^

где Eg(n) - зависящий от уровня легирования параметр, определяющий ширину запрещенной зоны без учета хвостов локализованных состояний, EF -энергия Ферми для вырожденных носителей (электронов), а ц- приведенная масса электрона и дырки. При этом у может принимать значение от у= 1 (для переходов с сохранением импульса) до у =4 (при сильном нарушении закона сохранения). Изложенное выше показывает, что определение ширины запрещенной зоны InN требует детального учета влияния свободных носителей заряда на поглощение вблизи порога, и оценить Eg из спектров поглощения для образцов с высокой концентрацией электронов затруднительно.

В образцах InN с концентрацией электронов в пределах от 4х1018 до 2х1019 см"3 впервые для этих кристаллов удалось обнаружить ФЛ в ближней ИК области (0.70-0.85 эВ) вблизи края оптического поглощения. Было установлено, что спектры ФЛ, измеренные в широком температурном интервале (300-4.2К) для образцов InN с различной концентрацией электронов, ведут себя, подобно спектрам межзонной ФЛ в сильно легированных полупроводниках. Ширина полосы ФЛ и положение ее максимума определяются такими характеристиками кристалла, как концентрация электронов, эффективные массы электрона и дырки и ширина запрещенной зоны. Зависимость спектральной плотности межзонных переходов с излучением фотона можно представить в виде:

1(Ги-э) [ihco-Es(n))IEg{n)Y" (2)

(exp[(-^(ha}-Eg)-EF)/T] + \) те

где Eg(n), Ef, ц и у - те же самые параметры, как и в выражении (1).

Выражение (2) описывает наиболее важные характеристики полосы ФЛ с учетом зависимости энергии Ферми от концентрации и эффективной массы Ef =3.5%/(т0/те)(п/п„)1П мэВ, где ид=1018 см"3, для вырожденного полупроводника и-типа. Вместе с тем следует отметить приближенный характер такого описания. Более строгий анализ формы полосы люминесценции представлен, например, в нашей работе [А45]. На рис.9 представлена трансформация контура полосы межзонной ФЛ InN при изменении концентрации электронов в широком диапазоне. Здесь же представлены контуры полос, рассчитанные с использованием выражения (2). Было установлено, что хорошее согласие вычисленных и наблюдаемых контуров полос ФЛ достигается при предположении о значительном нарушении закона сохранения импульса при межзонных переходах. Кривые (2) стремятся к нулю при tim->Eg(ri), что дает возможность найти величину параметра Eg(n). Экстраполяция Eg(ri) к и=0 для InN позволила оценить значение £„=0.69 эВ (при Т=77К).

На вставке рис. 9 показана зависимость Ер от концентрации электронов в образцах. Значения ЕР были получены в результате подгонки контуров полос ФЛ в предположении параболичности зоны проводимости и при использовании значения те=ОЛОт0 для эффективной массы электрона. Концентрации электронов, вычисленные с использованием значений £>, находятся в хорошем согласии с данными, полученными из измерений эффекта Холла, подтверждая тем самым межзонное происхождение полос ФЛ.

Появление образцов с относительно небольшой концентрацией электронов, /г~ 1 х 1018 см"3, поставило перед необходимостью учитывать наличие мелких локализованных состояний дырок и электронов, формирующих урбахов-ские, экспоненциально спадающие хвосты плотности состояний этих зон. Образование хвостов локализованных состояний существенно меняет спектры межзонного поглощения и люминесценции. Как показывают результаты модельного расчета, контур полосы ФЛ оказывается смещенным относительно контура плотности заполненных состояний электронов. Это смещение происходит из-за наличия урбаховского хвоста валентных зон, поскольку контур полосы ФЛ является сверткой кривых, описывающих заселенные состояния электронов и дырок. Пример описания контура полосы ФЛ и спектра поглощения с учетом урбаховских хвостов зоны проводимости и валентных зон (для кристалла 1пЫ с концентрацией электронов ~ 1х1018 см"3 при Т=4.2К и комнатной температуре) приведен на рис. 10. Согласие экспериментальных данных и результатов расчета было получено при урбаховских энергиях, равных 10 мэВ для каждой из зон.

Эксперименты по изучению зависимости спектров ФЛ наиболее совершенных образцов от температуры и мощности возбуждения позволили выявить особенности в спектрах, которые связаны с рекомбинацией электронов и фотодырок, находящихся в локализованных состояниях. Это дало возможность сделать еще один шаг в уточнении ширины запрещенной зоны 1п1М. Проведенный совместный анализ спектров ФЛ и спектров пропускания наиболее совершенных образцов, учитывающих локализованные состояния фотодырок, урбаховские хвосты зоны проводимости и валентной зоны, состоя-

0.8 1.0 Епегду (е\/)

Рис.9. Зависимость полос ФЛ и-1пЫ от концентрации электронов. Символы -эксперимент, сплошные кривые - расчет. На вставке показана концентрационная зависимость Ег для тех же образцов.

0.6 0.7 0.8 0.9 Energy (eV)

с

-О

e

—I Q. Об Q. О

W XI

< 0.5

(Ь)> Т=300К<. ¡ббоооос

шм' IV

□6 □

0.6 0.7 0.8 0.9 Energy (eV)

1.0

ния мелких и глубоких акцепторов и непараболичность зоны проводимости, позволил оценить важнейшие фундаментальные параметры InN - ширину запрещенной зоны и величину эффективной массы электронов. Было установлено, что ширина запрещенной зоны InN в пределе малых концентраций электронов близка к 0.67 эВ. Ранее общепринятое значение ширины запрещенной зоны считалось равным 1.89 эВ. Показано, что экспериментальные спектры

поглощения и ФЛ хорошо согласуются с результатами модельных теоретических расчетов в предположении непараболической зоны проводимости с линейной зависимостью эффективной массы от кинетической энергии, где эффективная масса в Г-точке т*=0.07то.

Результаты исследований, представленные в этой главе, опубликованы в работах [А18-22, А28-А30, А34, А36-А38, А41, А42, А45, А49, А51, А55, А57].

Глава 7 "Оптические исследования твердых растворов InGaN" представляет результаты комплексных исследований зависимости ширины запрещенной зоны InGaN от состава методами ФЛ, оптического поглощения и резонансного КР, а также результаты исследований поведения оптических фоно-нов InGaN в широком диапазоне концентраций от InN до GaN.

Исследовались гексагональные эпитаксиальные слои InxGai_,N, выращенные на подложках А120з с ориентацией (0001). Твердые растворы в диапазоне составов 0.35<х<0.95 были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии в ФТИ им. А.Ф. Иоффе и Корнельском университете (США), а слои с составами 0.05<х<0.30 - методом газофазной эпитаксии из металло-рганических соединений в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Все твердые растворы были исходно нелегированными и имели концентрацию свободных электронов в диапазоне от 1х1018 до 5х1019 см"3. Для выяснения зависимости ширины запрещенной зоны InGaN от состава отбирались образцы, обладавшие лучшими структурными характеристиками. Состав твердых растворов определялся с помощью метода обратного резерфордовского рассеяния дейтронов.

Рис. 10. Спектры ФЛ и поглощения образца 1пЫ с концентрацией электронов ~ 1х1018 см'3 при Т=4.2К (а) и Т=300К (Ь). Символы - эксперимент, сплошные кривые - расчет.

Ширина запрещенной зоны твердых растворов InGaN оценивалась по данным оптического межзонного поглощения и ФЛ. Во всех образцах InGaN вблизи края оптического поглощения регистрировались интенсивные спектры ФЛ. Отметим, что первая появившаяся в литературе публикация, сообщавшая о наблюдение ФЛ в In-обогащенных твердых растворах InxGai_xN (0.4<х<1), содержала результаты, полученные нами на образцах, выращенных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе [А19]. Совместное модельное описание спектров поглощения и ФЛ позволяет установить ширину запрещенной зоны твердого раствора и положение энергии Ферми зоны проводимости. При модельном рассмотрении считалось, что состояния дырок включают в себя уровни глубоких и мелких акцепторов, плотности состояний которых описываются га-уссовскими контурами. Кроме того, учитывался экспоненциальный урбахов-ский хвост валентных зон. При описании плотности состояний зоны проводимости учитывался урбаховский хвост зоны проводимости, происхождение которого связывалось со случайными пространственными флуктуациями состава твердого раствора. Модельный анализ спектров InxGai_xN был проведен во всем диапазоне составов (0<х<1), что позволило найти зависимость ширины запрещенной зоны этих твердых растворов от концентрации (рис.11). Полученная зависимость сильно отклоняется от простой линейной интерполяции и характеризуется большой величиной параметра прогиба Ь, определяющего величину этого отклонения. Функция Eg-3.49-2.84x-bx(l-х) с величиной 6=2.5±0.1 эВ хорошо описывает зависимость ширины запрещенной зоны твердых растворов InxGai_xN от состава во всем диапазоне концентраций. Учитывая приближенный характер определения Ъ в твердых растворах, можно считать, что наша оценка величины 6=2.5±0.1 эВ и оценки 6~2.3 и -2.8 эВ, приведенные в [14] и [15], согласуются между собой. Полученные результаты по исследованию зависимости ширины запрещенной зоны твердого раствора InxGai_xN от состава являются хорошим подтверждением малой ширины запрещенной зоны InN. Полезная информация о ширине запрещенной зоны InGaN может быть получена из резонансного КР рассеяния [16]. Для получения резонансного профиля интенсивности 1LO фононной линии проводились эксперименты с использованием различных энергий возбуждения Аг+ , Кг+и Не-Cd лазеров. На рис. 12а и 12Ь

Е =3.49 - 2.84х - Ьх(1-х) ■ ■ Я' ■ ■ ■ ....... .

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 InN fraction, х

Рис.11. Зависимость ширины запрещенной зоны 1п,(;а1.,Ы от содержания 1п ( в - данная работа).

представлены спектры КР двух твердых растворов Ino.23Gao.77N и Ino.35Gao.65N, а на рис. 12с и 12с! представлены нормированные интенсивности А ¡(¿О) фо-нона в зависимости от энергии возбуждения. Нормировка спектров твердых растворов осуществлялась с использованием линии КР СаР2, измеряемой при той же энергии возбуждения. На этих же рисунках представлены спектры ФЛ и спектры поглощения исследуемых твердых растворов. Видно, что положение максимума интенсивности А¡(ЬО) фонона для обоих образцов хорошо совпадает с порогом поглощения. Положение максимума КР рассеяния может быть оценено как Етах ~ Ек+Ег + 1ю>£о/2, где ЕР - это энергия Ферми, а -это энергия ЬО фонона. Следовательно, если известны концентрация электронов в образце и эффективная масса электрона, ширина запрещенной зоны Ея InGaN может быть оценена из данных резонансного КР. Данные о концентрациях электронов в InGaN были получены из измерений методом Холла, а эффективные массы были оценены с использованием линейной интерполяции между их значениями для InN и GaN (те =0.07/и0 и те = 0.20ш0 соответственно). В результате, оценка параметра Ег составила 1.90 эВ и 2.40 эВ для Ino.35Gao.65N и Ino.23Gao.77N соответственно. Обе величины хорошо совпадают с зависимостью ширины запрещенной зоны 1пОа^ описываемой выражением Ее=ЪА9-2.Мх-Ьх{\-х), с величиной параметра прогиба 6=2.5±0.1 эВ.

В последнем разделе главы представлены результаты исследований твердых растворов InGaN методом спектроскопии КР. Изучение динамики кристаллической решетки InGaN не только представляет интерес с точки зрения фундаментальной физики, но и является весьма важным для создания количественной методики диагностики этих материалов. Исследования спектров КР InGaN с использованием энергий возбуждения в диапазоне от 1.83 до 3.81 эВ проводились на эпитакси-альных слоях, выращенных методами молекулярно-пучковой эпитаксии и газофазной эпитаксии из метал-лоорганических соединений

з X)

га.

500 1000 1500 2000

Яатап вШ (ст"'4

2.0 2.4 2.8 3.2 Епегду (е\/)

(Ь) 1.83ву ¡11-0] 1x2.4 |

1.92еУ 2.33еу) Ц4__. 1 / 1 А/ ■ . ^^ 1 Л

2.41 еУ^ 1x32 А ^ •

гмм) 1x36 __ А ,

1*44 А

2.71е^ ^х68 " Л21.0 ^с

№ RRS

Р1.л| \ "(Е)/

-2-

<л

п <

Т> с га

Ж 1000 1500 2000

1Чатап бЫЛ (ст1)

1.4 1.8 2.2 2.6 3.0

Епегду (еУ)

Рис.12. (а,Ь) Спектры КР Ino.23Gao.77N и Ino.35Gao.65N при разных энергиях возбуждения. (с,с1) Спектры поглощения, ФЛ и профиль поперечного сечения резонансного КР Ino.23Gao.77N (с) и Ino.35Gao.65N (с1); символы - данные КР.

во всем диапазоне составов от InN до СаМ.

Установлено, что в спектрах КР наблюдается только одна фононная линия симметрии А/(ЬО), что подтверждает теоретическое предсказание одно-модового характера поведения этого фонона [10]. Однако измеряемые частоты А¡(ЬО) фонона хорошо совпадают с теоретически предсказанной линейной зависимостью только для ва-обогащенных и 1п-обогащенных твердых растворов. Зависимость частоты А ¡(ЬО) фонона 1пхОа,-^ от содержания 1п в диапазонах 0 <х<0.2 и 0.7<х<1 может быть представлена следующим выражением: (0{А1(ЬО)) = 733—150л:. В то же время А/(¿О) фононные частоты для промежуточных составов (0.3<х<0.6) находятся выше линейной аппроксимации. Наблюдаемое поведение фононных мод А ¡(ТО), Е/(ТО) и Е2(Ь'щН) как функций состава характеризуется сильным отклонением от линейной зависимости, предсказанной теоретически. Тем не менее, в спектрах не наблюдается явных признаков двухмодового характера поведения мод, что могло бы объяснить наблюдаемую специфику их композиционной зависимости. Все это указывает на то, что динамика кристаллической решетки InGaN требует новых теоретических и экспериментальных исследований.

Результаты исследований, представленные в этой главе, опубликованы в работах [А19-А22, А27, А28, АЗО, А32, А36, А39, А46-48, А55, А57].

Глава 8 "Резонансное комбинационное рассеяние света и дисперсии полярных оптических и акустических фононов в гексагональном 1п№\ В этой главе продемонстрированы новые возможности резонансного КР 1-го порядка, индуцированного примесями, использование которого позволило восстановить дисперсии полярных оптических и акустических фононов 1пЫ в широком диапазоне волновых векторов путем измерения частоты фонона как функции энергии возбуждающего фотона.

Впервые было выполнено систематическое изучение зависимости частот фононов гексагонального InN от энергии возбуждающего фотона в диапазоне энергий от 2.81 до 1.17 эВ. Исследовались нелегированные и легированные магнием образцы с концентрацией электронов в пределах от 3.5х1017 до 1х1019 см"3 и с ориентацией оптической оси, направленной параллельно и перпендикулярно плоскости подложки. Было установлено, что фононные линии симметрии Е^ЬО) и А/(¿О) сдвигаются в высокочастотную сторону спектра с уменьшением энергии возбуждающего излучения, что свидетельствует о нарушении закона сохранения волнового вектора в процессе КР.

Теоретическое рассмотрение амплитуды и сечения резонансного КР 1-го порядка, индуцированного примесями, показало, что при возбуждении в области межзонных переходов в результате двойного резонанса в амплитуде рассеяния возникает селекция волновых векторов фононов в сечении рассеяния. В этом случае волновой вектор фонона q определяется волновым векто-

ром относительного движения электронно-дырочной пары рю , который, в свою очередь, определяется частотой возбуждающего или рассеянного света, а именно: ц=2ра (д=2ра-). При этом важным условием является как внутри-зонный характер фрелиховского взаимодействия электронов и дырок с ЬО фононами, так и внутризонный характер рассеяния на заряженных примесях. С использованием экспериментальных данных по фотоэмиссии в 1пЫ [17,18], были восстановлены дисперсии валентных зон и зоны проводимости и построены дисперсии электронно-дырочных пар, возникающих при прямозон-ных переходах из зон тяжелых и легких дырок в зону проводимости. Это позволило рассчитать значения волновых векторов фононов, участвующих в процессе рассеяния.

Значения волновых векторов фононов для исследованных образцов 1пМ, при использованных энергиях возбуждающих фотонов, оказываются за пределами верхней границы затухания Ландау. Таким образом, только неэкрани-рованные ЬО фононы существуют выше этой границы. На рис.13 показаны рассчитанные дисперсионные кривые фононов для гексагонального 1пЫ, заимствованные из работы [А6]. На этом же рисунке представлены полученные нами экспериментальные данные для ветви А^ЬО) вдоль направления Г-А. Волновые векторы в этом случае рассчитаны в предположении электромагнитных переходов из зоны легких дырок. Волновые векторы для Е\(ЬО) ветви вдоль направления Г—ЛГ получены в предположении электромагнитных переходов из зоны легких дырок, а вдоль направления Г—М они получены для переходов из зоны тяжелых дырок. Можно видеть, что экспериментальные данные и результаты модельных расчетов дисперсионных кривых ЬО фононов находятся в удовлетворительном согласии. Экстраполяция дисперсии А}(ЬО) и Е\(ЬО) фононов вплоть до Г-точки позволила оценить центрозонные энергии данных ветвей, сведения о которых до настоящего времени не были установлены однозначно. Частоты продольных ветвей А](ЬО) и Е](ЬО) фононов в Г-точке оказались равными 592±1 см"1 и 604±1 см"1 соответственно.

Экспериментальное исследование рассеяния в области акустических ветвей колебательного спектра показало, что при наличии примесей полярные акустические фононы с большими волновыми векторами тоже

Рис. 13. Дисперсионные кривые фононов гексагонального 1п1Ч, заимствованные из работы [А6], и экспериментальные данные, полученные в настоящем исследовании (символы).

активны в резонансном КР 1-го порядка InN. Экспериментальные данные, полученные в области акустических фононов InN, представлены на рис.13. Волновые векторы в этом случае рассчитаны в предположении электромагнитных переходов из зоны тяжелых дырок. Скорости звука, полученные из экспериментальных данных (5220 и 5430 м/сек) оказываются достаточно близкими к расчетным величинам (5050 и 5170 м/сек) в направлениях и Г-М соответственно. Это показывает, что сделанный выбор волновых векторов за счет электромагнитных переходов из зоны тяжелых дырок оправдан.

Результаты исследований, представленные в этой главе, опубликованы в работах [А54 и А56].

В Заключении приводятся основные результаты диссертационной работы:

1. Впервые рассчитаны дисперсионные кривые для акустических и оптических фононов вдоль высокосимметричных направлений ЗБ, а также функции плотности состояний фононов гексагональных GaN и A1N. Анализ данных свидетельствует о наличии существенных различий в динамике кристаллической решетки этих материалов как в области акустических, так и в области оптических колебаний.

2. Впервые получены значения констант деформационного потенциала для четырех из шести оптических фононов, активных в спектре КР гексагонального GaN. Предложен метод количественной оценки величины деформации в слоях GaN по данным КР.

3. Установлены основные механизмы, отвечающие за рассеяние света на ПФМ в гексагональном «-GaN. Экспериментально определены значения коэффициента Фауста-Генри для мод симметрии A¡ и E¡. Разработана количественная методика определения концентрации и подвижности электронов в п-GaN в диапазоне концентраций от 1 х 1017 до 5х1019 см"3 по данным КР.

4. Впервые экспериментально установлены зависимости частот всех оптических фононов твердых растворов AlGaN как функций состава во всем диапазоне концентраций. Теоретически и экспериментально изучено влияние флуктуации состава на колебательный спектр этих твердых растворов. Предложен метод количественной оценки состава и однородности AlGaN, основанный на совокупности полученных экспериментальных и теоретических данных.

5. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования динамики кристаллической решетки гексагональных CP GaN/AIN и GaN/AlGaN. Впервые установлен эффект сосуществования локализованных и делокализован-ных мод в их колебательном спектре и предложено объяснение их природы. Создана количественная методика диагностики, позволяющая оценивать величину и знак деформации в слоях многослойной структуры, процентное со-

держание А1 в слое твердого раствора и соотношение между толщинами индивидуальных слоев в СР по данным спектроскопии КР.

6. Впервые зарегистрированы все шесть КР-активных оптических фононов гексагонального 1пЫ и определены их частоты. Впервые рассчитаны дисперсионные кривые акустических и оптических фононов для высокосимметричных направлений ЗБ и функция плотности состояний фононов гексагонального 1пЫ. Впервые рассчитана температурная зависимость решеточной теплоемкости 1пЫ и сделана оценка температуры Дебая, величина которой при О К составляет 370 К. Предсказаны возможные каналы распада ЬО фононов.

7. Впервые выполнены систематические экспериментальные и теоретические исследования динамики кристаллической решетки слоев 1пЫ, легированных акцепторными примесями. Оценка энергетических значений локальных колебательных мод, полученная в рамках кластерного приближения, совместно с результатами теоретико-группового анализа, позволила установить микроскопическую природу новых фононных мод, наблюдаемых в спектрах КР таких образцов. Показано, что КР спектроскопия является перспективным методом количественной диагностики слоев 1пЫ, легированных Mg.

8. Установлено, что спектральное положение края собственного поглощения и-1пЫ в условиях вырождения сильно зависит от концентрации электронов и для интерпретации результатов эксперимента необходимо учесть эффект Бур-штейна-Мосса.

9. Впервые обнаружена ФЛ в ближней ИК области спектра гексагонального 1пЫ. Анализ зависимости спектров ФЛ от концентрации электронов, температуры и интенсивности возбуждения позволил установить ее межзонный характер и выявить черты, характерные для ФЛ кристаллов с вырожденными электронами.

10. Совместный анализ спектров ФЛ и спектров поглощения и-1пЫ с концентрацией электронов в диапазоне от 3х 1017 до 6х1018 см"3 позволил оценить важнейшие фундаментальные физические параметры 1пЫ. Установлено, что ширина запрещенной зоны 1пЫ в пределе малых концентраций электронов и низких температур составляет 0.67±0.01 эВ. Ранее считалось, что ее величина лежит в интервале 1.86-2.0 эВ. Показано, что экспериментальные спектры поглощения и ФЛ хорошо согласуются с результатами модельных теоретических расчетов в предположении непараболической зоны проводимости, где эффективная масса в Г-точке т*=0.07тий.

11. Комплексные исследования образцов 1пхСа]_хЫ методами оптического поглощения, ФЛ и резонансного КР позволили получить новые данные о зависимости ширины их запрещенной зоны от состава. Установлено, что эта фундаментальная характеристика хорошо описывается выражением Ее-3.49-2.84х-Ьх(1-х) с большим параметром прогиба Ь=2.5±0.1 эВ во всем диапазоне

составов. Данные, полученные при исследовании In-обогащенных образцов InxGa|.xN (0.5<х<1), подтверждают оценку величины запрещенной зоны ¿>0.7 эВ в InN.

12. Выполнены систематические исследования поведения оптических фоно-нов в твердых растворах InxGai_xN во всем диапазоне составов методом спектроскопии KP. Для диапазона концентраций (0<х<0.2) получены аналитические зависимости частот фононов симметрии A ¡(LO), E2(high) и А ¡(ТО) от состава InxGai_xN, которые могут быть использованы для диагностики этих соединений. Впервые выявлена большая нелинейность в композиционном поведении фононов симметрии А ¡(ТО), E¡(TO) и E2(high), что указывает на необходимость новых теоретических и экспериментальных исследований динамики кристаллической решетки InxGai_xN.

13. Показано, что исследование резонансного KP 1-го порядка, индуцированного примесями, позволяет получать данные о дисперсии полярных оптических и акустических ветвей колебательного спектра гексагонального InN в широкой области волновых векторов. Установлено, что величины волновых векторов возбуждаемых фононов однозначно связаны с энергией возбуждающего фотона. Проведены измерения частот LO фононов InN при изменении энергии возбуждающего света в диапазоне от 2.81 до 1.17 эВ и LA фононов в диапазоне от 2.81 до 1.83 эВ. Полученные дисперсионные зависимости позволили найти новые значения частот A ¡(LO) и E¡(LO) ветвей в Г-точке ЗБ, которые оказались равными 592±1 см"' и 604±1 см"1 соответственно, что почти на 10 см'1 отличается от имеющихся в литературе данных для этих фононов.

Публикации по теме диссертации

[Al] Davydov V.Yu., Averkiev N.S., Goncharuk I.N., Nelson D.K., Nikitina I.P., Polkov-nikov A.S., Smirnov A.N., Jacobson M.A., Semchinova O.K. Raman and Photoluminescence studies of biaxial strain in GaN epitaxial layers grown on 6H-SiC // J. Appl. Phys. -1997. -v.82.-pp.5097-5102.

[A2] Davydov V.Yu., Kitaev Yu.E., Goncharuk I.N., Tsaregorodtsev A.M., Smirnov A.N., Lebedev A.O., Botnaryk V.M., Zhilyaev Yu.V., Smirnov M.B., Mirgorodsky A.P., Semchinova O.K. Phonon spectrum of wurtzite GaN and A1N. Experiment and theory // J. Cryst. Growth. -1998. -v. 189/190. pp.656-660.

[A3] Davydov V.Yu., Kitaev Yu.E., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Graul J., Semchinova O., Uffmann D., Smirnov M.B., Mirgorodsky A.P., Evarestov R.A. Phonon dispersion and Raman scattering in hexagonal GaN and A1N // Phys. Rev. B. -1998. - v.58. -pp. 12899-12907. [A4] Давыдов В.Ю., Лундин B.B., Смирнов A.H., Соболев H.A., Усиков A.C., Емельянов A.M., Маковийчук М.И., Паршин Е.О. Влияние кратковременных высокотемпературных отжигов на фотолюминесценцию легированного эрбием GaN в области длин волн 1.0-1.6 мкм // ФТП. -1999. -Т.ЗЗ. -№1. -С.3-8.

[А5] Davydov V.Yu., Goncharuk I.N., Baidakova M.V., Smirnov A.N., Subashiev A.V., Aderhold J., Stemmer J., Uffmann D., Semchinova O. Raman spectroscopy of disorder effects in AlGaN solid solutions // Mat. Science & Eng. B. -1999. v.59. -pp.222-225.

[A6] Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Petrikov V.D., Mamutin V.V., Vekshin V.A., Ivanov S.V., Smirnov M.B., Inushima T. Experimental and theoretical studies of phonons in hexagonal InN // Appl. Phys. Lett. -1999. -v.75. pp.3297-3299. [A7] Mamutin V.V., Vekshin V.A., Davydov V.Yu., Ratnikov V.V., Kudriavtsev Yu.A., Ber B.Ya., Emtsev V.V., Ivanov S.V. // Mg-Doped Hexagonal InN/Al203 Films Grown by MBE // Phys. Status Solidi A. -1999. -v. 176. -pp.373-378.

[A8] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Smirnov M.B., Emtsev V.V., Petrikov V.D., Ab-royan I.A., Titov A.I., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Mamutin V.V., Ivanov S.V., Inushima T. Phonons in Hexagonal InN. Experiment and Theory // Phys. Status Solidi B. -1999. -v.216. -pp.779-783.

[A9] Davydov V.Yu., Klochikchin A.A., Goupalov S.V., Goncharuk I.N., Smirmov A.N., Lundin W.V., Usikov A.S., Zavarin E.E., Sakharov A.V., Baidakova M.V., Stemmer J., Klausing H., Mistele D., Semchinova O. Optical phonons in hexagonal GaN/AlxGa]_xN multylayered structures // Proceedings of the 8lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". -Ioffc Institute, June 19-23. -2000. -pp.208-211. [A10] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Nikolaev A.E., Usikov A.S., Lundin W.V., Baidakova M.V., Aderhold J., Stemmer J., Semchinova O. Raman scattering in hexagonal AlxGai_xN alloys and optical modes behavior // IPAP Conf. Ser. -2000. -v.l. -pp.657-660.

[AI 1] Emtsev V.V., Davydov V.Yu., Kozlovskii V.V., Lundin V.V., Poloskin D.S., Smirnov A.N., Shmidt N.M., Usikov A.S., Aderhold J., Klausing H„ Mistele D„ Rotter T., Stemmer J., Semchinova O., Graul J. Point defects in gamma-irradiated n-GaN // Semicond. Sei. Technol. -2000. -v. 15. pp.73-78.

[A 12] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Usikov A.S., Lundin W.V., Zavarin E.E., Sakharov A.V., Baidakova M.V., Stemmer J., Klausing H., Mistele D. Raman studies of hexagonal GaN/AlxGai.xN multilayered structures // IPAP Conf. Ser. -2000. -v. 1. -pp.665-668.

[A13] Klochikhin A.A., Davydov V.Yu., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Nikolaev A.E., Baidakova M.V., Aderhold J., Graul J., Stemmer J., Semchinova O. Statistical Ga clusters and (TO) gap mode in AlxGai.xN alloys // Phys. Rev. B. -2000. -v.62. -pp.2522-2535. [A 14] Davydov V.Yu., Klochikchin A.A., Kozin I.E., Gonchanik I.N., Smirmov A.N., Kyutt R.N., Scheglov M.P., Sakharov A.V., Tretyakov V.V., Ankudinov A.V., Dunaevskii M.S., Lundin W.V., Zavarin E.E., Usikov A.S. Raman studies of acoustical phonons in strained hexagonal GaN/AlGaN superlattices II Proceedings of the 9lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". -Ioffe Institute, June 18-22. -2001. -pp. 154-157. [A 15] Aderhold J., Davydov V.Y., Fedler F., Klausing H., Mistele D., Rotter T„ Semchinova O., Stemmer J., Graul J. InN thin films grown by metalorganic molecular beam epitaxy on sapphire substrates // J. Cryst. Growth. -2001. -v.222. -pp.701-705. [A16] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Kozin I.E., Emtsev V.V., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Kyutt R.N., Scheglov M.P., Sakharov A.V., Lundin W.V., Zavarin E.E., Usikov A.S. Optic and acoustic phonons in strained hexagonal GaN/AlGaN multilayer structures // Phys. Status Solidi A. -2001. -v. 188. -pp.863-866.

[A 17] Davydov V.Yu., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Nikolaev A.E., Lundin W.V., Usikov A.S., Klochikhin A.A., Aderhold J., Graul J., Semchinova O., Harima H. Composition dependence of optical phonon energies and Raman line broadening in hexagonal AlxGai_xN alloys // Phys. Rev. B. -2002. -v.65. -Art. 125203:1-13.

[A18] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Seisyan R.P., Emtsev V.V., Ivanov S.V., Bechstedt F., Furthmüller J., Harima H., Mudryi A.V., Aderhold J., Semchinova O., Graul J., Absorp-

tion and emission of hexagonal InN. Evidence of narrow fundamental band gap // Phys. Status Solidi B. -2002. -v.229. -pp.Rl-R3.

[A 19] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Emtsev V.V., Ivanov S.V., Vekshin V.V., Bechstedt F., Furthmüller J., Harima H., Mudryi A.V., Hashimoto A., Yamamoto A., Aderhold J., Graul J., Haller E.E. Band gap of InN and In-rich InxGa,.xN alloys (0.36<x<l) // Phys. Status Solidi B. -2002. -v.230. -pp.R4-R6.

[A20] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Emtsev V.V., Bechstedt F., Mudiyi A.V., Haller E.E. Reply to "Comment on 'Band Gap of InN and In-Rich InxGa,.xN Alloys (0.36<x<l) // Phys. Status Solidi B. -2002. -v.233. -pp.R10-Rl 1.

[A21] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Emtsev V.V., Kurdyukov D.A., Ivanov S.V., Vekshin V.A., Bechstedt F., Furthmüller J., Aderhold J., Graul J., Mudryi A.V., Harima H., Hashimoto A., Yamamoto A., Haller E.E. Band gap of Hexagonal InN and InGaN Alloys // Phys. Status Solidi B. -2002. -v.234. - pp.787-795.

[A22] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Emtsev V.V., Sakharov A.V., Ivanov S.V., Vekshin V.A., Bechstedt F., Furthmüller J., Aderhold J., Graul J., Mudryi A.V., Harima H., Hashimoto A., Yamamoto A., Wu J., Feick H., Haller E.E. Band gap of hexagonal InN and InGaN alloys // Proceedings of the 10th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology".- Ioffe Institute, Saint-Petersburg, June 17-21. -2002. -pp.78-81. [A23] Davydov V.Yu., Smirnov A.N., Goncharuk I.N., Kyutt R.N., Scheglov M.P., Bai-dakova M.V., Lundin W.V., Zavarin E.E., Smirnov M.B., Karpov S.V., Harima H. Raman studies as a tool for characterization of strained hexagonal GaN/AlxGai_xN superlattices // Proceedings of the 10lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". -Ioffe Institute, Saint-Petersburg, June 17-21.-2002. -pp.164-167. [A24] Davydov V.Yu., Smirnov A.N., Goncharuk I.N., Kyutt R.N., Scheglov M.P., Bai-dakova M.V., Lundin W.V., Zavarin E.E., Smirnov M.B., Karpov S.V. Raman Spectroscopy as a Tool for Characterization of Strained Hexagonal GaN/AlxGa(_xN Superlattices // Phys. Status Solidi B.-2002. -v.234. -pp.975-979.

[A25] Davydov V.Yu., Smirnov A.N., Goncharuk I.N., Kyutt R.N., Scheglov M.P., Bai-dakova M.V., Lundin W.V., Zavarin E.E., Smirnov M.B., Karpov S.V., Harima H. Optical phonons in hexagonal GaN/AIN and GaN/Al^Ga^N superlattices: Theory and experiment // Proceedings of the lllh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". -Ioffe Institute, Saint-Petersburg, June 23-28. -2003. -pp.72 74. [A26] Davydov V.Yu., Smirnov A.N., Smirnov M.B., Karpov S.V., Goncharuk I.N., Kyutt R.N., Baidakova M.V., Sakharov A.V., Zavarin E.E., Lundin W.V., Harima H , Kisoda K. Lattice dynamics and Raman spectra of strained hexagonal GaN/AIN and GaN/AlGaN superlattices // Phys. Status Solidi C. -2003. v.0. -pp.2035-2038.

[A27] Bechstedt F., Furthmüller J., Ferhat M„ Teles L.K., Scolfaro L.M.R., Leite J.R., Davydov V.Yu., Ambacher O., Goldhahn R. Energy gap and optical properties of InxGai_xN // Phys. Status Solidi A. -2003. -v. 195. -pp.628-633.

[A28] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Emtsev V.V., Smirnov A.N., Goncharuk I.N., Sakharov A.V., Kurdyukov D.A., Baidakova M.V., Vekshin V.A., Ivanov S.V., Aderhold J., Graul J., Hashimoto A., Yamamoto A. Photoluminescence and Raman study of hexagonal InN and In-rich InGaN alloys // Phys. Status Solidi B. -2003. -v.240. -pp.425-428. [A29] Bhuiyan A.G., Sugita K., Kasashima K., Hashimoto A., Yamamoto A., Davydov V.Yu. Single-crystalline InN films with an absorption edge between 0.7 and 2 eV grown using different techniques and evidence of the actual band gap energy // Appl. Phys. Lett. -2003. -v.83. -pp.4788-4790.

[A30] Davydov V., Klochikhin A., Ivanov S., Aderhold J., Yamamoto A. Growth and Properties of InN // Nitride Semiconductors: Handbook on Materials and Devices.-WILEY-

VCH, 2003. -pp.241-294.

[A31] Klochikhin A., Davydov V.Yu., Emtsev V., Smirnov A., v. Baltz R. A gauge invariant approach to the Raman scattering in heavily doped crystals // Proceedings of the 12th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology. -Ioffe Institute, June 21-25. -2004. -pp.162-163.

[A32] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Emtsev V.V., Smirnov A.N., Yagovkina M.A., Lebedev V.M. X-ray, RBS and Raman studies of hexagonal InN and InGaN alloys // Proceedings of the 12th International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". -Ioffe Institute, Saint-Petersburg, June 21-25. -2004. -pp.381-382.

[A33] Smirnov M.B., Karpov S.V., Davydov V.Yu., Smirnov A.N., Lundin W.V. Lattice dynamics of hexagonal GaN/AIN superlattices in microscopic and phenomenologic models and Raman spectra of optical phonons // Proceedings of the 12lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology. - Ioffe Institute, Saint-Petersburg, June 21-25. -2004. —pp.387—388.

[A34] Yamamoto A., Sugita K., Takatsukaa H., Hashimotoa A., Davydov V.Yu. Correlations between electrical and optical properties for OMVPE InN // J. Cryst. Growth. -2004. -v.261. -pp.275-279.

[A35] Кютт P.H., Щеглов М.П., Давыдов В.Ю., Усиков А.С. Деформация слоев в сверхрешетках AlGaN/GaN по данным рентгенодифракционного анализа // ФТТ. -2004. -Т.46. -С.353-359.

[А36] Давыдов В.Ю., Клочихин А.А. Электронные и колебательные состояния InN и твердых растворов InxGaUxN. Обзор // ФТП. -2004. -Т.38. -С.897-936. [A37] Sakharov A.V., Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Lu H„ and W. J. Schaff, "Band-edge and impurity-related photoluminescence of InN", Proceedings of the 13lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology", Ioffe Institute, Saint-Petersburg, June 20-25. -2005. -p.282 283.

[A38] Klochikhin A.A., Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Sakharov A.V., Kapitonov V.A., Lu H., Schaff W.J. Temperature dependence of photoluminescence and absorption spectra of n-InN // Proceedings of the 13lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". -Ioffe Institute, Saint-Petersburg, June 20-25. -2005. -pp.278-279. [A39] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Goncharuk I.N., Sakharov A.V., A.P. Skvortsov, Yagovkina M.A., Lebedev V.M., Lu H., Schaff W.J. Resonant Raman scattering in InGaN alloys // Proceedings of the 13lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". -Ioffe Institute, Saint-Petersburg, June 20-25. -2005. pp.270-271. [A40] Davydov V.Yu., Smirnov A.N., Smirnov M.B., Karpov S.V., Yagovkina M.A., A.I. Besulkin, Lundin W.V. Optical phonons in hexagonal GaN/AIN and GaN/AlGaN superlattices // Phys. Status Solidi C. -2005. -v.2. -pp.2389-2392.

[A41] Klochikhin A., Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Mudryi A.V. Urbach Tails of Valence and Conductivity Bands and Optical Spectra of Hexagonal InN near the Fundamental Band Gap // AIP Conf. Proc. (PHYSICS OF SEMICONDUCTORS: 27th International Conference on the Physics of Semiconductors). -2005. -v.772. -pp.275-276. [A42] Klochikhin A.A., Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Sakharov A.V., Kapitonov V.A., Andreev B.A., Lu H., Schaff W.J. Manifestation of the equilibrium hole distribution in photoluminescence of n-InN // Phys. Status Solidi B. -2005. -v.242, -pp.R33-R35. [A43] Смирнов М.Б., Карпов C.B., Давыдов В.Ю., Смирнов А.Н., Заварин Е.Е., Лун-дин В.В. Колебательные спектры сверхрешеток AIN/GaN: теория и эксперимент // ФТТ. -2005. -Т.47. -№4. -С.716-727.

[А44] Klochikhin А.А., Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Smirnov A.N., v. Baltz R. A gauge invariant approach to the Raman scattering in heavily doped crystals // Phys. Status Solidi B.

-2005. -v.242. -pp. R58-R60.

[A45] Klochikhin A.A., Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Sakharov A.V., Kapitonov V.A., Andreev B.A., Lu H., Schaff W.J. Acceptor states in the photoluminescence spectra of n-InN II Phys. Rev. B. -2005. -v.71. -Art.l95207:l-16.

[A46] Smirnov M.B., Davydov V.Yu., Smirnov A.N. Lattice dynamics and Raman spectra of InGaN alloys and InN/GaN superlattices // Proceedings of the 14lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". -Ioffe Institute, Saint-Petersburg, June 2630. -2006. -p.279-280.

[A47] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Sakharov A.V., Zavarin E.E., Sinitsyn M.A., Smirnov A.N., Skvortsov A.P., Yagovkina M.A., Lu H., Schaff W.J. The band gap composition dependence of InGaN alloys // Proceedings of the 14lh International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology". -Ioffe Institute, Saint-Petersburg, June 26-30. -2006. -pp.273-274.

[A48] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Sakharov A.V., Skvortsov A.P., Yagovkina M.A., Lebedev V.M., Lu H., Schaff W.J. Resonant Raman scattering in InGaN alloys // Phys. Status Solidi B. -2006. -v.243. -pp. 1494-1498. [A49] Klochikhin A.A., Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Sakharov A.V., Kapitonov V.A., Andreev B.A., Lu H., Schaff W.J. Photoluminescence of n-InN with low electron concentrations // Phys. Status Solidi A. -2006. -v.203. -pp.50-58.

[A50] Soukhoveev V., Kovalenkov O., Shapovalova L., Ivantsov V., Usikov A., Dmitriev V., Davydov V., Smirnov A. AlGaN epitaxial layers grown by HVPE on sapphire substrates // Phys. Status Solidi C. -2006. -v.3. -pp. 1483-1486.

[A51] Emtsev V.V., Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Sakharov A.V., Smirnov A.N., Kozlovskii V.V., Wu C.-L., Shen C.-H., Gwo S. Effects of Proton Irradiation on Electrical and Optical Properties of n-InN // Phys. Status Solidi C. -2007. -v.4. -pp.2589-2592. [A52] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Smirnov M.B., Smirnov A.N., Goncharuk I.N., Kurdyukov D.A., Lu H., Schaff W.J., Lee H.-M., Lin H.-W., Gwo S. Experimental and theoretical studies of lattice dynamics of Mg-doped InN // Appl. Phys. Lett. -2007. -v.91, Atr.l 11917:1-3.

[A53] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Smirnov M.B., Kitaev Yu.E., Smirnov A.N., Lundina E.Y., Lu H„ Schaff W.J., Lee H.-M., Lin H.-W., Hong Y.-L., Gwo S. SIMS and Raman studies ofMg-doped InN// Phys. Status Solidi C. -2008. -v. 5. -pp. 1648-1651. [A54] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Smirnov A.N., I.Yu. Strashkova, Krylov A.S., Lu H„ Schaff W.J., Lee H.-M., Hong Y.-L., Gwo S. Selective excitation of Ей". ; .-nd A,(LO) phonons with large wave vectors in Raman spectra of hexagonal InN // Phys. Rev. B. -2009. -v.80.-Art.081204(R):l^.

[A55] Davydov V.Yu., Klochikhin A.A. Electronic states in InN and lattice dynamics of InN and InGaN / Indium Nitride and Related Alloys / edited by T.D. Veal, C.F. McConville, W.J. Schaff.- Boca Raton.: CRC Press, 2009. -pp. 181-241.

[A56] Давыдов В.Ю., Клочихин A.A., Смирнов А.Н., Страшкова И.Ю., Крылов A.C., Lu Н., Schaff W.J., H.-M. Lee, Y.-L. Hong, Gwo S. Резонансное рамановское рассеяние и дисперсия полярных оптических и акустических фоионов в гексагональном InN // ФТП. -2010. -Т.44. -№2. -С. 170-179.

[А57] Давыдов В.Ю., Клочихин A.A., Китаев Ю.Э., Смирнов А.Н., Гончарук И.Н., Смирнов М.Б. Исследования фундаментальных характеристик фононного спектра нитридных полупроводников (A1N, GaN, InN) и диагностика структур на их основе методом комбинационного рассеяния света // Сборник трудов конференции «Комбинационное рассеяние -80 лет исследований». -2010 (в печати).

Цитируемая литература

[1] Arguello С.А., Rousseau D.L., and Porto S.P.S. First-Order Raman Effect in Wurtzite-Type Crystals // Phys. Re v. -1969. -v. 181. -pp. 13 51 -13 63.

[2] Loudon R. The Raman Effect in Crystals // Advan. Phys. -1964. -v. 13. -pp.423-482.

[3] Клейн M. Электронное комбинационное рассеяние света // Рассеяние света в твердых телах, вып.1, под редакцией М. Кардоны - Москва, Мир, 1979. - с. 174.

[4] Hon D.T. and Faust W.L. Dielectric Parameterization of Raman Lineshapes for GaP with a Plasma of Charge Carriers // Appl. Phys. -1973. -v.l. -pp.241-256.

[5] Irmer G., Toporov V.V., Bairamov B.H., Monecke J. Determination of the charge carrier concentration and mobility in n-GaP by Raman spectroscopy // Phys. Status Solidi B. -1983. -v.l 19. -pp.595-603.

[6] Nipko J.C., Loong C.-K. Phonon excitations and related thermal properties of aluminum nitride // Phys. Rev. В.- 1998.- v.57. - pp. 10550-10554.

[7] Nipko J.C., Loong C.-K., Balkas C.M., and Davis R.F. Phonon density of states of bulk gallium nitride//Appl. Phys. Lett.- 1998.-v.73. -pp.34-36.

[8] Bungaro C., Rapcewicz K., Bernholc J. Ab initio phonon dispersions of wurtzite A1N, GaN, and InN // Phys. Rev. В. -2000,- v.61.- pp.6720-6725.

[9] Tütüncü H.M., Srivastava G.P., and Duman S. Lattice dynamics of the zinc-blende and wurtzite phases of nitrides // Physica В -Condensed Matter. -2002. -v.316. -p. 190-194.

[10] Grille H., Schnittler Ch., Bechstedt F. Phonons in ternary group -III nitride alloys // Phys. Rev. В -2000. -v.61. -pp. 6091-7105.

[11] Tsen K.T., Kiang J.G., Ferry D.K., Lu H., Schaff W.J., Lin H.-W., Gwo S. Direct measurements of the lifetimes of longitudinal optical phonon modes and their dynamics in InN // Appl. Phys. Lett. -2007. -v.90. -pp. 152107-152110.

[12] Krukowski S., Witek A., Adamczyk J., Jun J., Bockowski M., Grzegory I., Lucznik В., Nowak G., Wroblewski M., Presz A., Gierlotka S., Stelmach S., Palosz В., Porowski S., Zinn P. Thermal properties of indium nitride // J. Phys. and Chem. of Sol. -1998. -v.59. -pp.289-295.

[13] Burstein E. Anomalous Optical Absorption Limit in InSb // Phys. Rev. -1954. v.93. -pp.632-633.

[14] Hori M., Капо K., Yamaguchi Т., Saito Y., Araki Т., Nanishi Y., Teraguchi N., Suzuki A. Optical Properties of InxGai _XN with Entire Alloy Composition on InN Buffer Layer Grown by RF -MBE // Phys. Status Solidi B.-2002. -v.234. -pp.750-754.

[15] Moret M., Gil В., Ruffenach S., Briot O., Giesen Ch., Heuken M., Rushworth S., Leese Т., Succi M. Optical, structural investigations and band-gap bowing parameter of GalnN alloys // J.Cryst.Growth. -2009. -v.311. -pp.2795-2797.

[16] Абстрейтер Г., Кардона M., Пинчук А. Рассеяние света на возбуждениях свободных носителей в полупроводниках // Рассеяние света в твердых телах, Bbin.IV, под редакцией М. Кардоны и Г. Гюнтеродта - Москва, Мир, 1986. - с.12.

[17] Colakerol L., Veal T.D., Jeong Н. -К., Plucinski L., DeMasi A., Learmonth Т., Glans P. -A., Wang S., Zhang Yu., Piper L.F.J., Jefferson P.H., Fedorov A., Chen Т. -C., Mousta-kas T.D., McConville C.F., Smith K.E. Quantized Electron Accumulation States in Indium Nitride Studied by Angle -Resolved Photoemission Spectroscopy // Phys. Rev. Lett. -2006. -v.97. -pp.237601-237604.

[18] Colakerol L., Piper L.F.J., Fedorov A., Chen T.C., Moustakas T.D., Smith K.E. Observation of an inverted band structure near the surface of InN // EPL. -2008. -v.83. -pp.47003^17006.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 15.02.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 5600Ь.

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.

Глава 1. Спектроскопия КР гексагональных GaN и A1N.

1.1 Введение.

1.2 Особенности измерения частот оптических фононов в спектрах КР

1-го порядка гексагональных GaN и A1N.

1.2.1 Фононные моды гексагональных GaN и A1N в Г-точке зоны Бриллюэна.

1.2.2 Спектры КР 1-го порядка GaN.

1.2.3 Спектры КР 1-го порядка AIN.

1.2.4 Анизотропия эффективного заряда Борна в гексагональных

GaN и A1N.

1.3 Влияние деформаций на оптические фононы в слоях GaN.

1.4 Рассеяние света плазмон-ЬО-фононными модами в гексагональном GaN

1.4.1 Анализ формы линий плазмон-фононных мод.

1.4.2 Коэффициент Фауста-Генри.

1.4.3 Экспериментальное исследование плазмон-ЬО-фононных мод в и-GaN.

2.2 Образцы, используемые в экспериментах, и процедура измерений.63

2.3 Модель динамики кристаллической решетки.64

2.4 Теоретико-групповой анализ симметрии фононов в GaN и A1N.69

2.5 Спектры КР 2-го порядка гексагональных GaN и A1N.77

2.6 Анализ полученных результатов.88

2.7 Заключение.97

Глава 3. Оптические фононы в твердых растворах AlGaN.99

3.1 Введение.99

3.2 Образцы, используемые в экспериментах, и процедура измерений.102

3.3 Исследования спектров КР 1-го порядка твердых растворов AlxGaixN во всем диапазоне составов от GaN до A1N.106

3.3.1 Фононы в вюрцитной структуре.106

3.3.2 Фононные моды симметрии A](LO) и is^LO).108

3.3.3 Фононные моды симметрии £2(high) и Е\(ТО).113

3.3.4 Фононная мода симметрии A i(TO).115

3.3.5 Фононная мода симметрии £2(low).118

3.3.6 Послесловие.120

3.4 Сравнительный анализ спектров КР 1-го и 2-го порядков AlxGa^N во всем диапазоне составов и мода i?i(high).121

3.4.1 Спектры КР 2-го порядка.121

3.4.2 Фононная мода симметрии В\(high).125

3.5 Зависимость уширения фононных линий в спектрах 1-го порядка AlxGaixN от состава твердого раствора.130

3.5.1 Теоретическое рассмотрение уширения фононных линий AlxGaixN, обусловленного флуктуациями состава.130

3.5.2 Одноузельное рассеяние фононов.132

3.5.3 Вероятность флуктуаций ниже порога протекания.134

3.5.4 Область высоких концентраций.137

3.5.5 Анализ экспериментальных данных в рамках развитой теории. 139

3.6 Заключение.143

Глава 4. Оптические фононы в сверхрешетках GaN/AIN и GaN/AlGaN.145

4.1 Введение.145

4.2 Модель и схема расчетов колебательного спектра CP GaN/AIN.146

4.3 Результаты численного моделирования.149

4.3.1 Частоты колебаний.149

4.3.2 Формы колебаний.155

4.3.3 Угловая дисперсия.156

4.4 Модель диэлектрического континуума.160

4.5 Экспериментальные результаты.164

4.5.1 Сверхрешетки GaN/AIN.165

4.5.2 Сверхрешетки GaN/AlGaN.171

4.6 Обсуждение результатов.182

4.7 Количественные оценки деформации в слоях структуры, состава твердого раствора, толщины индивидуальных слоев и периода СР GaN/AIN и СР GaN/AlGaN.185

4.7.1 Оценка деформации.185

4.7.2 Оценка состава твердого раствора.189

4.7.3 Оценка толщины индивидуальных слоев СР.189

4.7.4 Оценка периода СР.191

4.8 Заключение.195

Глава 5. Колебательная спектроскопия гексагонального InN.197

5.1 Введение.197

5.2 Правила отбора для оптических мод в спектре КР гексагонального InN. 197

Результаты исследования резонансного КР на продольных оптических фононах в твердых растворах 1пхСа1.хМ при возбуждении вблизи края оптического поглощения представлены нами в работе [А48].

7.3.1 Резонансное поведение сечения KP

Резонансное однофононное сечение KP, вызванное механизмом деформационного потенциала вблизи порога поглощения, может быть записано следующим образом: \%(o>i)-x(fi)f)^ > гДе ^0»)есть тензор межзонной диэлектрической восприимчивости [169].

Амплитуда рассеяния для 7LO KP, вызванного фрелиховским взаимодействием, является более резонансной и поперечное сечение пропорционально [169].

Если закон сохранения момента нарушен вследствие рассеяния электронов и дырок на флуктуациях изоэлектронных примесей, характеризующихся короткодйствующим потенциалом, ILO амплитуда подобна LO+TO амплитуде рассеяния, рассчитанной в [170], и в этом случае поперечное сечение пропорционально ^(й?,) - %{(of )|3.

Тогда поперечное сечение для трех рассмотренных случаев может быть записано как

Pß О) ~ \xpß И - Xßß - )f » С7-1 ) где ß - это поляризация падающего или рассеянного фотона и Q/0 это частота фонона. Тензор межзонной диэлектрической восприимчивости можно представить в виде:

4яе2 у \\.р |2 u с 11 х»ко)-ho)2v0 p^r^'1 L®-С(р) + <.(р) + /о + <.(р)-^.(р) + /о

7.2)

Здесь \ßca<p a - это межзонный матричный элемент электронного тока между состояниями характеризуемыми спином <т в валентной зоне v и состояниями со спином сг' в зоне проводимости с, а ^'"(р) — это энергии электронов в зоне проводимости и валентной зоне. Для вертикальных переходов оба состояния характеризуются одним и тем же моментом р и суммирование в уравнении (7.2) идет по всей зоне Бриллюэна; и0 - это объем элементарной ячейки.

Ферми функция йр><т = "^(^(р)) Для валентной зоны кристалла «-типа равна единице. Высокая концентрация электронов влияет на межзонную восприимчивость, сдвигая порог поглощения к более высоким энергиям. Заселенность зоны проводимости зависит от концентрации электронов и от температуры -<Ж(Р» = еХр[«(р)-^-£,,)/Г] + 1 (73) где Ер - это энергия Ферми, измеренная от дна зоны проводимости, а ширина запрещенной зоны Е„ и температура Г даны в энергетических единицах.

Как результат, суммирование по р в уравнении (7.2) ограничено состояниями зоны проводимости, которые остаются незаселенными, т.е для которых (1-Лр;(Т) * 0.

Рассчитанное поведение 1ЬО-поперечного сечения с использованием уравнения (7.1) для т=6 и т-3 для различных концентраций электронов представлено на рис.7.9(а). Положение максимума сечения КР, рассчитанного согласно уравнению (7.1), определяется шириной запрещенной зоны Её и сдвигается в сторону высоких энергий с увеличением энергии Ферми. Приблизительно положение максимума близко к порогу оптического поглощения и может быть оценено как Етах я Е„ + Е,, + М1Ю / 2. Следовательно, для твердых растворов 1пхОа1хЫ может быть оценено из данных КР, если известны концентрация электронов и эффективная масса.

7.3.2. Резонансный профиль интенсивности 7ЬО фононной линии 1пСаМ

Для получения резонансного профиля интенсивности 1ЬО фононной линии, проводились КР-эксперименты с использованием различных энергий возбуждения

Аг+,Кг+и Не-Сс1 лазеров. Нарис.7.9(Ь) и рис.7.9(с) представлены спектры КР, полученные для двух твердых растворов Ino.23Gao.77N и Ino.35Gao.65N, а на рис.7.9(с1) и рис.7.9(е) представлены нормированные интенсивности А\(ЬО) фонона в зависимости от энергии возбуждения. Нормировка спектров осуществлялась с w 'с si 1 го Л с ф Л с 3

XI 1 га Л с ф

1.75

2.00 2.25 Energy (eV)

2.50

1 x10

500 ' 1000 1500 2000 Raman shift (cm'1)

2.0 2.4 2.8 Energy (eV)

3.2

Raman shift (cm")

1.8 2.2 2.6 Energy (eV)

Рис. 7.9 a - поперечное сечение KP рассчитанное для т=6 (сплошные кривые) и т-Ъ (пунктирные кривые) для значений энергии Ферми 0, 50, 100, 150 и 200 мэВ (кривые 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно). Ь,с - спектры КР твердых растворов Ino.23Gao.77N (Ь) и Ino.35Gao.65N (с), записанные в геометрии рассеяния z(yy)z при разных энергиях возбуждения. d,e - спектры поглощения, ФЛ и профиль поперечного сечения резонансного рассеяния КР твердых растворов Ino.23Gao.77N (d) и Ino.35Gao.65N (е); символы - данные КР. использованием линии КР СаРг, измеряемой при той же мощности и энергии возбуждающего излучения, что и полоса КР твердого раствора. На этих же рис.7.9(с1) и рис.7.9(е) представлены спектры ФЛ и поглощения исследуемых твердых растворов. Видно, что положение максимума интенсивности А [ (ЬО) фонона для обоих образцов хорошо совпадает с порогом поглощения, что согласуется с теоретическим предсказанием. Сравнение расчетных поперечных сечений КР с экспериментальными данными показывает, что профили поперечных сечений, рассчитанные согласно уравнению (7.1) с т между т=2 и т-3, хорошо удовлетворяют результатам эксперимента.

Как следует из теоретического рассмотрения, положение максимума сечения КР может быть оценено как £тах « Ея + ЕР + Ш/() / 2, где ЕР - это энергия Ферми, а

Лаю- это энергия ЬО фонона. Зависимость энергии Ферми для вырожденного полупроводника п-типа от концентрации и эффективной массы имеет вид Ер =3.581{т01 те)(п/п0)2П мэВ (где п0 =10|8см"3). Данные о концентрациях электронов в образцах 1пхОа].хК были получены из измерений методом Холла, а эффективные массы электронов в них были оценены путем линейной интерполяции между значениями эффективной массы электрона для ММ и СаИ (те =0.07то и те = 0.20то соответственно). В результате оценки Ег составили 1.90 эВ и 2.40 эВ для Ino.35Gao.65N и Ino.23Gao.77N соответственно. Отметим, что величина £■^=1.90 эВ хорошо совпадает с величиной ширины запрещенной зоны полученной по формуле Ес =3.49-2.84„г -Ьх{\ - х) при условии параметра прогиба Ь=2.5 эВ, в то время как £^=2.40 эВ соответствует параметру прогиба ¿=2.6 эВ.

Модельные подгоночные спектры поглощения и ФЛ на рис.7.7 были выполнены с использованием процедуры описанной в Главе 6, разделы 6.4 и 6.6, которая также дает возможность оценить ширину запрещенной зоны Е8 и энергию Ферми Ер зоны проводимости. Полученное значение Е8 хорошо согласуется с ее оценкой, полученной из резонансного КР.

Таким образом изложенное выше показывает, что эксперименты по резонансному КР могут быть полезны при изучении межзонных переходов в твердых растворах ТпхОа^хЫ. Другое заключение, касающееся резонансного поведения сечения КР связано с приближением эффективной массы для зоны проводимости. Резонансное увеличение сечения КР в уравнении (7.1) возникает

288 вследствие Ваи-Хофовской особенности на границе зоны. На это поведение сильно влияет непараболичность зоны проводимости, поскольку она ведет к подавлению резонансного усиления сечения КР. В исследованной области составов и величин ширин запрещенной зоны не обнаружено никаких указаний на отклонения от параболичности для зоны проводимости, как это следует из изложенных выше результатов.

7.4. Оптические фононы в гексагональном lnxGaixN

Теоретически динамика кристаллической решетки гексагонального InxGaixN была рассмотрена в работе [74]. Расчеты, основанные на использовании модели случайных элементарных изосмещений показали, что для твердого раствора должны сохраняться правила отбора, характерные для составляющих его бинарных соединений, и все КР-активные моды должны иметь одномодовый характер поведения. При изменении состава твердого раствора этот тип поведения характеризуется непрерывным и приблизительно линейным изменением частот оптических мод между их значениями в GaN и InN.

Экспериментально динамика кристаллической решетки гексагональных твердых растворов InxGaixN была изучена несколькими исследовательскими группами методом КР спектроскопии [А28, 171-177]. Большинство исследователей концентрировались на изучении двух из шести оптических фононов, разрешенных к наблюдению в спектрах КР, а именно: фононов с симметрией £2(high) h^i(LO). В результате были получены данные о поведении этих фононов для диапазонов концентраций д:=0—0.11 [171] и л: = 0-0.07 [172]. Согласно результатам этих работ, оба типа фононов, наблюдаемых в спектрах КР InxGaixN, имеют одномодовый характер поведения в диапазоне исследованных составов, что согласуется с теоретическими предсказаниями [74]. В то же время в работе [173] на основании обнаруженного отклонения от линейной зависимости был предложен двухмодовый тип поведения для фонона симметрии ü^high). Данные о поведении ^i(TO) и Л](ТО) фононных мод в диапазоне концентраций 0.10<х<0.2б были получены в работе [176]. Эпитаксиальные слои InxGaixN с высоким и промежуточным содержанием In (0.4<х< 1) были исследованы в нашей работе [А28]. Как правило, во всех упомянутых выше исследованиях использовались образцы InxGaixN, состав которых изменялся в очень ограниченном диапазоне. Единственным исключением является работа [177], где исследовались оптические фононы симметрии и

ЬО) во всей области концентраций, однако шаг изменения состава был очень грубым и составлял —10-15%.

Для того чтобы получить более полную информацию о поведении фононных мод как функций состава 1пхОа1.х1М, мы провели исследования спектров КР на большом наборе образцов с шагом изменения состава не превышающим 3-5% во всем диапазоне от ваИ до 1п]Ч.

Гексагональные эпитаксиальные слои 1пхСа1хЫ выращивались на сапфировых подложка с ориентацией (0001). Твердые растворы в диапазоне составов 0.05<х<0.30 были выращены методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, а слои с составами

0.35<х<0.95 были выращены методом молекулярно-пучковой эпитаксии в

Корнельском университете, США [129]. Толщина слов было ~ 0.5 мкм для образцов, выращенных методом МОСУБ, и изменялась от 0.2 до 0.5 мкм в образцах, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Все твердые растворы были исходно нелегированными и, согласно данным полученным

1 б методом Холла, имели концентрацию свободных электронов в диапазоне от 1-10 до 5-1019 см"3. Для диагностики кристаллического совершенства и состава образцов 1пхОа].хК были использованы методы рентгеновской дифракции, обратного резерфордовского рассеяния и КР. Для выяснения зависимости поведения оптических фононных мод от состава отбирались образцы, обладавшие лучшими структурными характеристиками (см. рис.7.3). Данные о составе были получены с помощью обратного резерфордовского рассеяния дейтронов (рис.7.4).

Процесс КР в 1пхОа1.хМ может быть описан различными механизмами рассеяния в зависимости от соотношения между энергией возбуждения и шириной запрещенной зоны этого твердого раствора, изменяющейся от 3.4 до 0.7 эВ. Измерения спектров КР были проведены при комнатной температуре в геометрии рассеяния "назад" с использованием Не-Сс1 лазера (3.81 и 2.81 эВ), Аг+ лазера (2.41, 2.54 и 2.71 эВ), 2-й гармоники Ш:УАС лазера (2.33 эВ), Не-Ые лазера (1.96 эВ) и Кг+ лазера (1.92 и 1.83 эВ) в качестве источников возбуждения. Использование широкого набора энергий возбуждения (3.81-1.83 эВ) позволило проследить смену механизмов рассеяния при подзонном и внутризонном возбуждениях спектров КР целого ряда составов.

Использование геометрии рассеяния от плоскости слоя 1пхОа1хК и его торцевой части позволило получить детальную информацию о поведении четырех из шести фононных мод, разрешенных к наблюдению в КР спектрах. В качестве примера, на рис.7.10(а-<1) представлены спектры КР, полученные в геометриях рассеяния, соответствующих фононным модам симметрии /^(ТО), £](ТО), ^О^ёЮ и ^(Ш), для ТпчСа].хК в диапазоне составов 0.01<т<0.16. Спектры нормированы на максимумы соответствующих линий КР. В качестве возбуждающего излучения использовалась линия аргонового лазера Л =5.14 нм (2.41 эВ). Хорошее согласие поляризованных спектров КР с правилами отбора для вюрцитной структуры указывает на высокое кристаллическое качество твердых растворов.

На рис.7.11 представлены спектры КР для фононных мод симметрии ^(ЫёЬ) и А! (ТО), полученные во всем диапазоне составов 1пхОа]хМ. Спектры были получены с использованием различных энергий возбуждения в диапазоне энергий 1.82-3.81 эВ, выбранных для каждого состава таким образом, чтобы возбуждающее излучение значительно превышало порог поглощения исследуемого образца. Такие условия эксперимента, вне зависимости от состава твердого раствора, позволяют рассчитывать на идентичность механизмов рассеяния ответственных за процессе КР.

Как видно из рисунка, в спектрах наблюдается только одна мода симметрии Л](ЬО), что подтверждает теоретическое предсказание одномодового характера поведения этого фонона. Видно также, что Л](ЬО) фононная мода является достаточно узкой для образцов с низкой концентрацией 1п или ва, однако эта мода испытывает существенное уширение для образцов с промежуточным составом. Уширение ^(ЬО) линии указывает на присутствие существенного беспорядка в кристаллической решетке и наличие флуктуаций состава в твердом растворе. Однако для всех составов не наблюдается никакого добавочного высокочастотного плеча в линии ^(ЬО) моды, которое обычно связывают со спинодальным фазовым распадом твердого раствора. Контур линии ^(ЬО) моды описывается монотонной асимметричной кривой с затянутым низкочастотным крылом и резким высокоэнергетическим краем. Таким образом, данные КР указывают на отсутствие

Рис. 7.10 (а-ё) - поляризованные спектры КР твердых растворов 1пхОа1.>ЛЧ с малым содержанием 1п (0<х<0.2); е - зависимости частот оптических фононов симметрии А\(ЬО), £2(1^11) и ^(ТО) в слоях 1пхОа1хЫ от содержания 1п: сплошные линии -расчет в рамках ШУИ модели [74]; открытые символы - экспериментальные частоты фононов; темные символы - их значения с учетом величин деформаций, оцененных из данных рентгеноструктурных измерений. Пунктирные линии -аппроксимационные зависимости экспериментальных данных: со(у41(ЬО))=733-150-х, ю(£2№Ь)) =567.8-165.6-л:+189.1а2 и ©(^(ТО)) =531.8-131.7ос+50.7-х2.

Raman shift (cm1) Raman shift (cm'1)

Рис. 7.11 Поляризованные спектры КР твердых растворов 1пхСа].хК в широком диапазоне составов (0<л:<1). Спектры нормированы на интенсивность фононов симметрии ¿¡^(Ы^) (левая панель) и А (правая панель). фазовой сепарации в исследованных твердых растворах, что согласуется с данными рентгеновских измерений. Фононная линия .Е^^Ь) в спектрах, представленных на рис.7.11, достаточно узкая для образцов с низкой концентрацией 1п или ва, однако эта мода испытывает очень сильное уширение для образцов с промежуточным составом.

Все исследованные твердые растворы были выращены таким образом, что гексагональная ось слоя 1пхСа1хМ располагалась перпендикулярно плоскости подложки. Согласно правилам отбора (см. глава 5, табл. 5.1 ), фононы симметрии

А ¡(ТО) могут быть получены в спектрах КР в геометрии рассеяния с использованием торцевой части слоя твердого раствора. Однако для 1побогащенных 1пхОа].хМ такие измерения представляют значительные трудности в силу небольшой толщины слоев (0.2-Ю.5 мкм) и сильного поглощения в области используемых энергий возбуждения. Чтобы преодолеть эти трудности, были изучены твердые растворы 1пхСа1х1Ч (0.4<л<1) с высокой концентрацией

10 1 электронов («=7^-9x10 ст" ) с использованием геометрии рассеяния 'назад' от плоскости слоя. При такой высокой концентрации электронов положение нижней связанной фонон-плазмонной моды (17 моды), регистрируемой в спектре КР, должно быть близко к положению^](ТО) фононной моды. Следовательно, частоты фононных мод симметрии (ТО) в 1п-обогащенных образцах (0.4<х<1) могут быть приблизительно оценены из положения нижней связанной фонон-плазмонной моды (17 моды). Эти спектры показаны на рис.7.12.

Деформации, возникающие в слоях 1пхСа].хМ вследствие их неполной релаксации и разницы в термических коэффициентах слоя и подложки, могут приводить к существенным ошибкам при оценке зависимости частот фононов 1пхСа1хК состава Поэтому измеренные частоты фононов корректировались с учетом величин деформаций, которые были получены из данных рентгеновских измерений.

В случае двухосных деформаций линии в спектрах КР сдвигаются на величину Да>=я(0ец+&(1,£ь где ат и Ьы - деформационные потенциалы соответствующих фононных мод, а 5ц и е± - деформация в плоскости слоя и вдоль гексагональной оси соответственно. Параметры аа и Ь(1) для 1пхОа1.хК были рассчитаны на основе известных параметров для 1пЫ и ОаЫ: аю(х) = хасо(1п№)+(1— x)aa(GaN) и bjx) = xbJJnN)+{\-x)bJ(GaN). Деформационные потенциалы для ^li(TO), ^i(TO), £2(high) и ^i(LO) фононных мод GaN были заимствованы из [А1, 33]. Деформационные потенциалы для .Ei(TO), ^(high) и ^ii(LO) фононных мод InN были заимствованы из [178, 179]. Поскольку в литературе отсутствуют данные о деформационном потенциале yii(TO) фононной моды в InN, для оценки сдвига фононных частот под влиянием деформации для Ga-обогащенных InxGaixN твердых растворов (0<.r<0.2) мы использовали значение деформационного потенциала Л] (ТО) моды в GaN. Мы не делали поправок в частотах Л] (ТО) фононной моды для In-обогащенных твердых растворов InxGai„xN (0.6<х<1) поскольку эти частоты были получены из положений L~ моды, измеряемой в образцах с высокой концентрацией электронов, а следовательно, могут рассматриваться только как оценочные.

На рис.7.10е представлены рассчитанные в [74] зависимости частот центрозонных фононов гексагонального InxGaixN от состава твердого раствора в диапазоне концентраций (0<х<0.2). На этом же рисунке показаны полученные в наших исследованиях экспериментальные результаты с учетом поправок на наличие деформаций в слоях. Видно, что только частоты фонона ^i(LO) следуют теоретическим предсказаниям, в то время как наблюдаемые зависимости для частот фононов ^i(TO) и £'1(ТО) сильно отличаются от предсказанных теоретически. Для диапазона концентраций (0<г<0.2) получены аналитические зависимости частот фононов симметрии Aj(LO), E2(high) и А ¡(ТО) от состава InxGaixN, которые могут быть использованы для диагностики этих соединений: со (А 1 (LO))=733-150'л:, co(£2(high)) =567.8-165.6-*+189.1-дг2 и со(А{( ТО)) =531.8-131.7-х+50.7-л:2.

На рис.7.13а представлены зависимости частот исследованных фононов для всего композиционного ряда InxGaixN (0<х<1). Видно, что измеряемые частоты фонона /li(LO) хорошо совпадают с теоретически предсказанной линейной зависимостью только для Ga- обогащенных (0<х<0.2) и In-обогащенных (0.7<х<1) твердых растворов. Наличие участков в композиционном поведении фонона y4i(LO) хорошо совпадающих с теоретически предсказанной линейной зависимостью, является благоприятным фактором для создания количественного метода оценки состава InvGaivN по данным спектроскопии КР. Зависимость частоты /i,(LO)

LO) ■x—1-х

In Ga. N

X 1-х

488nm x=0.68 x=0.83 x=0.96

400

500

600

700

-1

800

Raman shift (cm")

Рис. 7.12 Спектры KP твердых растворов InxGa!xN с высокой концентрацией электронов п=5-7х10

19

СМ

-3

720

680 о

640

3

600

Е о

560 '

520

480

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 X о

540

500

460

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 X

520

480

440

Рис. 7.13 Зависимости частот оптических фононов симметрии А\(ЪО) (а), Е\(ТО) (Ь), (с) и у4[(ТО) (ф в слоях 1пхОа|.хК от содержания 1п (0<х<1): сплошные линии - рассчитанные в рамках КМ1 модели [74]; темные символы -экспериментальные данные. Открытыми символами показаны частоты фононных мод симметрии ^(ТО), оцененные из положения 17 моды; пунктирные линии -аппроксимационные зависимости экспериментальных данных. фонона 1плСа1гК от содержания 1п в диапазонах 0<т<0.2 и 0.7<х<1 может быть представлена следующим выражением: со (А\(ЬО))=1ЪЪ—150л:. Аналогичное выражение для зависимости ^(ЬО) фоионной моды в диапазоне составов 0<х<0.3 было получено для ненапряженных твердых растворов 1пхСа1-ЛК в работе [175].

В то же время А\(ЬО) фононные частоты для промежуточных составов (0.3<х<0.6) находятся выше линейной аппроксимации. Одной из возможных причин такого поведения может быть нарушение правил отбора, вызванное значительным количеством структурных дефектов в 1пЛОа1тЫ с составами, попадающими в этот диапазон. В результате так называемые квази-ЬО фононы могут наблюдаться в спектре КР вследствие угловой дисперсии полярных фононов. Энергии таких фононов зависят от направления распространения фонона по отношению к оптической оси кристалла, и их значения находятся между энергиями А\(ЪО) и £[(ЬО) фононов. Поскольку частоты ^(ЪО) фононов для всего композиционного ряда ^Оаь^Ы выше, чем частоты ^(ЬО) фононов, можно ожидать, что именно квази-ЬО фононы ответственны за наблюдаемое отклонение вверх по энергиям от предсказанного теоретически поведения дляЛ](ЬО) фононов.

Зависимость частот фонона симметрии от состава, полученная экспериментально, сильно отличается от теоретической и демонстрирует явную нелинейность (рис.7.13с). В то же время в спектрах не наблюдается явных признаков двухмодового характера поведения этого фонона, что могло бы объяснить столь сильное отклонение от линейной зависимости. Как уже указывалось выше, значительное отклонение от зависимостей предсказанных теоретически наблюдалось также для мод ^(ТО) и £[(ТО) в диапазоне концентраций 0.01<х<0.16. Поведение V моды, измеряемой для образцов 1пхОа1х]ЧГ с составами в диапазоне 0.4<л*<1, также отличается от линейного.

Таким образом, значительная нелинейность, выявленная в поведении ^(ТО) и ^(ТО) фононных мод как функций состава 1пхСа1хМ, указывает на то, что динамика кристаллической решетки этих твердых растворов должна быть исследована более тщательно как экспериментально, так и теоретически.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты.

1. С использованием экспериментальных данных об энергиях оптических фононов в центре зоны Бриллюэна и высокосимметричных точках на ее границе для гексагональных A1N и GaN, в рамках феноменологической модели, впервые рассчитаны дисперсионные кривые для акустических и оптических фононов вдоль высокосимметричных направлений зоны Бриллюэна, а также функции плотности фононных состояний этих соединений. Анализ данных свидетельствует о наличии существенных различий в динамике кристаллической решетки этих материалов как в области акустических, так и в области оптических колебаний.

2. Впервые получены значения констант деформационного потенциала, описывающего поведение фононных мод при наличии деформации в слое, для четырех из шести оптических фононов, активных в спектре КР гексагонального GaN. Предложен метод количественной оценки величины деформации в слоях GaN по данным КР.

3. Установлены основные механизмы, отвечающие за эффективность рассеяния света на плазмон-фононных модах в гексагональном «-GaN. Экспериментально определены значения коэффициента Фауста-Генри, используемого при расчете формы фонон-плазмонных линий, для мод симметрии Ai и Ei. Разработана и опробована количественная методика определения концентрации и подвижности свободных носителей в гексагональном «-GaN в диапазоне концентраций от 1х1017 до 5х1019 см"3 по данным КР.

4. Впервые экспериментально установлены зависимости частот всех оптических фононов твердых растворов AlxGaixN как функций состава во всем диапазоне концентраций. Теоретически и экспериментально изучено влияние флуктуации состава на колебательный спектр этих твердых растворов. Предложен метод количественной оценки состава и однородности AlxGaixN , основанный на совокупности полученных экспериментальных и теоретических данных.

5. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования динамики кристаллической решетки гексагональных сверхрешеточных структур GaN/AIN и GaN/AlGaN. Впервые установлен эффект сосуществования локализованных и делокализованных мод в их колебательном спектре и предложено объяснение их природы. Создана количественная методика диагностики, позволяющая оценивать величину и знак деформации в слоях многослойной структуры, процентное содержание А1 в слое твердого раствора и соотношение между толщинами индивидуальных слоев в СР по данным спектроскопии КР.

6. Выполнены детальные исследования фононного спектра гексагонального 1пК методами КР- и ИК-спектроскопии. Впервые зарегистрированы все шесть КР-аьсгивных оптических фононов ЬтК и определены их частоты. Выполнены модельные расчеты динамики кристаллической решетки 1пЫ. Впервые рассчитаны дисперсионные кривые акустических и оптических фононов для высокосимметричных направлений ЗБ и функция плотности состояний фононов гексагонального 1п1Ч. Впервые рассчитана температурная зависимость решеточной теплоемкости 1пЫ и сделана оценка температуры Дебая, величина которой при О К составляет 370 К. Предсказаны возможные каналы распада ЬО фононов.

7. Впервые выполнены систематические экспериментальные и теоретические исследования динамики кристаллической решетки слоев 1п1Ч, легированных акцепторными примесями. Оценка энергетических значений локальных колебательных мод, полученная в рамках кластерного приближения, совместно с результатами теоретико-группового анализа, позволила установить микроскопическую природу новых фононных мод, наблюдаемых в спектрах КР таких образцов. Показано, что КР спектроскопия является перспективным методом количественной диагностики слоев 1иМ, легированных М§. и может быть полезной в поиске путей решения проблемы получения ГпИ с дырочным типом проводимости.

8. Установлено, что спектральное положение края собственного поглощения в условиях вырождения сильно зависит от концентрации электронов и для интерпретации результатов эксперимента необходимо учесть эффект Бурштейна-Мосса.

9. Впервые обнаружена ФЛ в ближней ИК области спектра гексагонального 1пМ. Анализ зависимости спектров ФЛ от концентрации электронов, температуры и интенсивности возбуждения позволил установить ее межзонный характер и выявить черты, характерные для ФЛ кристаллов с вырожденными электронами.

10. Совместный анализ спектров ФЛ и спектров поглощения я-1пМ с

17 1 й 1 концентрацией электронов в диапазоне от 3x10 до 6><10 см" позволил оценить важнейшие фундаментальные физические параметры 1пЫ. Установлено, что ширина запрещенной зоны ЫМ в пределе малых концентраций электронов и низких температур составляет 0.67±0.01 эВ. Ранее считалось, что ее величина лежит в интервале 1.86-2.0 эВ. Показано, что экспериментальные спектры поглощения и ФЛ хорошо согласуются с результатами модельных теоретических расчетов в предположении непараболической зоны проводимости, где эффективная масса в Г-точке /я*=0.07то

11. Комплексные исследования образцов 1пхСа1хК методами оптического поглощения, ФЛ и резонансного КР позволили получить новые данные о зависимости ширины их запрещенной зоны от состава. Установлено, что эта фундаментальная характеристика хорошо описывается выражением =3.49-2.84х-Ьх(1-х) с большим параметром прогиба 6=2.5±0.1 эВ во всем диапазоне составов. Данные, полученные при исследовании 1п-обогащенных образцов 1пхОах.хМ (0.40<л:<1), подтверждают оценку величины запрещенной зоны Её~0.7 эВ в ШЧ.

12. Выполнены систематические исследования поведения оптических фононов в твердых растворах 1пхОа1хК во всем диапазоне составов методом спектроскопии КР. Для диапазона концентраций (0<\'<0.2) получены аналитические зависимости частот фононов симметрии ^(ЬО), и ((ТО) от состава 1пхОа1хМ, которые могут быть использованы для диагностики этих соединений. Впервые выявлена большая нелинейность в композиционном поведении фононов симметрии Л,(ТО), ^(ТО) и что указывает на необходимость новых теоретических и экспериментальных исследований динамики кристаллической решетки.

13. Показано, что исследование резонансного КР 1-го порядка, индуцированного примесями, позволяет получать данные о дисперсии полярных оптических и акустических ветвей колебательного спектра гексагонального МуГ в широкой области волновых векторов. Установлено, что величины волновых векторов возбуждаемых фононов однозначно связаны с энергией возбуждающего фотона. Проведены измерения частот ЬО фононов Ы^ при изменении энергии возбуждающего света в диапазоне от 2.81 до 1.17 эВ и ЬА фононов в диапазоне от

2.81 до 1.83 эВ. Полученные дисперсионные зависимости позволили найти новые значения частот А¡(1^0) и О) ветвей в Г-точке ЗБ, которые оказались равными 592±1 см"1 и 604±1 см"1 соответственно, что почти на 10 см"1 отличается от имеющихся в литературе данных для этих фононов. Была получена оценка скорости звука в плоскости перпендикулярной гексагональной оси, которая составила составила величину (5.20 - 5.40)х 105 см/сек.

Совокупность решенных в работе проблем может быть сформулирована как решение важной научной и практической задачи — определение фундаментальных физических свойств полупроводниковых соединений, перспективных для использования в электронных и оптоэлектронных приборах нового поколения. *

В заключение я хочу выразить свою искреннюю благодарность Альберту Аркадьевичу Клочихину, Никите Сергеевичу Аверкиеву, Михаилу Борисовичу Смирнову и Юрию Эруандовичу Китаеву за многолетнее плодотворное сотрудничество и теоретические исследования, которые в значительной степени определили современный уровень понимания экспериментальных результатов, рассмотренных в диссертации.

Я благодарен Игорю Николаевичу Гончаруку за большое количество проведенных измерений спектров КР. Особую признательность хочу выразить Александру Николаевичу Смирнову, который не только принимал непосредственное участие в большинстве выполненных исследований, но и оказал неоценимую помощь в оформлении диссертационной работы.

Хочу искренне поблагодарить Сергея Александровича Пермогорова за многочисленные полезные обсуждения полученных результатов, а также всех моих соавторов, принимавших участие в выполнении работы на разных ее этапах.

Я очень благодарен Александру Александровичу Каплянскому, заведующему лабораторией спектроскопии твердого тела ФТИ им. А.Ф. Иоффе, где была выполнена эта работа, и всем сотрудникам лаборатории за дружескую помощь, внимание и поддержку.

1. Arguello С.А., Rousseau D.L., and Porto S.P.S. First-Order Raman Effect in Wurtzite-Type Crystals // Phys. Rev. -1969. -v.181. -pp.1351-1363.

2. Leszczynski M., Suski Т., Teisseyre H., Perlin P., Grzegory Т., Jun J., Porowski S., Moustakas T.D. Thermal expansion of gallium nitride // J. Appl. Phys. -1994. -v.76. -pp.4909-4911.

3. Loudon R. The Raman Effect in Crystals // Advan. Phys. -1964. -v. 13. -pp.423-482.

4. Filippidis L., Siegle H., Hoffmann A., Thomsen C., Karch K., Bechstedt F. Raman Freqencies and Angular Dispersion of Polar Modes in Aluminum Nitride and Gallium Nitride // Phys. Stat. Sol. B. -1996. -v.198. -pp.621-627

5. Azuhata Т., Ono M., Torii K., Sota Т., Chichibu S.F., Nakamura S. Forward Raman scattering by quasilongitudinal optical phonons in GaN // J. Appl. Phys. -2000. -v.88. -pp.5202-5205.

6. Azuhata Т., Sota Т., Suzuki K., Nakamura S. Polarized Raman spectra in GaN // J. Phys.: Condens.Matter. -1995. -v.7. -pp.L129-L131.

7. Link A., Bitzer K., Limmer W., Sauer R., Kirchner C., Schwegler V., Kamp M., Ebling D.G., Benz K.W. Temperature dependence of the E2 and^i(LO) phonons in GaN and A1N // J. Appl. Phys. -1999. -v.86. -pp.6256-6260.

8. Li W.S., Shen Z.X., Feng Z.C., Chua S.J. Temperature dependence of Raman scattering in hexagonal gallium nitride films // J. Appl. Phys. -2000. -v.87. -pp.3332

9. Lyddane R.H., Sachs R.G., Teller E. On the polar vibration of alkali halides // Phys. Rev. -1941. -v.59. -pp.673-676.

10. Barker A.S., Ilegems M. Infrared Lattice Vibration and Free -Electron Dispersion in GaN // Phys. Rev. B. -1973. -v.7. -p.743-750.3337.

11. Goldberg Yu. in Properties of Advanced SemiconductorMaterials GaN, AIN, InN, BN, SiC, SiGe . Eds. Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Shur M.S., John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001, -pp.31-47.

12. Bergman L., Dutta M., Balkas C., Davis R., Christman J., Alexson D., Nemanich R. Raman analysis of the E\ and A\ quasi -longitudinal optical and quasi -transverse optical modes in wurtzite AIN // J. Appl. Phys. -1999. -v.85. -pp.3535-3539.

13. McNail L.E., Grimsditch M., French R.H. Vibrational Spectroscopy of Aluminum

14. Nitride // J. Am. Ceram. Soc. -1993. -v.76. -pp.1132-1136.

15. Hayes J., Kuball M., Shi Y., Edgar H. Temperature dependence of the phonons of bulk A1N // Jpn. J. Appl. Phys. -2000. -v.39 Part 2. -pp.L710-L712.

16. Chin V., Tansley T.L., Osotchan T. Electron mobilities in gallium, indium, and aluminum nitrides // J. Appl. Phys. -1994. -v.75. -pp.7365-7372.

17. Collins A.T., Lightowlers E.C., Dean P.J. Lattice vibration spectra of aluminum nitride // Phys. Rev. 1967. -v.158. -pp.833-838.

18. Akaski L., Hashimoto M. Infrared lattice vibration of vapour grown A1N // Solid State Commun. 1967. -v.5. -pp.851-853.

19. Born M., Huang K. Dynamical Theory of Crystal Lattices. —Claredon, Oxford, 1988.

20. Karch K., Bechstedt F. Ab initio lattice dynamics of BN and A1N: Covalent versus ionic forces // Phys. Rev. B. 1997. -v.56. -pp.7404-7415.

21. Karch K., Wagner J. -M., Bechstedt F. Ab initio study of structural, dielectric, and dynamical properties of GaN // Phys. Rev. B. -1998. -v.51. -pp.7043-7049.

22. Van Camp P.E., Van Doren V.E., Devreese J.T. High pressure structural phase transformation in gallium nitride // Solid State Commun. -1992. -v.81. -pp.23-26.

23. Kisielowski C., Kruger J., Ruvimov S., Suski T., Ager III J.W., Jones E., Liliental -Weber Z., Rubin M., Weber E.R., Bremser M.D., Davis R.F. Strain -related phenomena in GaN thin films // Phys. Rev. B. -1996. -v.54. -pp. 17745-17753.

24. Polian A., Grimsditch M., Grzegory I. Elastic constants of gallium nitride // J. Appl. Phys. -1996. -v.79. -pp.3343—3344.

25. Perlin P., Carillon C.J., Itie J.P., Miguel A.S., Grzegory I., Polian A. Raman scattering and x -ray -absorption spectroscopy in gallium nitride under high pressure // Phys. Rev. B. -1992. -v.45. -pp.83-89.

26. Demangeot F., Frandon J., Renucci M.A., Briot O., Gil B., Aulombard R.L. Raman determination of phonon deformation potentials in GaN // Solid State Commun. -1996. -v. 100.-pp. 207-210.

27. Romano L.T., Van de Walle C.G., Ager III J.M., Gotz W., Kern R.S. Effect of Sidoping on strain, cracking, and microstructure in GaN thin films grown by metalorganic chemical vapor deposition // J. Appl. Phys. -2000. -v.87. -pp.7745-7752.

28. Kozawa Т., Kachi Т., Капо H., Nagase H., Koide N., Manabe K. Thermal stress in GaN epitaxial layers grown on sapphire substrates // J. Appl. Phys. -1995. -v.77. -pp.4389-4392.

29. Lee I., Chio I., Lee C., Shin E., Kim D., Noh S.K., Son S., Lim K.Y., Lee H.J. Stress relaxation in Si -doped GaN studied by Raman spectroscopy // J. Appl. Phys. -1998. -v.83. -pp.5787-5791.

30. Savastenko V.A., Sheleg A.U. Study of the elastic properties of gallium nitride // Phys.Stat.Solidi A. -1978. -v.48. -pp.K135-K139.

31. Wright A.F. Elastic properties of zinc -blende and wurtzite A1N, GaN, and InN // J. Appl. Phys. 1997. - v.82(6). — pp.2833-2839.

32. Wagner J.-M., Bechstedt F. Phonon deformation potentials of a -GaN and -A1N: An ab initio calculation // Appl. Phys. Lett. 2000. - v.77(3). - pp.346-348.

33. Demangeot F., Frandon J., Baules P., Natali F., Semond F., Massies J. Phonon deformation potentials in hexagonal GaN // Phys. Rev. B. -2004. -v.69.-Art.l55215:l-5.

34. Клейн M. Электронное KP // Рассеяние света в твердых телах, вып.1, под редакцией М.Кардоны Москва, Мир, 1979. - с.12.

35. Klein M.V., Ganguly B.N., Colwell P.J. Theoretical and experimental study of Raman scattering from coupled LO -Phonon -Plasmon modes in silicon carbid // Phys. Rev. B. -1972. -v.6. -pp.2380-2388.

36. Hon D.T. and Faust W.L. Dielectric Parameterization of Raman Lineshapes for GaP with a Plasma of Charge Carriers // Appl. Phys. -1973. -v.l. -p.241-256.

37. Inner G., Toporov Y.V., Bairamov B.H., Monecke J. Determination of the charge carrier concentration and mobility in n-GaP by Raman spectroscopy // Phys. Status Solidi В. -1983. -v. 119. -pp.595-603.

38. Kozawa Т., Kachi Т., Капо H., Taga Y., Hachimoto M., Koide N., Manabe K. Raman scattering from LO phonon -plasmon coupled modes in gallium nitride // J. Appl. Phys. -1993. -v.75(2). -pp. 1098-1101.

39. Perlin P., Camassel J., ЬСпар W., Taliercio Т., Chervin J.C., Suski Т., Grzegory I., Porowski S. Investigation of longitudinal -optical phonon -plasmon coupled modes in highly conducting bulk GaN // Appl. Phys. Lett. -1995. -v.67(17). -pp.2524-2526.

40. Harima H., Sakashita H., Inoue Т., Nakashima S. Electronic properties in doped GaN studied by Raman scattering // J. Cryst. Growth. -1997. -v. 189/190. -pp.672-676.

41. Ponce F.A., Steeds J.W., Dyer C.D., Pitt G.D. Direct imaging of impurity -induced Raman scattering in GaN // Appl. Phys. Lett. -1996. -v.69(18). -pp.2650-2652.

42. Wieser N., Klose M., Dassow R., Scholz F., Off J. Raman studies of longitudinal optical phonon -plasmon coupling in GaN layers // J.Cryst.Growth. -1997. -v. 189/190. -pp.661-665.

43. Kirillov D., Leel H., Harris.Jr. J.S. Raman scattering study of GaN films // J. Appl. Phys. -1996. -v.80. pp.4058—4061.

44. Klose M., Dassow R., Gross M., Schroder H. Raman investigations of GaN films grown by pulsed laser deposition // J. Cryst. Growth. 1997. - v. 189/190. - pp.666-671.

45. Kasic A., Schubert M., Einfeldt S., Hommel D., Tiwald Т.Е. Free-carrier and phonon properties of n- and p-type hexagonal GaN films measured by infrared ellipsometiy // Phys. Rev. B 2000 - v.62.- pp.7365-7377.

46. Azuhata Т., Matsunaga Т., Shimada K., Yoshida K., Sota Т., Suzuki K., Nakamura S. Optical phonons in GaN // Physica В.- 1996.- v.219-220,- p.493-495.

47. Siegle H., Kaczmarczyk G., Filippidis L., Litvinchuk A.P., Hoffmann A., Thomsen C. Zone-boundary phonons in hexagonal and cubic GaN // Phys. Rev. В.- 1997 v.55-pp.7000-7004.

48. Nipko J.C., Loong C.-K. Phonon excitations and related thermal properties of aluminum nitride // Phys. Rev. В.- 1998,- v.57(17).- pp. 10550-10554.

49. Nipko J.C., Loong C.-K., Balkas C.M., and Davis R.F. Phonon density of states of bulk gallium nitride // Appl. Phys. Lett 1998.- v.73(l).- pp.34-36.

50. Van Hove L. The occureence of singularities in the elastic frequency distribution of a crystal // Phys. Rev.- 1953v.89.- pp. 1189-1193.

51. Cardona M. // Light Scattering in Solids II, под ред. Cardona M. and Guntherodt G., Topic in Applied Physics Springer, Berlin, 1982,- Vol.50.- p.l 17.

52. Murugkar S., Merlin R., Botchkarev A., Salvador A., Markoc H., Second order Raman spectroscopy of the wurtzite form of GaN // J. Appl. Phys- 1995 v.77(ll)-pp.6042-6043.

53. Smirnov M.B., Kazimirov V.Yu. LADY: software for lattice dynamics simulations // JINR communications E. -2001. -v. 14. pp.-159.

54. Karch K., Bechstedt F., Pavone P., Strauch D. Lattice dynamics of BN and A1N // Physica В.- 1996.- v.219-220.- pp.445^47.

55. Tsubouchi K., Sugai K., Mikoshiba N. A1N Material Constants Evaluation and SAW Properties on A1N/A1203 and AIN/Si // 1981 Ultrasonics Symposia Proceedings, edited by B. R. McAvoy. -IEEE, New York, 1981. -p. 375-380.

56. Evarestov R.A., Smirnov V.P. // Site Symmetry in Crystals: Theory and Applications, под ред. M.Cardona- Springer Series in Solid State Sciences, Springer, Heidelberg,. 1993.-v. 108.

57. Miller S.C., Love W.F. // Tables of Irreducible Representations of Space Groups and Co-representations of Magnetic Space Groups Pruett, Boulder, 1967.

58. Kovalev O.V. // Representations of the Crystallographic Space Groups., 2nd ed-edited by H.T. Stokes and D.M. Hatch.-Gordon and Breach, New York, 1993.

59. Кудрявцева H.B. Точка нулевого наклона в кристаллах // ФТТ. —1968. —т.10. — С.1616-1621.

60. Karch К., Bechstedt F., Pletl Т. Lattice dynamics GaN: Effects of 3d electrons // Phys. Rev. В.- 1997 v.56(7).-pp.3560-3563.

61. Bungaro C., Rapcewicz K., Bernholc J. Ab initio phonon dispersions of wurtzite A1N, GaN, and InN // Phys. Rev. B. -2000.- v.61.- pp.6720-6725.

62. Tiituncii H.M., Srivastava G.P., and Duman S. Lattice dynamics of the zinc-blende and wurtzite phases of nitrides // Physica В -Condensed Matter. -2002. -v.316. —p.190-194.

63. III-V Nitride Semiconductors: Applications and Devices in Optoelectronic Properties of Semiconductors and Superlattices Series, Edited by E.T. Yu and M.O. Manasreh, CRC Press, 2002. -v.16.

64. Nakamura S., Mukai Т., Senoh M. Candela -class high -brightness InGaN/AlGaN double -heterostructure blue -light -emitting diodes // Appl. Phys. Lett. -1994. -v.64. -pp. 1687-1689.

65. Nakamura S., Senoh M., Nagahama S., Iwasa N., Yamada Т., Matsushita Т., Kiyoku H., Sugimoto Y. InGaN -Based Multi -Quantum -Well -Structure Laser Diodes // Jpn. J. Appl. Phys. -1996. -v.35. -pp. L74-L76.

66. Velicky В., Kirkpatrick S., Ehrenreich H. Single -Site Approximations in the Electronic Theory of Simple Binary Alloys // Phys. Rev. -1968. -v. 175. -pp.747-766.

67. Elliott R.J., Krumhansl J.A., Leath P.L. The theory and properties of randomly disordered crystals and related physical systems // Rev. Mod. Phys. -1974. -v.46. -pp.465-543.

68. Chang I.F., Mitra S.S. Application of a Modified Random-Element-Isodisplacement Model to Long-Wavelength Optic Phonons of Mixed Crystals // Phys. Rev. -1968. -172.-pp.924-933.

69. Chang I.F., Mitra S.S. Long wavelength optical phonons in mixed crystals // Adv. Phys. -1971. -v.20. -pp.359-404.

70. Talwar D.N., Fang T.D. Characterization of Raman scattering spectra in ternary compound semiconductors // Phys. Rev. В -1990. -v.41. -pp.3746-3751.

71. Yu S.G., Kim K.W., Bergman L., Dutta M., Stroscio M.A., Zavada J.M. Long -wavelength optical phonons in ternary nitride -based crystals // Phys. Rev. В -1998. -v.58.-pp. 15283-15287.

72. Bechstedt F., Grille H. Lattice Dynamics of Ternary Alloys // Phys. Status Solidi B. -1999. -v.216. -pp.761-768.

73. Grille II., Schnittler Ch., Bechstedt F. Phonons in ternary group -III nitride alloys // Phys. Rev. В -2000. -v.61. -pp. 6091-7105.

74. Bungaro C., de Gironcoli S. Ab initio study of phonons in wurtzite AlxGaivN alloys // Appl. Phys. Lett. -2000. -v.76. -pp.2101-2103.

75. Cros A., Angerer H., Handschuh R., Ambacher O., Stutzmann M., Hopler R., Metzger T. Raman study of the optical phonons in AlxGaivN alloys // Solid State Commun. -1997. -v.104. -pp.35-39.

76. Demangeot F., Groenen J., Frandon J., Renucci M.A., Briot O., Clur S., Aulombard R.L. Coupling of GaN- and AIN-like longitudinal optic phonons in GaitAlTN solid solutions // Appl. Phys. Lett. -1998. -v.72. -pp.2674-2676.

77. Schubert M., Kasic A., Tiwald T.E., Off J., Kuhn B., Scholz F. Optical phonons and free -carrier effects in MOVPE grown AlxGaixN measured by Infrared Ellipsometry // MRS Internet J. Nitride Semicond. -1999. -v.4. -p.l 1.

78. Wieser N., Ambacher O., Angerer H., Dimitrov R., Stutzmann M., B. Stritzker, Lindner J.K.N. Disorder-Activated Scattering and Two-Mode Behavior in Raman Spectra of Isotopic GaN and AlGaN // Phys. Status Solidi B. -1999. -v.216. -pp.807811.

79. Teles L.K., Furthmiiller J., Scolfaro L.M.R., Leite J.R., Bechstedt F. First-principles calculations of the thermodynamic and structural properties of strained InvGaivN and AlvGaivN alloys // Phys. Rev. B. -2000. -v.62. -pp.2475-2485.

80. Hayashi K., Itoh K., Sawaki N., Akasaki I. Raman scattering in AlxGai-xN alloys // Solid State Commun. -1991. -v.77. -pp.115-118.

81. Bergman L., Bremser M.D., Perry W.G., Davis R.F., Dutta M., Nemanich R.J. Raman analysis of the configurational disorder in AlvGaivN films // Appl. Phys. Lett. -1997. -v.71. -pp.2157-2159.

82. Lundin W.V., Usikov A.S., Sakharov A.V., Tretyakov V.V., Poloskin D.V., Ledentsov N.N., Hoffmann A. Growth and Characterization of Thick Si-Doped AlGaN Epilayers on Sapphire Substrates // Phys. Status Solidi A. -1999. -v. 176. -pp.379-384.

83. Holz M., Prokofyeva T., Seon M., Copeland K., Vanbuskirk J., Williams S., Nikishin S.A., Tretyakov V., Temkin H. Composition dependence of the optical phonon energies in hexagonal AUGa,.TN // J. Appl. Phys. -2001. -v.89. -pp.7977-7982.

84. Shimada K., Sota T., Suzuki K. First -principles study on electronic and elastic properties of BN, A1N, and GaN // J. Appl. Phys. -1998. -v.84. -pp.4951-4958.

85. Schwoerer -Bohning M., Macrander A.T., Pabst M., Pavone P. Phonons in Wurtzite Aluminum Nitride // Phys. Status Solidi B. -1999. -v.215. -pp.177-180.

86. Zhang J.M., Ruf Т., Cardona М., Ambacher О., Stutzmann М, Wagner J. -M., Bechstedt F. Raman spectra of isotopic GaN // Phys. Rev. B. -1997. -v.56. -1439914406.

87. Maradudin A.A., Montroll E.W., Weiss G.N. Theory of Lattice Dynamics in the Harmonic Approximation. New York: Academic Press. -1963.

88. Maradudin A.A. Theoretical and experimental aspects of the effects of point defects and disorder on the vibrations of crystals // Sol. State Phys. -1966. -v. 18. -pp.273 —420; и // Sol. St. Phys. -1966. -v. 19, -pp. 1-134.

89. Lannoo M., Lenglart P. Study of the neutral vacancy in semi -conductors // J. Phys. Chem. Solids. -1969. -v.30. -pp.2409 -2418.

90. Bernholc J. and Pantelides S.T. Scattering -theoretic method for defects in semiconductors. I. Tight -binding description of vacancies in Si, Ge, and GaAs // Phys. Rev. B. -1978. -v.18. -pp.1780-1789.

91. Essam J.W. Phase Transitions and Critical Phenomena, Vol. 2: Percolation and Cluster Size / edited by C. Domb and M.S. Green. London : Academic Press, 1972. -pp.197.

92. Essam J.W. Percolation theory // Rep. Prog. Phys. -1980. -v.43. -pp.833-912.

93. Bunde A., Havlin S. Fractals and Disordered Systems / edited by. A. Bunde and S. Havlin.-Berlin: Springer-Verlag, 1994.-pp.51.

94. Sykes M.F., Gaunt D.S., Glen M. Percolation processes in three dimensions // J. Phys. A. -1976. -v.9, p. 1705-1712.

95. Jusserand В., Cardona M. in Light scattering in solids V, Edited by M. Cardona and G. Gunterherodt, Springer-Verlag, Berlin, p.49 (1988) (и ссылки внутри).

96. Gleize J., Demangeot F., Frandon J., Renucci M.A., Widmann F., Daudin B. Phonons in a strained hexagonal GaN-AIN superlattice // Appl. Phys. Lett. -1999. —v.74. -pp.703-705.

97. Gleize J., Demangeot F., Frandon J., Renucci M.A., Kuball M., Hayes J.M., Widmann F., Daudin B. Angular dispersion of polar phonons in a hexagonal GaN-AIN superlattice // Mater. Science and Eng. B. -2001. -v.82. -pp.27-29.

98. Wei G., Zi J., Zhang K., Xie X., Lattice dynamics of GaN/AIN superlattices // J. Appl. Phys. -1997. -v.82. -pp.622-627.

99. Bezerra E., Freire V.N., Teixeira A.M.R., Araiijo Silva M.A., Freire P.T.C., Mendes Filho J., Lemos V. Smooth interface effects on the Raman scattering in zinc -blende AIN/GaN superlattices // Phys. Rev. B. -2000. -v.61. -pp.l3060-13063.

100. Волысенштейн M.B., Грибов JI.A., Ельяшевич M.A., Степанов Б.И. Колебания молекул —Москва: Наука, 1972.

101. Gleize J., Renucci М.А., Frandon J., Demangeot F. Anisotropy effects on polar optical phonons in wurtzite GaN/AIN superlattices // Phys. Rev. B. -1999. -v.60. -pp.l 5985-15992.

102. Colvard C., Gant T.A., Klein M.V. Folded acoustic and quantized optic phonons in (GaAl)As superlattices // Phys. Rev. B. -1985. -v.31. -pp.2080-2091.

103. Рытов C.M. Электромагнитные свойства мелкослоистой среды // ЖЭТФ. -1955. -Т.29. -Вып.5. -С.605-612.

104. Gleize J., Frandon J., Renucci M.A. Anisotropy and strain effects on lattice dynamicsin nitride -based superlattices // Phys. Status Solidi A. -2003. -v. 195. -pp.605611.

105. Dutta M., Alexson D., Bergman L. Nemanich R.J., Dupuis R., Kim K.W., Komirenko S., Stroscio M. Phonons in III-V nitrides: Confined phonons and interface phonons // Physica E. -2001. -v.l 1. -pp.277-280.

106. Sarua A., Kubal M., Van Nostrand J.E. Deformation potentials of the ^(high) phonon mode of A1N // Appl. Phys. Lett. -2002. -v.81. -pp. 1426-1428.

107. Yu P., Cardona M. Fundamental of Semiconductors. -Springer, 1998.

108. Kwon H.J., Lee Y.H., Miki O., Yamano H., Yoshida A. Raman spectra of indium nitride thin films grown by microwave -excited metalorganic vapor phase epitaxy on (0001) sapphire substrates // Appl. Phys. Lett. 1996. -v.69. -pp.937-939.

109. Lee M.C., Lin H.C., Pan Y.C., Shu C.K., Ou J., Chen W.H., Chen W.K. Raman and x -ray studies of InN films grown by metalorganic vapor phase epitaxy // Appl. Phys. Lett. -1998. -v.73. -pp.2606-2608.

110. Inushima T., Shiraishi T., Davydov V.Y. Phonon structure of InN grown by atomic layer epitaxy // Solid State Commun. -1999. -v. 110. -pp.491-495.

111. Kasic A., Schubert M., Saito Y., Nanishi Y., Wagner G. Effective electron mass and phonon modes in n -type hexagonal InN // Phys. Rev. B. -2002. -v.65. -pp. 115206115212.

112. Wu J. When group-Ill nitrides go infrared: New properties and perspectives // J. Appl. Phys. -2009. -v.106. -Art. 011101:1-28.

113. Thakur J.S., Haddad D., Naik V.M., Naik R., Auner G.W., Lu H., Schaff W.J. A](LO) phonon structure in degenerate InN semiconductor films // Phys. Rev. B. -2005. -v.71.-pp.115203-115212.

114. Demangeot F., Pinquier C., Frandon J., Gaio N., Briot O., Maleyre B., Ruffenach S., Gil B. Raman scattering by the longitudinal optical phonon in InN: Wave-vector nonconserving mechanisms // Phys. Rev. B. -2005. -v.71. -pp.104305-104310.

115. Dyck J.S., Kim K., Limpijumnong S., Lambrecht W.R.L., Kash K., Angus J.C. Identification of Raman -active phonon modes in oriented platelets of InN and polycrystalline InN // Solid State Commun. -2000. -v.l 14. -pp.355-360.

116. Sheleg A.U., Savastenko V.A. Study of the elastic properties of indium nitride // Izv. Akad.Nauk SSSR, Neorg. Mater. -1979. -15. -p.l598.

117. Tsen K.T., Kiang J.G., Ferry D.K. Direct measurements of the lifetimes of longitudinal optical phonon modes and their dynamics in InN // Appl. Phys. Lett. -2007. -v.90. -Art. 152107:1-3.

118. Tsen K.T., Ferry D.K., Goodnick S.M., Salvador A., Morkoc H. Decay of the longitudinal optical phonons in wurtzite GaN and AlxGaixN // Physica В.- 2000-v.272 p.406-408.

119. Harima H. Properties of GaN and related compounds studied by means of Raman scattering // J. Phys.: Cond. Matt. -2002. -v.14. -pp.R967-R993 (и ссылки внутри).

120. Lu H., Schaff W.J., Hwang J., Wu H., Yeo W., Pharkya A., Eastman L.F. Improvement on epitaxial grown of InN by migration enhanced epitaxy // Appl. Phys. Lett. -2000. -v.77, -pp.2548-2550.

121. Gwo S., Wu C.L., Shen C.H., Chang W.H., Hsu T.M., Wang J.S., Hsu J.T. Heteroepitaxial growth of wurtzite InN films on Si(lll) exhibiting strong nearinfrared photoluminescence at room temperature // Appl. Phys. Lett. -2004. -v.84. -pp.37653767.

122. Martin R.M. Resonance raman scattering near critical points // Phys. Rev. B. -1974. -v. 10. -pp.2620-2631.

123. Haan S.W., Zwanzig R. Series expansions in a continuum percolation problem // J. of Phys. A -Mathematical and General. -1977. -10. -pp.1547-1555.

124. Hoffmann A., Kaschner A., Thomsen C. Local vibrational modes and compensation effects in Mg -doped GaN // Phys. Status Solidi (c). -2003. -0. -pp. 17831794.

125. Reboredo F.A., Pantelides S.T. Novel Defect Complexes and Their Role in the p -Type Doping of GaN // Phys. Rev. Lett. -1999. -82. -pp. 1887-1890.

126. Brandt M.S., Ager III J.W., Gotz W., Johnson N.M., Harris Jr J.S., Molnar R.J., Moustakas T.D. Local vibrational modes in Mg -doped gallium nitride // Phys. Rev. B. — 1994. -v.49. -pp. 14758-14761.

127. Kaczmarczyk G., Kaschner A., Hoffmann A., and Thomsen C. Impurity -induced modes of Mg, As, Si, and С in hexagonal and cubic GaN // Phys. Rev. B. -2000. -v.61. -pp.5353-5357.

128. Тягай B.A., Евстигнеев A.M., Красико A.H., Андреева А.Ф., Малахов В.Я. // ФТП. -1977. -Т.П. -С.2142—2144.

129. Tansley T.L., Foley С.Р. Electron mobility in indium nitride // Electron. Lett. -1984. -v.20. -pp.1066-1068.

130. Tansley T.L., Foley C.P. Optical band gap of indium nitride // J. Appl. Phys. -1986. -v.59. -pp.3241-3244.

131. Guo Q., Yoshida A. Temperature Dependence of Band Gap Change in InN and A1N // Jpn. J. Appl. Phys. pt 1. -1994. -v.33. -pp.2453-2456.

132. Yamaguchi S., Kariya M., Nitta S., Takeuchi Т., Wetzel C., Amano H., Akasaki I. Anomalous features in the optical properties of AlitInxN on GaN grown by metal organic vapor phase epitaxy // Appl. Phys. Lett. -2000. -v.76. -pp.876-878.

133. Kim M.H., Cho J.K., Lee I.H., Park S.J. Metalorganic Molecular Beam Epitaxy of InGaN Layers and Their Optical Properties // Phys. Stat. Sol. A. -1999. -v.176. -pp.269272.

134. Chuo C.C., Lee C.M., Nee Т.Е., Chyi J.I. Effects of thermal annealing on the luminescence and structural properties of high indium -content InGaN/GaN quantum wells // Appl. Phys. Lett. -2000. -v.76, -pp.3902-3904.

135. O'Donnell K.P. A Mystery Wrapped in an Enigma: Optical Properties of InGaN Alloys // Phys. Stat. Sol. A. -2001. -v.183. -pp.117-120.

136. Inushima Т., Mamutin V.Y., Vekshin V.A., Ivanov S.V., Sakon Т., Motokawa S., Ohoya S. Physical properties of InN with the band gap energy of 1.1 eV // J. Cryst. Growth. -2001. -v.227/228. -pp.481^185.

137. Matsuoka Т., Tanaka H., Sasaki Т., Katsui A. // Proc. Int. Symp.GaAs and Rel. Сотр. -1989.-pp.141.

138. Lu Ii., Schaff W J., Hwang J., Wu H., Koley G., Eastman L.F. Effect of an A1N buffer layer on the epitaxial growth of InN by molecular -beam epitaxy // Appl. Phys. Lett. -2001. -v.79. -pp. 1489-1491.

139. Saito Y., Yamaguchi Т., Kanazawa H., Капо K., Araki Т., Nanishi Y., Teraguchi N., Suzuki A. Growth of high -quality InN using low -temperature intermediate layers by RF -MBE // J. Cryst. Growth. -2002. -v.237. -pp.1017-1021.

140. Ратников B.B., Мамутин B.B., Векшин В. А., Иванов C.B. Рентгендифрактометрическое изучение влияния буфера на микроструктуру молекулярно-пучковой эпитаксии InN -слоев разной толщины // ФТТ. -2001. -Т.43. -Вып.5. -С.913-917.

141. Higashiwaki М., Matsui Т. High-Quality InN Film Grown on a Low-Temperature-Grown GaN Intermediate Layer by Plasma-Assisted Molecular —Beam Epitaxy // Jpn. J. Appl. Phys. -2002. -v.41. -pp.L540-L542.

142. Xu K., Yoshikawa A. Effects of film polarities on InN growth by molecular-beam epitaxy //Appl. Phys. Lett. -2003. -v.83. -pp.251-253.

143. Wu J., Walukiewicz W., Yu K.M., Ager III J.W., Haller E.E., Lu H., Schaff W.J., Saito Y., Nanishi Y. Unusual properties of the fundamental band gap of InN // Appl. Phys. Lett. -2002. -v.80. -pp.3967-3969.

144. Burstein E. Anomalous Optical Absorption Limit in InSb // Phys. Rev. —1954. -v.93. -pp.632-633.

145. Ishitani Y., Xu K., Terashima W., Hashimoto N., Yoshitani M., Hata Т., Yoshikawa A. Infrared measurements of InN films at low temperatures // phys.stat.sol.(c). -2003. -v.0. -pp.2838-2871.

146. Klochikhin A.A., Ogloblin S.G. Density of localized states in disordered solids // Phys. Rev. B. -1993. -v.48. -pp.3100-3115.

147. Клочихин A.A., Пермогоров C.A., Резницкий A.H. Люминесценция экситонов из флуктуационных хвостов плотности состояний в неупорядоченных твердых растворах // ФТТ. -1997. -Т.39. -Вып.7. -С.1170-1182.

148. Klochikhin A., Reznitsky A., Permogorov S., Breitkopf Т., Grün М., Hetterich М., Klingshirn С., Lyssenko V., Langbein W., Hvam J.M. Luminescence spectra and kinetics of disordered solid solutions // Phys. Rev. B. -1999. -v.59. -pp.l2947-12972.

149. Mahboob I., Veal T.D., Piper L.F.J., McConville C.F., Lu H., Schaff W.J., Furthmiiller J., Bechstedt F. Origin of electron accumulation at wurtzite InN surfaces // Phys. Rev. B. -2004. -v.69. -Art.201307R:l-4.

150. Carrier P., Wei S.H. Theoretical study of the band-gap anomaly of InN // J. Appl. Phys-2005. -v.97.-Art.033707:l-5.

151. O'Donnell K.P., Mosselmans J.F.W., Martin R.W., Pereira S., White M.E. Structural analysis of InGaN epilayers // J. Phys.: Condens. Matter. -2001. -v. 13. -pp.6977-6991.

152. Reznitsky A., Klochikhin A., Permogorov S., Tenishev L., Lundin W., Usikov A., Schmidt M., Klingshirn C. Localization of Excitons at Small In Clusters in Diluted InGaN Solid Solutions // phys. stat. sol. (c). -2002. -v.0. -pp.280-283.

153. Hori M., Kano K., Yamaguchi T., Saito Y., Araki T., Nanishi Y., Teraguchi N., Suzuki A. Optical Properties of InxGai XN with Entire Alloy Composition on InN Buffer Layer Grown by RF -MBE // phys. stat. sol. (b).-2002. -v.234. -pp.750-754.

154. Wu J., Walukiewicz W., Yu K.M., Ager III J.W., Haller E.E., Lu PI., Schaff W.J. Small band gap bowing in Ini xGaxN alloys // Appl. Phys. Lett. -2002. -v.80. -pp.47414743.

155. Shen X.Q., Ide T., Shimizu M., Okumura H. Growth and characterizations of InGaN on N and Ga -polarity GaN grown by plasma -assisted molecular -beam epitaxy // J.Cryst.Growth. -2002. - v.237-239. -pp.1148-1152.

156. Kurouchi M., Araki T., Naoi H., Yamaguchi T., Suzuki A., Nanishi Y. Growth and properties of In -rich InGaN films grown on (0001) sapphire by RF -MBE // phys. stat. sol. (b). -2004. -v.241. -pp. 2843-2848.

157. Moret M, Gil В., Ruffenach S., Briot O., Giesen Ch., Heuken M., Rushworth S., Leese Т., Sucei M. Optical, structural investigations and band-gap bowing parameter of GalnN alloys // J.Ciyst.Growth. -2009. -v.311. -pp.2795-2797.

158. Cardona M. // Light Scattering in Solids II, под ред. Cardona M. and Güntherodt G., Topic in Applied Physics Springer, Berlin, 1982,- Vol.50.- p. 19.

159. Abdumalikov A.A., Klochikhin A.A. The double resonance in two -phonon Raman scattering // Phys. Status Solidi B. -1977. -v.80. -pp 43-50.

160. В ehr D., Niebuhr R„ Obloh H., Wagner J., Bachem K.H., Kaufinann U. // Materials Research Society Symposium Proceedings. -1997. -v.468. -pp.213-218.

161. Harima H., Kurimoto E., Sone Y., Nakashima S., Chu S., Ishida A., Fujiyasu H. Observation of phonon modes in bulk InGaN films by Raman scattering // Phys. Stat. Sol. B. -1999. -V.216. -pp.785-788.

162. Alexson D., Bergman L., Nemanich R.J., Dutta M., Stroscio M.A., Parker C.A., Bedair S.M., El -Masry N.A., Adar F. Ultraviolet Raman study of ^i(LO) and E2 phonons in InxGaixN alloys // J. Appl. Phys. -2001.-v.89. -pp.798-800.

163. Ager III J.W., Walukiewicz W., Shan W., Yu K.M., Li S.X., Haller E.E., Lu H., Schaff WJ. Multiphonon resonance Raman scattering in InxGaixN // Phys. Rev. B. -2001.-v.72.-pp. 155204:1-7.

164. Correia M.R., Pereira S., Frandon J., Alves E. Raman study of the Ai(LO) phonon in relaxed and pseudomorphic InGaN epilayers // Appl. Phys. Lett. -2003. -v.83. -pp. 4761-4763.

165. Kontos A.G., Raptis Y.S., Pelekanos N.T., Georgakilas A., Bellet -Amalric E., Jalabert D. Micro -Raman characterization of InxGai xN/GaN/Al203 heterostructures // Phys. Rev. B. -2005. -v.72. -pp.1555336:1-10.

166. Hernandez S., Cosco R., Pastor D., Artus L., O'Donnell K.P., Martin R.W., Watson I.M., Nanishi Y., Calleja E. Raman scattering study of the InGaN alloy over the whole composition range // J. Appl. Phys. -2005. -v.98. -pp. 013511:1-5.

167. Darakchieva V., Paskov P.P., Valcheva E., Paskova Т., Monemar В., Schubert M., Lu FI., Schaff W.J. Deformation potentials of the £i(TO) and E2 modes of InN // Appl. Phys. Lett. -2004. -v.84. -pp. 3636-3638.

168. Wang X., Che S.-B., Ishitani Y., Yoshikawa A. Experimental determination of strain -free Raman frequencies and deformation potentials for the ^(high) and A\(LO) modes in hexagonal InN // Appl. Phys. Lett. -2006. -v.89. -pp. 171907:1-3.

169. Chang Y. -M., Hong Y. -L., Gwo S., Direct probe of the built -in electric field of Mg -doped a -plane wurtzite InN surfaces with time -resolved electric -field -induced second harmonic generation // Appl. Phys. Lett. -2008. -v.93. -pp.131106-131108.

170. Bechstedt F., Furthmuller J. Do we know the fundamental energy gap of InN? // J. Cryst. Growth. -2002. -v.246. -pp.315-319.

171. Menendez J., Cardona M. Resonance Raman scattering in InSb: Deformation potentials and interference effects at the Ej gap // Phys. Rev. B. -1985. -v.31. -pp.36963703.

172. Colakerol L., Piper L.F.J., Fedorov A., Chen T.C., Moustakas T.D., Smith K.E. Observation of an inverted band structure near the surface of InN // EPL. -2008. -v.83. -pp.47003^47006.

173. Работы, вошедшие в диссертацию

174. А5. Davydov V.Yu., Goncharuk I.N., Baidakova M.V., Smirnov A.N., Subashiev A.V., Aderhold J., Stemmer J., Uffmann D., Semchinova O. Raman spectroscopy of disorder effects in AlGaN solid solutions // Mat. Science & Eng. B. -1999. -v.59. -pp.222-225.

175. A7. Mamutin V.V., Vekshin V.A., Davydov V.Yu., Ratnikov V.V., Kudriavtsev Yu.A., Ber B.Ya., Emtsev V.V., Ivanov S.V. // Mg-Doped Hexagonal InN/Al203 Films Grown by MBE // Phys. Status Solidi A. -1999. -v. 176. -pp.373-378.

176. A15. Aderhold J., Davydov V.Y., Fedler F., Klausing H., Mistele D„ Rotter T., Semchinova O., Stemmer J., Graul J. InN thin films grown by metalorganic molecular beam epitaxy on sapphire substrates // J. Cryst. Growth. -2001. -v.222. -pp.701-705.

177. A18. Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Seisyan R.P., Emtsev V.V., Ivanov S.V., Bechstedt F., Furthmüller J., Harima H., Mudryi A.V., Aderhold J., Semchinova O.,

178. Graul J., Absorption and emission of hexagonal InN. Evidence of narrow fundamental band gap // Phys. Status Solidi B. -2002. -v.229. -pp.Rl-R3.

179. A20. Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Emtsev V.V., Bechstedt F., Mudryi A.V., Haller E.E. Reply to "Comment on 'Band Gap of InN and In-Rich InxGaixN Alloys (0.36<x<l)' // Phys. Status Solidi B. -2002. -v.233. -pp.R10-Rl 1.

180. A29. Bhuiyan A.G., Sugita K., Kasashima K., Hashimoto A., Yamamoto A., Davydov

181. V.Yu. Single-crystalline InN films with an absorption edge between 0.7 and 2 eVgrown using different techniques and evidence of the actual band gap energy // Appl.

182. Phys. Lett. -2003. -v.83. -pp.4788-4790.

183. A30. Davydov V., Klochikhin A., Ivanov S., Aderhold J., Yamamoto A. Growth and

184. Properties of InN // Nitride Semiconductors: Handbook on Materials and Devices.

185. WILEY-VCH, 2003. -pp.241-294.

186. A32. Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Emtsev V.V., Smirnov A.N., Yagovkina M.A.,1.bedev V.M. X-ray, RBS and Raman studies of hexagonal InN and InGaN alloys //tfi

187. A34. Yamamoto A., Sugita K., Takatsukaa H., Hashimotoa A., Davydov V.Yu. Correlations between electrical and optical properties for OMVPE InN // J. Cryst. Growth. -2004. -v.261. -pp.275-279.

188. A35. Кютт P.H., Щеглов М.П., Давыдов В.Ю., Усиков А.С. Деформация слоев в сверхрешетках AlGaN/GaN по данным рентгенодифракционного анализа // ФТТ. -2004. -Т.46. -С.353-359.

189. А36. Давыдов В.Ю., Клочихин А.А. Электронные и колебательные состояния InN и твердых растворов InxGa,.xN. Обзор // ФТП. -2004. -Т.38. -С.897-936.

190. A40. Davydov V.Yu., Smirnov A.N., Smirnov M.B., Karpov S.V., Yagovkina M.A., A.I. Besulkin, Lundin W.V. Optical phonons in hexagonal GaN/AIN and GaN/AlGaN superlattices // Phys. Status Solidi C. -2005. -v.2. -pp.2389-2392.

191. A42. Klochikhin A.A., Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Sakharov A.V., Kapitonov V.A., Andreev B.A., Lu H., Schaff W.J. Manifestation of the equilibrium hole distribution in photoluminescence of n-InN // Phys. Status Solidi B. -2005. -v.242, -pp.R33-R35.

192. A43. Смирнов М.Б., Карпов C.B., Давыдов В.Ю., Смирнов А.Н., Заварин Е.Е., Лундин В.В. Колебательные спектры сверхрешеток AIN/GaN: теория и эксперимент // ФТТ. -2005. -Т.47. -№4. -С.716-727.

193. А44. Klochikhin A.A., Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Smirnov A.N., v. Baltz R. А gauge invariant approach to the Raman scattering in heavily doped crystals // Phys. Status Solidi B. -2005. -v.242. -pp. R58-R60.

194. A45. Klochikhin A.A., Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Sakharov A.V., Kapitonov V.A., Andreev B.A., Lu H., Schaff W.J. Acceptor states in the photoluminescence spectra of n-InN // Phys. Rev. B. -2005. -v.71. -Art. 195207:1-16.

195. A48. Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Goncharuk I.N., Smirnov A.N., Sakharov A.V., Skvortsov A.P., Yagovkina M.A., Lebedev V.M., Lu H., Schaff W.J. Resonant Raman scattering in InGaN alloys // Phys. Status Solidi B. -2006. -v.243. -pp.14941498.

196. A49. Klochikhin A.A., Davydov V.Yu., Emtsev V.V., Sakharov A.V., Kapitonov V.A., Andreev B.A., Lu H., Schaff W.J. Photoluminescence of n-InN with low electron concentrations // Phys. Status Solidi A. -2006. -v.203. -pp.50-58.

197. А50. Soukhoveev V., Kovalenkov О., Shapovalova L., Ivantsov V., Usikov A., Dmitriev V., Davydov V., Smirnov A. AlGaN epitaxial layers grown by HVPE on sapphire substrates // Phys. Status Solidi C. -2006. -v.3. -pp. 1483-1486.

198. A53. Davydov V.Yu., Klochikhin A.A., Smirnov M.B., Kitaev Yu.E., Smirnov A.N., Lundina E.Y., Lu H., Schaff W.J., Lee H.-M., Lin H.-W., Hong Y.-L., Gwo S. SIMS and Raman studies of Mg-doped InN // Phys. Status Solidi C. -2008. -v. 5. -pp. 1648-1651.

199. A55. Davydov V.Yu., Klochikhin A.A. Electronic states in InN and lattice dynamics of InN and InGaN / Indium Nitride and Related Alloys / edited by T.D. Veal, C.F. McConville, W J. Schaff.- Boca Raton.: CRC Press, 2009. -pp. 181-241.